第九章反饋與控制9.1自動(dòng)增益控制9.2自動(dòng)頻率控制9.3鎖相環(huán)9.4集成器件與應(yīng)用電路舉例本章小結(jié)思考題和習(xí)題

9.1自動(dòng)增益控制

自動(dòng)增益控制(AutomaticGainControl)簡記為AGC。接收機(jī)中,高頻小信號(hào)放大器和中頻放大器的輸出電壓振幅隨著天線上無線電信號(hào)場強(qiáng)的大小而變化。信號(hào)場強(qiáng)大時(shí),輸出電壓振幅大;場強(qiáng)小時(shí),輸出電壓振幅小。在不同的使用條件下,無線電信號(hào)場強(qiáng)的變化可以達(dá)到1000倍甚至更高。

信號(hào)場強(qiáng)較大時(shí),接收機(jī)應(yīng)該對(duì)其抑制,避免各級(jí)電壓振幅過大,導(dǎo)致各個(gè)單元電路中的有源器件和輸出變換器過載損壞。信號(hào)場強(qiáng)較小時(shí),接收機(jī)應(yīng)該對(duì)其有較大的增益,使各個(gè)單元電路得到有效的電壓驅(qū)動(dòng)。AGC可以達(dá)到以上目的,保證信號(hào)場強(qiáng)變化很大時(shí),接收機(jī)各級(jí)電壓的振幅僅在一個(gè)允許的小范圍內(nèi)變化。

9.1.1工作原理

放大器的輸出電壓振幅等于輸入電壓振幅與放大器增益的乘積。根據(jù)這一關(guān)系,當(dāng)要求輸入電壓振幅變化而輸出電壓振幅基本不變時(shí),放大器的增益需要根據(jù)輸入電壓振幅作相應(yīng)變化,即輸入電壓振幅較大時(shí)增益減小,輸入電壓振幅較小時(shí)增益增大。在電路中,通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)放大器的增益自動(dòng)跟隨輸入電壓的振幅變化,即反饋環(huán)路產(chǎn)生一個(gè)隨輸入電壓振幅改變的控制電壓,再用控制電壓調(diào)節(jié)接收機(jī)有關(guān)單元電路的增益。

具有AGC功能的超外差式調(diào)幅接收機(jī)的原理如圖9.1.1所示。與第一章介紹的無線電遠(yuǎn)程通信接收機(jī)不同的是,在高頻放大器、混頻器和中頻放大器這一通路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)反饋環(huán)路,由AGC檢波器和直流放大器構(gòu)成反饋支路。接收普通調(diào)幅信號(hào)時(shí),AGC檢波器對(duì)中頻放大器輸出的中頻已調(diào)波ui檢波,取出載波振幅,與預(yù)先設(shè)定的參考電壓UR

比較。當(dāng)天線上的無線電信號(hào)較強(qiáng),使得載波振幅大于UR時(shí),AGC檢波器輸出一反映載波振幅的微小電壓,經(jīng)直流放大器生成控制電壓,用以減小高頻放大器和中頻放大器的增益。天線上的無線電信號(hào)較弱,使得載波振幅小于UR

時(shí),AGC檢波器輸出為零,高頻放大器和中頻放大器以最大增益放大信號(hào)。圖9.1.1超外差式AGC調(diào)幅接收機(jī)

AGC檢波器與解調(diào)普通調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)檢波器不同,對(duì)包絡(luò)檢波輸出的上包絡(luò)線電壓,需要濾除其中的調(diào)制信號(hào),只取出反映載波振幅的直流電壓;否則,控制信號(hào)中有調(diào)制信號(hào),AGC電路會(huì)把普通調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)變化抑制掉,造成信息丟失。直流放大器的放大倍數(shù)越大,則高頻放大器和中頻放大器的增益控制越顯著,中頻已調(diào)波的振幅變化越小。

9.1.2傳輸特性

沒有AGC功能的接收機(jī)中,中頻已調(diào)波ui的振幅Uim

隨天線上無線電信號(hào)場強(qiáng)E的增大而增大,Uim

與E之間的傳輸特性如圖9.1.2中的曲線①所示。具有AGC功能的接收機(jī),其增益隨E的增大而減小,傳輸特性如曲線②所示。當(dāng)E位于EA和EB之間時(shí),AGC電路發(fā)揮功能,用于限制Uim

