鎖相技術(shù)與頻率合成器第一節(jié)教學(xué)主要內(nèi)容一、反饋控制電路(一)基本概念采用反饋控制電路的目的是提高通信系統(tǒng)的技術(shù)性能，或者實(shí)現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求。通信系統(tǒng)中常用的有自動(dòng)振幅控制、自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制。3.反饋控制電路是由被控對象和反饋控制器兩部分組成。反饋控制器_一 被控對象圖10-1反饋控制電路的組成方框圖反饋控制電路中X。為系統(tǒng)的輸出量，Xr為系統(tǒng)的輸入量，是反饋控制器的比較標(biāo)準(zhǔn)。 °根據(jù)實(shí)際工作的需要，每個(gè)反饋控制電路的X。和XR之間都具有確定的關(guān)系，例如Xo=g(XR)o若這一關(guān)系受到破壞，則反饋控制器就能夠檢測出輸出量與輸入量的關(guān)系偏離Xo=g(XR)的程度，產(chǎn)生相應(yīng)的誤差量Xe，加到被控對象上對輸出量X。進(jìn)行調(diào)整，使X。與XR之間的關(guān)系接近或恢復(fù)到預(yù)定的關(guān)系Xo=g(XR)。 ° °(二)自動(dòng)相位控制電路(鎖相環(huán)路)°用途：在通信系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)頻率合成、頻率跟蹤等許多功能。鎖相環(huán)路的被控量是相位，被控對象是壓控振蕩器(VCO)。在反饋控制器中對振蕩相位進(jìn)行比較。利用誤差量對VCO的輸出相位進(jìn)行調(diào)整。圖10-4自動(dòng)相位控制方框圖VCO輸出電壓的相位受uc控制。而uc是VCO的輸出電壓的相位印與環(huán)路輸入相位eR經(jīng)鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓ue經(jīng)環(huán)路濾波器后得到的控制電壓。控制環(huán)路的輸入量為eR「輸出量為ev。二、自動(dòng)相位控制電路(鎖相環(huán)路)(一)鎖相環(huán)路的基本原理鑒相器及其相位模型功能：比較輸入信號相位和VCO輸出信號的相位，其輸出電壓與兩信號的相位差成正比。(2)實(shí)現(xiàn)電路：模擬乘法器圖10-5等效鑒相器(3)鑒相特性鑒相器的輸入信號分別為uv(t)=UVmcos[m(t+ey(t)]u(t)=U sin[/ t+e (t)] =U sin[/ t+(rn -/)t+e (t)] =U sin[/ t+e(t)]RRm RR Rm oyR(/R Rm o 1V式中，ei(t)=(^R-^o)t+eR(t)稱為輸入信號以相位氣t為參考的瞬時(shí)相位。經(jīng)相乘器，其輸出電壓u KMuR(t)uv(t)為Kmur(t)uv(t)=KMURmsin[//+e](t)]Uvmcos[氣t+ev(t)]=-KmURmUVmsin[2^ot+ei(t)+ev(t)]+2KMURmUvmsin["一印(汩式中，Km為乘積系數(shù)，單位1/V。由于環(huán)路有低通濾波，起作用的是低頻分量，即ud(t)=-KMURmUvmsin11")-4(汨=K*n叩)式中，Kd=KMURmUvm/2為鑒相器的最大輸出電壓。ee(t)=ei(t)-ev(t)為鑒相器輸入信號的瞬時(shí)相差?？梢?，乘法器作為鑒相器的鑒相特性是正弦特性。(4)鑒相器的相位模型圖10-6鑒相器的相位模型VCO及其相位模型功能：它是一種電壓--頻率變換器，振蕩頻率％⑺受電壓u(t)的控制。VCO的頻率與電壓的關(guān)系 '圖10-7壓控振蕩器調(diào)頻特性在一定范圍內(nèi)，％與u的關(guān)系可認(rèn)為是線性的，即氣(t)=乞+Kvu*)式中，氣是uc(t)=0時(shí)，壓控振蕩器的固有振蕩頻率,Ky是壓控振蕩器調(diào)頻特性的斜率。稱為壓控靈敏度(rad/s?V)。VCO輸出電壓相位與uc(t)的關(guān)系VCO輸出電壓的瞬時(shí)總相位為TOC\o"1-5"\h\zj'①(t)dt=/J+Kvj1u(t)dt