的變化,在這個(gè)范圍內(nèi),Uim

仍隨著E的增大而略有增大,以產(chǎn)生必要的控制電壓。下門限場強(qiáng)EA與參考電壓UR以及高頻放大器和中頻放大器的最大增益有關(guān),UR越大,EA也越大。當(dāng)EA為零時(shí),即使對(duì)很弱的無線電信號(hào),AGC電路也發(fā)揮功能,如曲線③所示。圖9.1.2AGC的傳輸特性

9.1.3電路實(shí)現(xiàn)

圖9.1.3所示為一個(gè)延遲式AGC的實(shí)現(xiàn)電路,包括包絡(luò)檢波器和低通濾波器。二極管VD和電阻R1、電容C1構(gòu)成二極管峰值包絡(luò)檢波器,輸出電壓經(jīng)過電阻R2

和電容C2構(gòu)成的低通濾波器,得到反映載波振幅的微小電壓,輸入直流放大器產(chǎn)生控制電壓。電阻R3

和R4

對(duì)直流電壓-UDD分壓,獲得參考電壓UR,調(diào)節(jié)R4

可以改變UR。當(dāng)天線上的無線電信號(hào)場強(qiáng)E很小時(shí),中頻已調(diào)波的振幅Uim

也很小,由于UR

的存在,VD一直不導(dǎo)通,包絡(luò)檢波的輸出電壓為零,沒有AGC功能。只有E大到一定程度,使Uim>UR

后,AGC電路才工作。同時(shí),正確選擇低通濾波器R2C2

的時(shí)常數(shù)τ是非常重要的。τ太大,接收機(jī)的增益不能得到及時(shí)調(diào)整;τ太小,則會(huì)使調(diào)幅波受到反調(diào)制。圖9.1.3延遲式AGC的實(shí)現(xiàn)電路

可見,延遲式AGC的延遲特性是由參考電壓UR決定的,當(dāng)AGC檢波器輸入信號(hào)ui的幅度小于UR時(shí),檢波器不工作,AGC不起作用,接收機(jī)系統(tǒng)輸出信號(hào)電壓uo與ui成比例;當(dāng)ui的幅度大于UR時(shí),AGC才起控制作用。其控制特性如圖9.1.4所示。圖9.1.4延遲式AGC控制特性

9.2自動(dòng)頻率控制

正弦波振蕩器的頻率因?yàn)榄h(huán)境因素的作用和電路選頻特性不理想會(huì)在工作過程中發(fā)生變化,偏離預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率,造成頻率不穩(wěn)定。除了采用克拉撥振蕩器、席勒振蕩器或石英晶體振蕩器提高頻率穩(wěn)定度外,接收機(jī)經(jīng)常采用反饋環(huán)路穩(wěn)定頻率,即自動(dòng)頻率控制(AutomaticFrequencyControl,AFC),使本地振蕩器的振蕩頻率自動(dòng)穩(wěn)定在預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率,這種方法也可以在調(diào)頻接收機(jī)中用作對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。

9.2.1工作原理

AFC的工作原理如圖9.2.1所示。圖中,本地振蕩器采用壓控振蕩器,根據(jù)控制電壓確定本振信號(hào)的頻率l

,當(dāng)高頻已調(diào)波的頻率fs或本振信號(hào)的頻率fl發(fā)生漂移時(shí),控制電壓隨之變化,改變壓控振蕩器的振蕩頻率,即l

,使下混頻輸出的中頻已調(diào)波的頻率fi

=l

-fs基本不變。fi和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差稱為剩余頻差。在本地振蕩器頻率控制和調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)的AFC實(shí)現(xiàn)中,控制電壓的產(chǎn)生方式不同。圖9.2.1AFC的工作原理

9.2.2電路實(shí)現(xiàn)——本地振蕩器頻率控制

超外差式接收機(jī)利用本振信號(hào)與高頻已調(diào)波進(jìn)行下混頻,將不同頻率的高頻已調(diào)波變換為固定頻率的中頻已調(diào)波,輸入中頻放大器。實(shí)際工作中,高頻已調(diào)波的頻率fs漂移,或本振信號(hào)的頻率fl

不穩(wěn)定,都會(huì)使混頻后的中頻頻率fi

偏離標(biāo)準(zhǔn)值,導(dǎo)致中頻放大器工作在失諧狀態(tài),引起增益下降和信號(hào)失真等現(xiàn)象。采用AFC可以實(shí)現(xiàn)中頻頻率基本不變,提高中頻放大器輸出的中頻已調(diào)波的質(zhì)量。

圖9.2.2所示為添加AFC功能的超外差式調(diào)幅接收機(jī)。圖9.2.2超外差式AFC調(diào)幅接收機(jī)

9.2.3電路實(shí)現(xiàn)———調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)

調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)如圖9.2.3所示。

圖9.2.3調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)

圖中,限幅鑒頻器和低通濾波器構(gòu)成控制電壓發(fā)生器,不但恢復(fù)調(diào)制信號(hào),送入輸出變換器,而且還把該調(diào)制信號(hào)作為控制電壓,以改變壓控振蕩器的振蕩頻率fl(t),于是壓控振蕩器也輸出一個(gè)振蕩頻率按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的調(diào)頻信號(hào)。因此,混頻器輸入了兩個(gè)載波頻率不同,但調(diào)制信號(hào)相同的調(diào)頻信號(hào)。設(shè)高頻調(diào)頻信號(hào)的頻率為fs(t)=fc+ΔfmcosΩt,壓控振蕩器輸出的調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率為fl(t)=fl0+ΔflmcosΩt,混頻器輸出的中頻調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率:

式中,fi0和Δfim分別為中頻已調(diào)波的載頻和最大頻偏。可見,中頻已調(diào)波仍然為不失真的調(diào)頻信號(hào),只是最大頻偏由Δfm減小到Δfim,通過中頻放大器和限幅鑒頻器后也可以解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。

因?yàn)橹蓄l調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏減小,所以帶寬也減小,可以用通頻帶較窄的中頻放大器放大。這樣,進(jìn)入中頻放大器,再輸入限幅鑒頻器的噪聲功率將隨之減小,從而提高了信噪比,改善了解調(diào)質(zhì)量。

9.3鎖相環(huán)

鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop,PLL)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相位控制的反饋環(huán)路,因?yàn)槠渚哂泄δ芏鄻?性能優(yōu)異,便于集成等優(yōu)點(diǎn),所以在現(xiàn)代射頻電路中獲得了廣泛應(yīng)用。鎖相環(huán)分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán),本章介紹模擬鎖相環(huán)。

9.3.1工作原理

鎖相環(huán)包括三個(gè)基本部分:鑒相器、環(huán)路低通濾波器和壓控振蕩器,如圖9.3.1所示。圖9.3.1鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)

9.3.2基本電路

為了分析鎖相環(huán)的性能,首先研究鑒相器、環(huán)路低通濾波器和壓控振蕩器的傳輸特性,建立它們的數(shù)學(xué)模型,然后在此基礎(chǔ)上建立鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型。

1.鑒相器

如第七章所講,鑒相器是相位比較電路,輸出電壓表示了兩個(gè)輸入電壓之間的相位差,在鎖相環(huán)中,這兩個(gè)輸入電壓分別是鎖相環(huán)的輸入電壓ui(t)和輸出電壓uo(t)。以壓控振蕩器的固有振蕩頻率ω0

作為參考,ui(t)和uo(t)可以分別寫為

鑒相器的輸出電壓:

根據(jù)上式,鑒相器的鑒相特性和數(shù)學(xué)模型分別如圖9.3.2(a)和(b)所示。圖9.3.2鑒相器

2.環(huán)路低通濾波器

環(huán)路低通濾波器對(duì)鑒相器的輸出電壓ud(t)濾波,輸出控制電壓uc(t)。鎖相環(huán)的環(huán)路低通濾波器通常是形式簡單的模擬電路。在一些特殊情況下,也采用微處理器的設(shè)計(jì)。圖9.3.3所示為三種常見的環(huán)路低通濾波器。

它們的濾波性能可以用復(fù)頻域上的傳遞函數(shù)描述,分別為:

圖9.3.3環(huán)路低通濾波器

環(huán)路低通濾波器的數(shù)學(xué)模型如圖9.3.4所示。圖9.3.4環(huán)路低通濾波器的數(shù)學(xué)模型

3.壓控振蕩器

壓控振蕩器的瞬時(shí)振蕩頻率ωo

和控制電壓uc(t)之間近似為線性關(guān)系,是一種調(diào)頻電路,ωo可以寫為

其中,ω0

是uc(t)=0時(shí)壓控振蕩器的固有振蕩頻率;kf是調(diào)頻比例常數(shù)。對(duì)上式積分,得:

其中,φ2(t)為鎖相環(huán)的輸出電壓uo(t)的相位:

利用積分算子1/s,上式可以改寫為

壓控振蕩器的壓控特性和數(shù)學(xué)模型分別如圖9.3.5(a)和(b)所示。圖9.3.5壓控振蕩器

9.3.3基本方程

將鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型連接起來,就得到了鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型,如圖9.3.6所示。圖9.3.6鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型

頻率基本方程表明,在任何時(shí)刻,鎖相環(huán)都滿足:

開始工作的瞬間,控制頻差為零,固有頻差等于瞬時(shí)頻差。隨著鎖相環(huán)控制作用的增強(qiáng),控制頻差逐漸增加,瞬時(shí)頻差逐漸減小。最后,控制頻差等于固有頻差,瞬時(shí)頻差為零,鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

9.3.4主要特性

鎖相環(huán)有兩個(gè)基本狀態(tài):鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。輸入電壓頻率和相位不變時(shí),鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下表現(xiàn)出靜態(tài)特性;輸入電壓頻率或相位變化時(shí),鎖相環(huán)通過跟蹤過程保持鎖定狀態(tài),通過捕捉過程從剛接入輸入電壓時(shí)的失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。跟蹤過程和捕捉過程中,鎖相環(huán)分別表現(xiàn)出跟蹤特性與捕捉特性。

1.靜態(tài)特性

輸入電壓頻率和相位不變時(shí),鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下的靜態(tài)特性可以從以下三個(gè)方面來說明。

(1)瞬時(shí)頻差為零。鎖定狀態(tài)下,鎖相環(huán)的輸入電壓ui(t)和輸出電壓uo(t)的頻率差Δωe(t)=ωi-ωo=0,即ui(t)和uo(t)的頻率相等。

(3)同步帶。鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下,維持瞬時(shí)頻差為零和相位差恒定的Δω1(t)的最大取值范圍稱為同步帶,記為ΔωH

。如果壓控振蕩器的振蕩頻率范圍和環(huán)路低通濾波器的通頻帶足夠?qū)?則同步帶僅由鑒相器決定,根據(jù)式(9.3.2),應(yīng)有|Δω1(t)|≤|AΣ0|,所以同步帶為

2.跟蹤特性

在鎖定狀態(tài)的基礎(chǔ)上,如果輸入電壓的頻率或相位發(fā)生變化,鎖相環(huán)通過自身調(diào)節(jié)維持鎖定狀態(tài)的過程稱為跟蹤過程。跟蹤特性表示鎖相環(huán)跟隨輸入電壓頻率或相位的能力。跟蹤過程中,鎖相環(huán)可以簡化為線性系統(tǒng),利用傳遞函數(shù)分析跟蹤特性。

1)鎖相環(huán)的線性數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)

跟蹤過程中,輸入電壓ui(t)和輸出電壓uo(t)的相位差φe(t)=φ1(t)-φ2(t)一般滿足|φe(t)|≤π/6。此時(shí),鑒相器的輸出電壓可以作如下近似

將以上近似結(jié)果代入鎖相環(huán)的頻率基本方程,用拉氏變換后的φ1(s)、φ2(s)和φe(s)代替φ1(t)、φ2(t)和φe(t),并設(shè)k=kfUdm

,則得到鎖相環(huán)的線性頻率基本方程:

即

該方程對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如圖9.3.7所示。圖9.3.7鎖相環(huán)的線性數(shù)學(xué)模型