0 0而以^t為參考相位的瞬時(shí)相位為0(t)=Kj'u(t)dt=、u(t)VV0c pc式中，微分算子p=d/dt。VCO的相位模型%(，) 也 。廣(，) ? P *圖10-8VCO的相位模型3.環(huán)路濾波器及其相位模型功能：濾除鑒相器輸出的高頻部分，并抑制噪聲，提高環(huán)路的穩(wěn)定性。電路形式：常用有RC濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器等。環(huán)路濾波器輸出與輸入的關(guān)系Uc()=KF(P)U(t)環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型U)Kf(P) Uc(t)圖10-9環(huán)路濾波器數(shù)學(xué)模型4.鎖相環(huán)路的相位模型圖10-10鎖相環(huán)路的相位模型鎖相環(huán)路的基本方程(相位控制方程)3(t)=0(t)-3(t)=0(t)-KKK(p)-sin。(t)

e1V1dVF ep0(t)是鑒相器的輸入信號與VCO輸出信號(即鑒相器的另一輸入信號)之間的瞬時(shí)e相位差；KdKvKF(p)-sin0e(t)是控制相位差；pe任何時(shí)候環(huán)路的瞬時(shí)相位差和控制相位差之代數(shù)和等于輸入信號以相位coj為參考的瞬時(shí)相位。 °鎖相環(huán)路的頻率動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系將相位控制方程對時(shí)間微分，可得頻率動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。因?yàn)閜=d/dt,可得p0e(t)+KdKvKF(p)sin0e(t)=p01(t)^1)昭什)是VCO的振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的數(shù)值氣0-氣(t)，稱為瞬時(shí)角頻差；(2)KKvKf(p)sin0e(t)是VCO在控制電壓u(t)=KKp(p)sin0e(t)作用下的振蕩角頻率氣(t)偏離①0的數(shù)值&(t)-①。，稱為控制角頻差； 'V(3)pq(t)是輸入信號角頻率①r0偏離氣的數(shù)值①網(wǎng)-①°，稱為輸入固有角頻差；(4)環(huán)路閉合后的任何時(shí)刻，瞬時(shí)角頻差和控制角頻差之代數(shù)和恒等于輸入固有角頻

差。(二)環(huán)路“鎖定”的基本概念環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過程當(dāng)環(huán)路輸入一個(gè)頻率和相位不變的信號uR(t)=URmsin(^R0t+40)時(shí)，根據(jù)以氣t為參考的瞬時(shí)相位可得 “ °u(t)=Usin[/t+(rn~rn)t+0]=Usin[/t+0(t)]RRm o'R0OR0Rm o 1V°i(t)=(%0~m()t+OR0p0i(t)=aR0-氣=△/根據(jù)環(huán)路方程p如+KdKvKF(p)sinB(t)=pO^t)Er0-%(t)]+Ev(t)-ao]=%0-氣瞬時(shí)角頻差控制角頻差固有角頻差當(dāng)環(huán)路閉合瞬間u(t)=0,氣(t)=氣，無控制角頻差，此時(shí)環(huán)路的瞬時(shí)角頻差等于輸入固有角頻差。 ’ °隨時(shí)間t的增加，有控制電壓產(chǎn)生，控制角頻差就存在。隨著控制角頻差的加大，瞬時(shí)角頻差就減小，二者之和等于輸入固有角頻差。當(dāng)控制角頻差增大到等于固有角頻差，瞬時(shí)角頻差為零。即limpOe(t)=0。這時(shí)0e(t)是一固定的值，不隨時(shí)間變化。若能一直保持下去，則認(rèn)為進(jìn)入鎖定狀態(tài)。 6環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后的特點(diǎn)VCO輸出電壓的角頻率刃v(t)等于輸入信號頻率%0,即無剩余頻差，pOe3)=0。環(huán)路鎖定后，VCO輸出信號與輸入信號之間只存在一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，即剩余鑒相器的輸出電壓為直流。u=K鑒相器的輸出電壓為直流。u=Ksin0(8)控制角頻差KdKvKF(0)sin0(8)=△%則△④ △④0 =arcsinKdKvK(0) I(4)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)0（8）(4)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)0（8）=arcsin式中，Kp=KdKvKF(0)為環(huán)路的直流總增益，通常稱為環(huán)路增益，單位rad/s。(三P鎖相環(huán)路的跟蹤特性什么是跟蹤特性？環(huán)路鎖定后，若輸入信號的頻率或相位發(fā)生變化，環(huán)路通過閉環(huán)調(diào)節(jié)，來維持鎖定狀態(tài)的過程稱為跟蹤。跟蹤性能是表示環(huán)路跟隨輸入信號頻率或相位變化的能力。衡量鎖相環(huán)路跟蹤性能好壞的指標(biāo)是跟蹤相位誤差，即相位誤差函數(shù)0°(t)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)描述跟蹤速度的快慢及跟蹤過程中相位誤差波動(dòng)大小。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是當(dāng)t一8時(shí)的相位差，表征系統(tǒng)的跟蹤精度。瞬態(tài)相位誤差0(t)的求解步驟與結(jié)論求出輸入信號0；()的拉氏變換0］。；用環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)He(s)，通過0^(s)=He(s)0；(s)求環(huán)路相差的拉氏變換；將0(s)進(jìn)行拉氏反變換求得0(t)，則可求得瞬態(tài)誤差隨時(shí)間的變化規(guī)律；結(jié)論:鎖相環(huán)路瞬態(tài)過程的性質(zhì)由環(huán)路的阻尼系數(shù)°決定。對二階環(huán)，當(dāng)°<1時(shí)，瞬態(tài)過程是衰減振蕩，環(huán)路處于欠阻尼狀態(tài)；當(dāng)°>1時(shí)，瞬態(tài)過程按指數(shù)衰減，盡管也有過沖，但不會在穩(wěn)態(tài)值附近多次擺動(dòng)，環(huán)路處于過阻尼狀態(tài)；°=1時(shí)，環(huán)路處于臨界阻尼狀態(tài)，其瞬態(tài)過程沒有振蕩；環(huán)路在達(dá)到穩(wěn)定前，相位誤差在穩(wěn)定值上下擺動(dòng)，在變化過程中最大瞬態(tài)相位誤差稱為過沖?！阍叫?，過沖量越大，環(huán)路穩(wěn)定性差。兼顧小的穩(wěn)態(tài)相位誤差和小的過沖量，°一般選0.707比較合適。穩(wěn)態(tài)相位誤差0(3)的求解與結(jié)論從0(t)的表示式，令tT3，求出0(3)=lim0(t)。e e tT3e利用拉氏變換的終值定理，直接從0(s)=H(s)01(s)求出0(3)=lim0(t)=limsH(s)0(s)e tT3esT0e1結(jié)論：同環(huán)路對不同輸入的跟蹤能力不同，0(3)=3意味著環(huán)路不能跟蹤；同一輸入，采用不同環(huán)路濾波器的環(huán)路的跟蹤性能不同，’環(huán)路濾波器對改善環(huán)路性能作用很大；對于二階環(huán)，同一輸入的跟蹤能力與環(huán)路的“型”有關(guān)?！靶汀痹礁撸櫨仍礁?二階I型環(huán)跟蹤輸入相位階躍無穩(wěn)態(tài)相位差，跟蹤頻率階躍有固定的穩(wěn)態(tài)相差，不能跟蹤頻率斜升；II型環(huán)跟蹤相位階躍和頻率階躍均無穩(wěn)態(tài)相差，跟蹤頻率斜升有固定的穩(wěn)態(tài)相差；m型環(huán)跟蹤相位階躍、頻率階躍和頻率斜升均無穩(wěn)態(tài)相差。(四)鎖相環(huán)路的應(yīng)用鎖相環(huán)路的主要特點(diǎn)：具有良好的跟蹤特性；具有良好的窄帶濾波特性(3)鎖定狀態(tài)無剩余頻差；易于集成化鎖相環(huán)路的應(yīng)用舉例(1)鎖相倍頻電路