此時(shí),鎖相環(huán)是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為初始條件為零時(shí),復(fù)頻域上系統(tǒng)輸出的響應(yīng)函數(shù)與系統(tǒng)輸入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)之比。用鎖相環(huán)的φ1(s)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù),φ2(s)和φe(s)分別作為響應(yīng)函數(shù),可以定義鎖相環(huán)的三種傳遞函數(shù)。

以上給出了鎖相環(huán)三種傳遞函數(shù)的一般形式。鎖相環(huán)傳遞函數(shù)的具體結(jié)果與環(huán)路低通濾波器的傳遞函數(shù)F(s)有關(guān)。表9.3.1給出了三種環(huán)路低通濾波器對(duì)應(yīng)的鎖相環(huán)傳遞函數(shù)。

鎖相環(huán)的跟蹤特性主要表現(xiàn)為兩種響應(yīng):一種是輸入信號(hào)頻率或相位發(fā)生階躍變化時(shí)系統(tǒng)的輸出響應(yīng),稱為系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng),適用于數(shù)字調(diào)制和解調(diào)中的頻移鍵控信號(hào)與相移鍵控信號(hào)的頻率及相位跟蹤;另一種是輸入信號(hào)頻率或相位發(fā)生正弦變化時(shí)系統(tǒng)的輸出響應(yīng),稱為系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng),適用于模擬調(diào)制和解調(diào)中調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的頻率及相位跟蹤。

2)跟蹤特性———瞬態(tài)響應(yīng)

對(duì)于輸入信號(hào)的頻率突變或相位突變的跟蹤過程,鎖相環(huán)經(jīng)歷從突變前的相位差調(diào)整到突變后新的穩(wěn)態(tài)相位差的變化過程。瞬態(tài)響應(yīng)研究相位差變化過程中的三個(gè)量,包括相位差的最大瞬時(shí)跳變值、新的穩(wěn)態(tài)相位差的取值以及穩(wěn)定的時(shí)間。新的穩(wěn)態(tài)相位差越小,趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短,表示鎖相環(huán)的跟蹤特性越好。

3)跟蹤特性———正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

用有源比例積分濾波器作為鎖相環(huán)的環(huán)路低通濾波器,將其閉環(huán)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)中的s換為jΩ,則得到頻域上的閉環(huán)頻率響應(yīng)和誤差頻率響應(yīng):

H(jΩ)和He(jΩ)的頻率特性分別如圖9.3.8(a)和(b)所示。圖9.3.8H(jΩ)和He(jΩ)的頻率特性

3.捕捉特性

剛接入輸入電壓時(shí),鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài),其后,鎖相環(huán)通過自身的調(diào)節(jié)作用,從失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài),這個(gè)過程稱為捕捉。與跟蹤不同,失鎖狀態(tài)下,壓控振蕩器的振蕩頻率不等于輸入電壓的頻率,也不再滿足相位差很小的條件,鎖相環(huán)是非線性系統(tǒng)。

捕捉過程主要研究三個(gè)問題:鎖相環(huán)如何從失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)?鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉的最大固有頻差,即捕捉帶為多大?鎖相環(huán)從失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)需要的捕捉時(shí)間為多大?捕捉帶越大,捕捉時(shí)間越短,說明鎖相環(huán)的捕捉特性越好。

剛接入輸入電壓ui(t)時(shí),鎖相環(huán)輸出電壓的頻率為壓控振蕩器的固有振蕩頻率ω0,固有頻差Δω1(t)=ωi-ω0,鑒相器的輸出電壓:

以下根據(jù)Δω1(t)的不同取值分析鎖相環(huán)的捕捉過程、捕捉帶和捕捉時(shí)間。

(1)當(dāng)|Δω1(t)|很大,遠(yuǎn)在環(huán)路低通濾波器的通頻帶之外時(shí),u=(t)不能通過環(huán)路低通濾波器,環(huán)路低通濾波器輸出的控制電壓uc(t)≈0,壓控振蕩器不受控制,振蕩頻率就是固有振蕩頻率,即ωo=ω0,此時(shí)不能實(shí)現(xiàn)捕捉。

(2)當(dāng)|Δω1(t)|很小,在環(huán)路低通濾波器的通頻帶之內(nèi)時(shí),ud(t)可以通過環(huán)路低通濾波器,控制電壓uc(t)=F[jΔω1(t)]Udmsin[Δω1(t)t],uc(t)控制壓控振蕩器,使ωo在ω0