圖10-11鎖相倍頻電路方框圖特點(diǎn)：輸出信號頻率刃=阪.；頻率純度高。(2)鎖相分頻電路 ° 1圖10-12鎖相分頻電路方框圖特點(diǎn)：輸出信號頻率刃=阪.。(3)鎖相混頻電路特點(diǎn)：輸出信號頻率刃=阪.。(3)鎖相混頻電路°I圖10-14鎖相調(diào)頻電路方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為窄帶，保證載波頻率穩(wěn)定度高。調(diào)制信號頻譜處于濾波器帶寬之外，環(huán)路對調(diào)制信號的頻率變化不起作用。(5)鎖相調(diào)頻解調(diào)電路外，環(huán)路對調(diào)制信號的頻率變化不起作用。(5)鎖相調(diào)頻解調(diào)電路圖10-15鎖相調(diào)頻解調(diào)電路方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為寬帶，使VCO的輸出信號頻率能跟蹤輸入信號的變化。(6)鎖相調(diào)相解調(diào)電路特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為窄帶，VCO特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為窄帶，VCO只跟蹤調(diào)相信號的載頻。圖10-16鎖相調(diào)相解調(diào)電路方框圖圖10-17窄帶跟蹤接收機(jī)方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器是窄帶，VCO輸出頻率是接收機(jī)的本振頻率，比接收調(diào)頻波的載頻高一個(gè)中頻。本振頻率跟蹤輸入調(diào)頻信號的載頻變化，始終高一個(gè)中頻。由于窄帶，提高了接收機(jī)的信噪比，靈敏度高。但需增加頻率捕捉電路。三、頻率合成器(一)頻率合成器的分類及主要技術(shù)指標(biāo)什么是頻率合成？頻率合成是利用一個(gè)(或幾個(gè))高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率，通過一定的變換與處理后，形成.一系列等間隔的離散頻率。這些離散頻率的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都與基準(zhǔn)頻率相同，而且能在很短的時(shí)間內(nèi)，由某一頻率切換到另一頻率。分類可分為直接式頻率合成器、鎖相頻率合成器和直接數(shù)字頻率合成器。主要技術(shù)指標(biāo)工作頻率范圍、頻率間隔、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度、頻譜純度。(二)鎖相頻率合成器基本組成與特點(diǎn)由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路(含分頻器)兩部分組成。系統(tǒng)簡單，輸出頻率頻譜純度高，能得到大量離散頻率，且有多種大規(guī)模集成鎖相頻率合成器的成品可供選用。典型的鎖相頻率合成器基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器產(chǎn)生的/r送給鑒相器作為參考輸入頻率。VCO的輸出信號先通過程序分頻器進(jìn)行N次分頻后，再送給鑒相器與參考輸入信號進(jìn)行相位比較。環(huán)路鎖定后，VCO輸出頻率/=n/。分頻比N由輸入的數(shù)字信號控制。可以采用并行輸入、串行輸入和四位數(shù)據(jù)總線輸入的任一種的數(shù)字信號控制方式。用中規(guī)模鎖相環(huán)頻率合成器MC145106構(gòu)成的鎖相頻率合成器圖10-21MC145106組成頻率合成器10.24MHz的晶體與片內(nèi)的反相放大器組成電容三點(diǎn)式振蕩器，振蕩頻率為10.24MHz,送給參考分頻器。參考分頻器由《2電路和-29/210電路組成，由FS(6)端控制。若FS=“1”，分頻比為210，則f=10kHz。若FS=“0”，分頻比為211，則4=5kHz。本電路的FS=^^0,,，故f=5kHz。程序分頻器(-N計(jì)數(shù)器)輸入端2連接到VCO的輸出端。分頻比是由9位二進(jìn)制輸入來控制，其分頻比N=3?511。輸入懸空時(shí)，為邏輯“0”，接高電平時(shí)，為邏輯“1”。本電路f=Nf，即15kHz?2555kHz，頻率間隔為5kHz。(』)此電路的缺點(diǎn)是輸出信號頻率受程序分頻器上限工作頻率的限制，不能做得很高。帶高速前置分頻器的鎖相頻率合成器圖10-22具有高速前置分頻器的頻率合成器(1)采用上限頻率高的前置分頻器M，可以降低程序分頻器的工作頻率M倍，能解決程序分頻器上限頻率不高的矛盾。(2)此電路的VCO輸出信號頻率foMNfR。由于M是一固定值，則頻率間隔為MfR，比沒有前置分頻器的要大M倍。雙模前置分頻鎖相頻率合成器(1)為了解決高的VCO輸出頻率和低速程序分頻器的矛盾，并保證合適的頻率間隔，可采用雙模前置分頻的鎖相頻率合成器，又稱為吞脈沖鎖相頻率合成器。

圖10-23吞脈沖可變分頻器原理圖雙模前置分頻鎖相頻率合成的分頻器是由高速雙模前置分頻器(,p/p+1)、吞脈沖計(jì)數(shù)器A、程序計(jì)數(shù)器N和模式控制邏輯電路組成。雙模前置分頻器的分頻比受控制邏輯電路換模信號MC控制，MC為“0”，分頻比為p+1。MC為“1”，分頻比為p。,人計(jì)數(shù)器和+N計(jì)數(shù)器均為減法計(jì)數(shù)器?？偡诸l比N=A(P+1)+(N-A)P=PN+A。用于鎖相環(huán)路中，VCO輸出頻率為f=(PN+A)f。值得注意的是N計(jì)數(shù)器的預(yù)置2必須大于A計(jì)數(shù)器的預(yù)置A?！酡?；的穩(wěn)態(tài)相位誤第二節(jié)典型例題分析□①；的穩(wěn)態(tài)相位誤例10-1試分差9(3)的通式。'題意分析通過對不同環(huán)路及不同輸入的分析，觀察環(huán)路濾波器在改善環(huán)路性能的作用。解輸入信號頻率階躍為□①環(huán)路濾波器為無源比例積分濾波器由于相位是頻率的積分，輸入頻率階躍可以變換為輸入相位的變化，即9(t)=□①t其拉氏變換為1□④99)=二無源比例積分濾波器的誤差傳遞函數(shù)為'S+g、IKKH(s)= es2+2gros+ro2

s+kks2+2gros+ro2s2(s)=H(ss2+2gros+ro2s2根據(jù)終值定理，穩(wěn)態(tài)相位誤差為□ro□ro□ro□roV—(8)=lims9(s)=lims d-V—nn環(huán)路濾波器為理想積分濾波器輸入頻率階躍變換為輸入相位階躍，其拉氏變換為c□ro91(s)=理想積分濾波器的誤差傳遞函數(shù)為□ros2+2gros+ro2s2nn根據(jù)終值定理，穩(wěn)態(tài)相位誤差為根據(jù)終值定理，穩(wěn)態(tài)相位誤差為(t)(t)=lims9(s)=lims□rost0s2+2gros+ro2結(jié)論對于輸入信號為頻率階躍，環(huán)路采用無源比例積分濾波器的其穩(wěn)態(tài)相位誤差為。而環(huán)路采用理想積分濾波器的其穩(wěn)態(tài)相位誤差為0。KK例10-2圖10-25所示的鎖相環(huán)路中，可變分頻器的分頻比M=760?960，試求壓控振蕩器輸出頻率的范圍及相鄰兩頻率的間隔。

晶振霍相器環(huán)路VCOA100kHz410涯波十材5圖10-25鎖相環(huán)路題意分析此題為基本環(huán)路計(jì)算，需要理解各分頻器的作用。解鑒相器輸入?yún)⒖碱l率f=1QQKHz=10(KHz)環(huán)路鎖定后鑒相器兩輸入信號頻率相等，即fJ0=f=10(KHz)f0=10MfRf0=10MfR□f=100(KHz)例10-3圖10-26所示頻率合成器方框圖中，f]=2MHz,^=200,N=20,N3=200?300,300,N4=50,求輸出頻率范圍和頻率間隔。圖10-26頻率合成器方框圖題意分析雙環(huán)頻率合成器的基本分析，理解混頻器可取和頻或差頻。解環(huán)路1的VCO輸出頻率f=NR=2.5f=5(MHz)f環(huán)路2的VCO?輸出頻率f=N—=(200□300)x10(KHz)1混頻器后濾波器取差頻，則

f=f-f=3.00□2.00(MHz)□f=10(KHz)混頻器后濾波器取和頻，則f0=f0i+f02=7.00□f=10(KHz)□8.00(MHz)例10-4圖10-27所示為三環(huán)鎖相頻率合成器，其中f=100kHz,NA=300?399□8.00(MHz)NB=351?396，試求輸出頻率的表示式及頻率范圍、頻率間隔。帶通

濾波VCO帶通

濾波C混頻圖10-27題意分析由三個(gè)鎖相環(huán)路組成的頻率合成器，能提供較寬頻率范圍，頻率步進(jìn)小的信號。解鎖相環(huán)A的VCO輸出頻率f=Nf鎖相環(huán)B的VCO輸出頻率fAA=N；f：鎖相環(huán)C的鑒相器輸入?yún)⒖碱l率fB=f/100=Nf/100鎖相環(huán)路C的混頻器的取差頻即/-f「可得A'f=f+f=Nf/100+NfBo1B Ai BiNf/100=(300□399)x1KHz=300□399(KHz)iNf=(351□396)x100KHz=35100□39600(KHz)Bfl=35.400□39.999(MHz)□of=1(KHz)例10-5某一VHF陸地移動(dòng)電臺是采用鎖相頻率合成器MC145152，前置雙模分頻器MC12017,有源低通濾波器和壓控振蕩器組成。電路如圖10-29所示。若要求VCO輸出頻

率f=150175MHz。試計(jì)算（1）頻率步進(jìn)為多大？（2）N和A應(yīng)為多大范圍?表10-1參考地址碼總參考分頻比RA2RA1RA0110240116010111204811oscniOSC碩RA2_w-RA1—RAO-*"——表10-1參考地址碼總參考分頻比RA2RA1RA0110240116010111204811oscniOSC碩RA2_w-RA1—RAO-*"——0R-*LD12x8ROM參考譯碼器12位+1＜計(jì)數(shù)器10位+N計(jì)數(shù)器A5A3A2AONON2N4N5N7N96位+A計(jì)數(shù)器控制邏輯鎖定指示懸空圖10-28 MC145152原理方框圖信道編程*可選擇