附近按正弦規(guī)律變化:

由于|kfF[jΔω1(t)]|Udm

足夠大,因此ωo

的變化范圍包括ui(t)的頻率ωi。ωo

按正弦規(guī)律變化的一個(gè)周期內(nèi),一旦等于ωi,鎖相環(huán)即進(jìn)入鎖定狀態(tài),ωo不再變化,就實(shí)現(xiàn)了捕捉。這種在控制電壓正弦變化一個(gè)周期內(nèi)就實(shí)現(xiàn)捕捉的過程稱為快捕過程。ωo

的最大變化幅度|kfF[jΔω1(t)]|Udm是能夠?qū)崿F(xiàn)快捕的最大固有頻差,稱為快捕帶,記為Δωc。Δωc

滿足:

快捕的捕捉時(shí)間tc

近似為瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間,如圖9.3.9所示。圖9.3.9快捕的捕捉過程

(3)當(dāng)|Δω1(t)|介于上述(1)、(2)兩種情況之間時(shí),即|Δω1(t)|位于環(huán)路低通濾波器的通頻帶附近,且|Δω1(t)|>Δωc時(shí),環(huán)路低通濾波器對(duì)ud(t)有較大衰減,但沒有完全衰減到uc(t)=0,鎖相環(huán)也不能實(shí)現(xiàn)快速捕獲。不妨假設(shè)ωi>ω0,使得Δω1(t)>Δωc,此時(shí),uc(t)控制壓控振蕩器,使ωo在ω0附近變化,經(jīng)過反饋,瞬時(shí)頻差Δωe(t)=ωi-ωo

也將隨時(shí)間變化,uc(t)>0時(shí),ωo增大,Δωe(t)減小,作為Δωe(t)的時(shí)間積分,相位差φe(t)隨時(shí)間增加較慢,而uc(t)<0時(shí),ωo減小,Δωe(t)增大,φe(t)隨時(shí)間增加較快,如圖9.3.10(a)所示。

這樣,鑒相器的輸出電壓ud(t)=Udmsinφe(t)不再是正弦信號(hào),而變?yōu)檎胫艹掷m(xù)時(shí)間長、負(fù)半周持續(xù)時(shí)間短的不對(duì)稱波形,如圖9.3.10(b)所示。圖9.3.10頻率牽引時(shí)的φe(t)和ud(t)圖9.3.11有頻率牽引的捕捉過程

對(duì)有頻率牽引的捕捉過程而言,因?yàn)轭l率牽引的時(shí)間比快捕過程的時(shí)間長得多,所以捕捉時(shí)間主要是指頻率牽引的時(shí)間。起始時(shí)刻的固有頻差絕對(duì)值越大,鎖相環(huán)就需要越多的反饋完成頻率牽引,捕捉時(shí)間就越長。實(shí)現(xiàn)捕捉的最大固有頻差稱為捕捉帶。顯然,因?yàn)轭l率牽引的作用,捕捉帶大于快捕帶,環(huán)路低通濾波器的帶外衰減和通頻帶對(duì)捕捉帶的影響很大,帶外衰減越小,頻率牽引就越明顯,通頻帶越寬,快捕帶就越寬,這都拓寬了捕捉帶。有源比例積分濾波器和無源比例積分濾波器由于高頻傳遞函數(shù)沒有衰減到零,因此用它們作為環(huán)路低通濾波器時(shí),捕捉帶大于使用簡單RC濾波器的情況。

9.3.5典型應(yīng)用

在鎖定狀態(tài)下,鎖相環(huán)輸出電壓的頻率準(zhǔn)確地等于輸入電壓的頻率,所以利用鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)無誤差的頻率跟蹤,實(shí)現(xiàn)窄帶跟蹤接收,把淹沒在噪聲中的信號(hào)提取出來。用載波作為輸入電壓,鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)載頻穩(wěn)定的調(diào)頻;用調(diào)頻信號(hào)作為輸入電壓,鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。鎖相環(huán)也可以通過添加分頻器、倍頻器和混頻器實(shí)現(xiàn)頻率合成,得到一系列輸出頻率。

1.窄帶跟蹤接收

窄帶跟蹤接收主要應(yīng)用于空間通信技術(shù)。從人造衛(wèi)星和宇宙飛船上向地面發(fā)射信號(hào)時(shí),飛行器的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生明顯的多普勒頻移,另外,發(fā)射機(jī)振蕩器自身也有頻率穩(wěn)定度不佳帶來的頻率漂移,這會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)可能產(chǎn)生較大的頻率誤差。例如,信號(hào)頻率在110MHz時(shí),多普勒頻移可能在±3kHz左右,接收這樣的信號(hào)時(shí),如果用普通的調(diào)諧,則接收帶寬至少應(yīng)為6kHz,才能保證收到信號(hào)。但信號(hào)本身的帶寬很窄,只有6Hz左右。這樣,接收帶寬就是信號(hào)帶寬的1000倍。

因?yàn)樵肼暪β逝c接收帶寬成正比,所以比起接收帶寬等于信號(hào)帶寬的情況,調(diào)諧接收需要接收1000倍的噪聲功率,才能收到同樣的信號(hào)功率?？臻g通信中,因?yàn)槟芰坑邢?飛行器上使用低功率發(fā)射機(jī),地面接收的信號(hào)功率很微弱,為了提高信噪比,不允許采用調(diào)諧接收。如果使用鎖相環(huán)通過頻率跟蹤,實(shí)現(xiàn)窄帶跟蹤接收,就可以解決這一問題。窄帶跟蹤接收機(jī)能跟蹤信號(hào)頻率進(jìn)行接收,而且?guī)捄苷?這樣就大大提高了信噪比,比調(diào)諧接收的信噪比提高了30~40dB。

圖9.3.12是窄帶跟蹤接收的原理框圖,包含一個(gè)窄帶跟蹤鎖相環(huán),用來解調(diào)信噪比很低的單頻調(diào)制信號(hào)生成的調(diào)頻信號(hào)。圖9.3.12窄帶跟蹤接收

AFC也可以實(shí)現(xiàn)窄帶跟蹤接收,但是與鎖相環(huán)窄帶跟蹤接收不同。AFC通過鑒頻器,最終根據(jù)中頻調(diào)頻信號(hào)的剩余頻差產(chǎn)生壓控振蕩器的控制電壓,所以中頻調(diào)頻信號(hào)的頻率與標(biāo)準(zhǔn)值之間不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格相等;鎖相環(huán)通過鑒相器,最終根據(jù)中頻調(diào)頻信號(hào)和參考信號(hào)的穩(wěn)態(tài)相位差產(chǎn)生壓控振蕩器的控制電壓,中頻調(diào)頻信號(hào)的頻率與參考信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的瞬時(shí)頻差為零。所以,鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)更為理想的窄帶跟蹤接收。

2.調(diào)頻與鑒頻

圖9.3.13所示為鎖相環(huán)調(diào)頻的原理。鑒相器的輸出電壓與調(diào)制信號(hào)uΩ

相加,得到控制電壓,改變壓控振蕩器的振蕩頻率,使其按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化,得到調(diào)頻信號(hào)uFM。環(huán)路低通濾波器的帶寬很窄,調(diào)制信號(hào)不能得到反饋,鎖相環(huán)只對(duì)壓控振蕩器的振蕩頻率起作用,使uFM的載頻穩(wěn)定在晶體振蕩器的振蕩頻率上,從而克服了直接調(diào)頻的頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。圖9.3.13鎖相環(huán)調(diào)頻原

圖9.3.14所示為鎖相環(huán)鑒頻的原理。圖9.3.14鎖相環(huán)鑒頻原理

將鎖相環(huán)的誤差傳遞函數(shù)作為復(fù)合算子,根據(jù)其定義,有:

鎖相環(huán)鑒頻適用于對(duì)信噪比較低的微弱調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。但是,一旦進(jìn)入失鎖狀態(tài),鑒頻效果將明顯變差。所以,為了實(shí)現(xiàn)不失真的解調(diào),要求鎖相環(huán)的捕捉帶大于調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏,環(huán)路低通濾波器的帶寬也大于調(diào)制信號(hào)的帶寬。

3.頻率合成

頻率合成是指將標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考,經(jīng)過頻率的加、減、乘、除運(yùn)算得到一系列輸出頻率。用于頻率合成的鎖相環(huán)有倍頻鎖相環(huán)、分頻鎖相環(huán)和混頻鎖相環(huán)。

圖9.3.15所示為倍頻鎖相環(huán)頻率合成的原理。其中,鎖相環(huán)的反饋支路上添加了一個(gè)分頻器,分頻數(shù)為N,fr為參考頻率,fo為輸出頻率。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí),鑒相器的兩個(gè)輸入頻率應(yīng)該相等,即fr=fo/N,則

從而實(shí)現(xiàn)了輸出頻率是參考頻率的N倍,即N倍頻率合成。圖9.3.15倍頻鎖相環(huán)頻率合成

2)分頻鎖相環(huán)頻率合成

圖9.3.16所示為分頻鎖相環(huán)頻率合成的原理。其中,鎖相環(huán)的反饋支路上添加了一個(gè)倍頻器。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí),fr=Nfo,則

此時(shí),輸出頻率是參考頻率的1/N圖9.3.16分頻鎖相環(huán)頻率合成

3)混頻鎖相環(huán)頻率合成

圖9.3.17所示為混頻鎖相環(huán)頻率合成的原理。其中,鎖相環(huán)的反饋支路上添加了一個(gè)混頻器,本振信號(hào)的頻率為fl,混頻后的頻率為fo±fl。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí),fr=fo±fl,則

從而實(shí)現(xiàn)了輸出頻率是參考頻率與本振頻率的相減或相加的結(jié)果。圖9.3.17混頻鎖相環(huán)頻率合成

利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的頻率合成稱為間接頻率合成。這種頻率合成具有很好的窄帶跟蹤特性,可以精確地選擇頻率,抑制雜散頻率,從而避免了大量使用濾波器,有利于系統(tǒng)的集成化和小型化。

9.4集成器件與應(yīng)用電路舉例

模擬集成鎖相環(huán)的典型型號(hào)有高頻頻段的NE561、NE562和NE564,以及超高頻頻段的μPC1477C等。其中,NE562是目前廣泛使用的模擬集成鎖相環(huán),可用于調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、載波提取、數(shù)據(jù)同步、倍頻和移頻等。

NE562的最高工作頻率為30MHz,最大同步帶為±0.15f0(f0

是壓控振蕩器的固有振蕩頻率),工作電壓為16~30V,典型工作電流為12mA。NE562的內(nèi)部電路如圖9.4.1所示,主要包括鑒相單元、環(huán)路濾波單元、限幅單元和壓控振蕩單元。可以在壓控振蕩單元和鑒相單元之間插入分頻器或混頻器來實(shí)現(xiàn)頻率合成。

圖9.4.1中,引腳2、15輸入相位比較信號(hào);外圍電路產(chǎn)生偏置參考電壓,輸入引腳1,為內(nèi)部吉爾伯特乘法單元提供偏置電流;引腳13、14外接電容和電阻網(wǎng)絡(luò),與引腳之間的6kΩ輸入電阻構(gòu)成環(huán)路低通濾波器;引腳11、12經(jīng)過電容交流耦合輸入?yún)⒖夹盘?hào),如果對(duì)調(diào)頻信號(hào)解調(diào),則引腳11、12輸入調(diào)頻信號(hào);引腳9獲得音頻輸出,并通過引腳10外接的電容實(shí)現(xiàn)去加重;引腳5、6外接電容,確定壓控振蕩器的固有振蕩頻率;壓控振蕩器從引腳3、4輸出一對(duì)反相方波;引腳7的外接電壓可以調(diào)整鎖相環(huán)的同步帶;引腳16外接電壓源;引腳8接地。

圖9.4.1NE562的內(nèi)部電路

圖9.4.2為NE562倍頻鎖相環(huán)頻率合成電路。參考信號(hào)ur的頻率為200kHz,調(diào)節(jié)可調(diào)電容C1

確定壓控振蕩單元的固有振蕩頻率為2MHz,電容C2

與6kΩ輸入電阻構(gòu)成環(huán)路低通濾波器。壓控振蕩單元的兩路輸出中: