高频离子线路课件

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1、高频离子线路高频离子线路1高频电子线路高频电子线路第六章第六章 反馈控制电路反馈控制电路 2高频离子线路高频离子线路主要内容主要内容n反馈控制电路概述反馈控制电路概述n锁相环路性能分析锁相环路性能分析n集成锁相环及其应用集成锁相环及其应用 3高频离子线路高频离子线路6.1 反馈控制电路概述反馈控制电路概述 Feedback Control CircuitXo与与Xi之间只能无限接近，而不能恢复到预定之间只能无限接近，而不能恢复到预定的关系，它是一种有误差的控制电路。的关系，它是一种有误差的控制电路。 4高频离子线路高频离子线路分类：分类：nALCAutomatic Level Control

2、nVoltage, CurrentnAGCAutomatic Gain ControlnVoltage, CurrentnAFCAutomatic Frequency ControlnFrequencynAPCAutomatic Phase Control ( Phase Lock Loop )n Phase 5高频离子线路高频离子线路6.1.1 自动电平控制电路自动电平控制电路n工作原理工作原理romKvV 为为比比较较器器的的门门限限电电压压rrrevvvAv),( 6高频离子线路高频离子线路应用应用1：自动增益控制（：自动增益控制（AGC）nAGC检波器输出反映输入载波电压振幅的直流电压

3、检波器输出反映输入载波电压振幅的直流电压n包络检波器输出反映包络变化的解调电压包络检波器输出反映包络变化的解调电压 7高频离子线路高频离子线路控制规律：控制规律：的的变变化化量量增增大大。，使使增增大大直直流流放放大大器器的的增增益益要要增增大大的的变变化化量量：电电压压放放大大倍倍数数时时，在在相相同同的的增增大大措措施施：的的控控制制倍倍数数，可可采采取取的的大大的的变变化化倍倍数数一一定定时时，增增当当则则取取eomomromomomomrimeromvVVvVVVVvVvvV. 2)1(. 1A0,minmaxminmaxminmin minmaxminmaxminmaxmaxminm

4、axminmaxmin,omomimimimomimomVVVVAAVAVVAV 8高频离子线路高频离子线路应用应用2；已调波功率放大器；已调波功率放大器 9高频离子线路高频离子线路6.1.2 自动频率控制电路自动频率控制电路一、工作原理：一、工作原理： 10高频离子线路高频离子线路压控特性和鉴频特性压控特性和鉴频特性0000 deeeev时，鉴频器的输出电压时，鉴频器的输出电压当当率，率，为鉴频特性的中心角频为鉴频特性的中心角频 环环路路不不工工作作电电压压鉴鉴频频器器的的输输出出时时或或当当00000 cdeieivv 锁定后的误差频率称为锁定后的误差频率称为剩余角频率误差，简称剩余角频率

5、误差，简称为剩余角频差。为剩余角频差。 e 11高频离子线路高频离子线路修正后的原理电路及特性：修正后的原理电路及特性：限幅鉴频器和放大限幅鉴频器和放大器：频率比较器器：频率比较器将误差频率将误差频率e转转换为误差电压换为误差电压vcVCO和混频器：和混频器：可控频率电路可控频率电路实现实现vc与与e之之间的转换间的转换 12高频离子线路高频离子线路失锁与捕捉失锁与捕捉03;epp 频差频差的最大允许的起始的最大允许的起始能够从失锁进入锁定能够从失锁进入锁定：是环路：是环路捕捉带捕捉带最最大大允允许许的的起起始始频频差差是是环环路路能能够够维维持持锁锁定定的的：同同步步带带（捕捕捉捉带带）02

6、e 13高频离子线路高频离子线路二、应用二、应用1.自动频率微调电路自动频率微调电路 14高频离子线路高频离子线路2.调频负反馈解调器调频负反馈解调器优点：解调门限值（优点：解调门限值（Noise Threshold)低。输低。输入端的信噪比高于解调门限值时，调频波解调入端的信噪比高于解调门限值时，调频波解调电路解调后的输出信噪比会提高；反之，信噪电路解调后的输出信噪比会提高；反之，信噪比下降。比下降。为了保证有较高的输出信噪比，输入信噪比必为了保证有较高的输出信噪比，输入信噪比必须高于解调门限值。须高于解调门限值。 15高频离子线路高频离子线路3.线性扫频电路线性扫频电路扫频信号振荡器是扫频

7、信号振荡器是一种产生扫频信号一种产生扫频信号（调制信号微锯齿（调制信号微锯齿波的调频信号波的调频信号)的电的电路，路，用途：广泛用于测用途：广泛用于测量仪器和搜索接收量仪器和搜索接收机中，机中， 16高频离子线路高频离子线路6.1.3 自动相自动相位控制电路位控制电路（锁相环路）（锁相环路）控制原理：利用输入信控制原理：利用输入信号电压的角频率和号电压的角频率和VCO震荡角频率之间的瞬时震荡角频率之间的瞬时相位误差实现的。相位误差实现的。 17高频离子线路高频离子线路锁相环路的控制过程锁相环路的控制过程)0i 失失锁锁（)0i 锁锁定定（ 18高频离子线路高频离子线路6.2 锁相环路性能分析锁

8、相环路性能分析6.2.1 基本环路方程基本环路方程一、鉴相器：一、鉴相器：作用：检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并作用：检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并产生响应的输出电压产生响应的输出电压vd(t)0000 deeeev时，鉴频器的输出电压时，鉴频器的输出电压当当率，率，为鉴频特性的中心角频为鉴频特性的中心角频 ，为为起起始始相相角角，一一般般取取2)(cos)()(cos)()()()()( ttVtvttVtvdttdtdttdtoromoirimioroiri 19高频离子线路高频离子线路n实现电路：采用相乘器的乘积型鉴相器，实现电路：采用相乘器的乘积型鉴相器，采用包络检波器的

9、叠加型鉴相器。采用包络检波器的叠加型鉴相器。)()()()()()()(sin)(ttttvtvtAtAtvoieoiededd 之之间间的的瞬瞬时时相相位位差差和和为为压压为为鉴鉴相相器器的的最最大大输输出出电电输输出出电电压压均均可可表表示示为为： 电路模型：电路模型： 20高频离子线路高频离子线路二、压控振荡器（二、压控振荡器（VCO)n作用：产生频率随控制电压变化的震荡电压作用：产生频率随控制电压变化的震荡电压.ptvAtdtdpdttvAttvAdttdtvVCOAtvAcootcoocoorococoro)()(/)()()()()(0)(0表表示示：用用微微分分算算子子或或则则有

10、有：敏敏度度处处的的斜斜率率，称称为为压压控控灵灵频频率率控控制制曲曲线线在在为为内内：在在有有限限的的控控制制电电压压范范围围 21高频离子线路高频离子线路三、环路低通滤波器三、环路低通滤波器n作用：虑除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量作用：虑除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以达到环路要求的性能，保证环及其它干扰分量，以达到环路要求的性能，保证环路的稳定性路的稳定性n常用的低通滤波器有：简单常用的低通滤波器有：简单RC滤波器、无源比例积滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器分滤波器、有源比例积分滤波器 22高频离子线路高频离子线路LF基本电路与传递函数基本电路与

11、传递函数 ssAF 11：RC积分滤波器RC积分滤波器 21211 sssAF：源源比比例例积积分分滤滤波波器器无 )(112理想 sssAF ：有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器 23高频离子线路高频离子线路环路滤波器电路模型环路滤波器电路模型 )()()(tvpAtvdFc 的的线线性性网网络络表表示示。在在时时域域可可以以用用传传输输算算子子传传输输算算子子，可可得得到到低低通通滤滤波波器器的的代代替替若若用用时时域域的的微微分分算算子子的的线线性性网网络络表表示示；传传递递函函数数等等于于域域）可可以以用用在在复复频频域域（即即低低通通滤滤波波器器的的数数学学模模型型)();(s)(

12、SpApApsAFFF 24高频离子线路高频离子线路四、基本环路方程四、基本环路方程)()(sin)()()(sin1)()()()()(tptpAAAtptppAAAttttieFodeeFodioie 或或Adsin ti to te tvdAF(p) tvC t2Ao(1/p) 25高频离子线路高频离子线路环路方程：环路方程：n环路方程表示环路中动态角频率的平衡关系，即闭环路方程表示环路中动态角频率的平衡关系，即闭环环路在任何时刻都满足环环路在任何时刻都满足n瞬时频差瞬时频差=输入固有频差输入固有频差-控制频差控制频差n在闭环后的任何时刻，输入固有频差总是等于瞬时在闭环后的任何时刻，输入

13、固有频差总是等于瞬时频差与控制频差的代数和频差与控制频差的代数和n输入固有频差输入固有频差=瞬时频差瞬时频差+控制频差控制频差n如果输入固有频差是固定的（例如参考信号源为稳定度很如果输入固有频差是固定的（例如参考信号源为稳定度很高的晶振），随着环路的控制过程，控制频差越来越大，高的晶振），随着环路的控制过程，控制频差越来越大，瞬时频差越来越小，直至瞬时频差为瞬时频差越来越小，直至瞬时频差为0，进入锁定状态，进入锁定状态n在锁定状态，瞬时频差为在锁定状态，瞬时频差为0（瞬时相差是常数），所以控制（瞬时相差是常数），所以控制频差等于输入固有频差频差等于输入固有频差)()(sin)()()(sin1

14、)()()()()(tptpAAAtptppAAAttttieFodeeFodioie 或或 26高频离子线路高频离子线路对环路方程各项的理解对环路方程各项的理解为瞬时角频差为瞬时角频差,)()()(oieeetdttdtp n第一项是瞬时相位误差对时间的微分，由于是第一项是瞬时相位误差对时间的微分，由于是输入信号与输入信号与压控振荡器输出信号压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的号与压控振荡器输出信号的瞬时角频差瞬时角频差n第二项是第二项是压控振荡器在压控振荡器在VCOVCO控制电压的作用下，所产生的控制电压的作用下，所产生

15、的角频率变化量，所以一般称为角频率变化量，所以一般称为控制频差控制频差n第三项是第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它取决于环路开始工作时的状态，称为它取决于环路开始工作时的状态，称为输入固有频差输入固有频差称称为为，输输入入固固有有角角频频率率的的数数值值离离表表示示输输入入信信号号角角频频率率偏偏ririiitdttdtp )()()( )(sin)()(rooreFodcttpAAAtv （的的数数值值产产生生震震荡荡角角频频率率偏偏离离作作用用下下，控控制制角角频频差差：在在 27高频离子线路高频离子线路PLLPLL锁定时的静

16、态特性锁定时的静态特性n瞬时频差为零瞬时频差为零: : e e= = i i- - o o=0=0n振荡器输出频率等于输入参考信号频率振荡器输出频率等于输入参考信号频率n误差相位是一个常数误差相位是一个常数n称之为稳态相位误差：称之为稳态相位误差： e e n正是这个常数误差相位产生的直流控制电压正是这个常数误差相位产生的直流控制电压v vp p控制控制VCOVCO的振荡频率的振荡频率 o o，使之和输入参考信号频率，使之和输入参考信号频率 i i相等相等 Adsin ti to te tvdAF(p) tvc t0 Ao/p riieFodAAA sin)0(,arcsin0 Aie 2,2

17、 e为为环环路路直直流流总总增增益益)0(0FodAAAA 28高频离子线路高频离子线路n环路是锁定的，假定存在某种原因使得输入信环路是锁定的，假定存在某种原因使得输入信号的频率有极为缓慢的漂移，但环路通过跟踪号的频率有极为缓慢的漂移，但环路通过跟踪过程将保持锁定，即过程将保持锁定，即VCOVCO的输出频率跟踪输入的输出频率跟踪输入频率的缓慢变化，使得两个频率保持相同频率的缓慢变化，使得两个频率保持相同n如果输入信号频率的变化使得输入固有频差超如果输入信号频率的变化使得输入固有频差超过某一极限时，环路将失锁，这个极限范围被过某一极限时，环路将失锁，这个极限范围被称为是同步带称为是同步带)0(s

18、in)0(FodeFodriiAAAAAA 环环路路直直流流增增益益)0(FodLAAA n 同步带表示环路保持锁定所允许的输入信号频率变化的最大范围同步带表示环路保持锁定所允许的输入信号频率变化的最大范围LriLr n 如果环路直流增益很大，同步带将受到如果环路直流增益很大，同步带将受到VCO的振荡频率范围限制的振荡频率范围限制同步带或跟踪带同步带或跟踪带（Tracking Range,Hold In Range) 29高频离子线路高频离子线路一、同步带和捕捉带一、同步带和捕捉带n同步带同步带n环路在锁定状态下，压控振荡器能够跟踪输入信号频环路在锁定状态下，压控振荡器能够跟踪输入信号频率缓慢

19、变化的最大范围率缓慢变化的最大范围n频率超出这个范围，环路失锁频率超出这个范围，环路失锁n同步带是同步带是PLLPLL保持锁定所能达到的最大频差保持锁定所能达到的最大频差n捕捉带捕捉带n环路起始处于失锁状态，如果起始频差在某一个范围环路起始处于失锁状态，如果起始频差在某一个范围内，则必可以最终进入锁定状态，如果超出这个范围，内，则必可以最终进入锁定状态，如果超出这个范围，则环路不可能进入锁定状态，这个范围被称为是捕捉则环路不可能进入锁定状态，这个范围被称为是捕捉带带n捕捉带是捕捉带是PLLPLL能够进入锁定的最大起始频差能够进入锁定的最大起始频差n从失锁到锁定这个捕获过程中，如果相差的变化不超

20、过从失锁到锁定这个捕获过程中，如果相差的变化不超过2 2 ，那么称为快捕，使得相差变化不超过，那么称为快捕，使得相差变化不超过2 2 的最大起始的最大起始频差，称为快捕带频差，称为快捕带)0(FodLAAA ：同步带同步带0o Lo 0Po 0CP ：快捕带快捕带：捕捉带捕捉带 Co 0LPC 30高频离子线路高频离子线路6.2.2 捕捉过程的定性讨论捕捉过程的定性讨论n锁定的建立过程：锁定的建立过程：n当环路未加输入信号时，当环路未加输入信号时，VCO上没有控制电压，其震荡上没有控制电压，其震荡频率为频率为r:n锁相环路有两个基本工作状态：捕获和锁定锁相环路有两个基本工作状态：捕获和锁定n由

21、于锁定时，相位误差较小，锁相环可以用线性系统模型来分析；由于锁定时，相位误差较小，锁相环可以用线性系统模型来分析；但捕获过程需要非线性分析但捕获过程需要非线性分析tAtvtttidditierii sin)(,)(0鉴鉴相相器器输输出出电电压压为为：相相位位差差加加到到鉴鉴相相器器上上两两个个瞬瞬时时接接入入输输入入信信号号的的瞬瞬间间，为为：输输入入信信号号的的固固有有频频率率差差输输入入信信号号加加到到环环路路上上： 31高频离子线路高频离子线路环环路路锁锁定定对对应应的的直直流流电电压压，维维持持鉴鉴相相器器输输出出与与时时，环环路路锁锁定定。并并符符合合正正确确的的相相位位关关系系摆摆

22、动动到到弦弦规规律律摆摆动动，上上下下近近似似按按正正，使使其其在在震震荡荡角角频频率率上上，控控制制并并且且加加到到基基波波分分量量能能通通过过，通通频频带带内内，差差拍拍电电压压的的很很小小：在在环环路路滤滤波波器器的的 eoroiVCOVCO i的的影影响响：的的大大小小对对环环路路工工作作状状态态i 环环路路失失锁锁角角频频率率为为上上没没有有控控制制电电压压，震震荡荡不不能能通通过过，器器的的通通频频带带，差差拍拍电电压压很很大大：远远大大于于环环路路滤滤波波riVCO 32高频离子线路高频离子线路起始频差很小：快捕带之内起始频差很小：快捕带之内n鉴相器输出差拍信号频率很低，经过环路

23、滤波器后，鉴相器输出差拍信号频率很低，经过环路滤波器后，控制电压控制电压v vp p(t)(t)仍然是差拍正弦波信号，其幅度衰减不仍然是差拍正弦波信号，其幅度衰减不算很大，由于算很大，由于VCOVCO的频率按照控制电压的频率按照控制电压v vp p(t)(t)的规律变的规律变化，只要控制电压化，只要控制电压v vp p(t)(t)的幅度足够大，的幅度足够大，VCOVCO输出频率输出频率摆动也大，在正弦波摆动的一周之内，使得输出频率摆动也大，在正弦波摆动的一周之内，使得输出频率等于输入频率，环路即可锁定等于输入频率，环路即可锁定)(:iCFdOCCAAA 能能够够锁锁定定的的最最大大快快捕捕带带

24、程程锁锁定定的的过过程程称称为为快快捕捕过过环环路路即即由由失失锁锁很很快快进进入入 33高频离子线路高频离子线路快捕带近似计算公式快捕带近似计算公式nRCRC积分滤波器积分滤波器 ccFdAKK 0 ssHF 11 cccFA 1112ccPK PcK n无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 21211 sssHF 212 cFA212 PcKn理想积分滤波器理想积分滤波器 121 sssHF 12 cFA12 PcK 34高频离子线路高频离子线路起始频差较大：捕捉带之内起始频差较大：捕捉带之内n如果起始频差在快捕带之外，环路滤波器对鉴相器输出的差拍正如果起始频差在快捕带之外，环路滤波器对鉴

25、相器输出的差拍正弦信号的衰减较大，使得弦信号的衰减较大，使得VCO产生的控制频差的幅度小于初始频产生的控制频差的幅度小于初始频差，因此不能在一周内快捕差，因此不能在一周内快捕n对于一阶环而言，如果初始频差大于快捕带，虽然鉴相器输出有对于一阶环而言，如果初始频差大于快捕带，虽然鉴相器输出有直流分量，但频率牵引不足以让环路锁定直流分量，但频率牵引不足以让环路锁定n对于二阶环而言，低通滤波器相当于积分器，它将鉴相器输出中对于二阶环而言，低通滤波器相当于积分器，它将鉴相器输出中的直流分量积分，使得环路滤波器输出的控制电压幅度越来越大，的直流分量积分，使得环路滤波器输出的控制电压幅度越来越大，平均频差越

26、来越小，平均频差越来越小，VCO输出频率越来越接近于输入频率，一旦输出频率越来越接近于输入频率，一旦频差减小到小于快捕带，则在一个周期内通过快捕过程，环路达频差减小到小于快捕带，则在一个周期内通过快捕过程，环路达到锁定到锁定n理想积分环路滤波器二阶环的捕捉带为无穷大，频率牵引时间可能很大理想积分环路滤波器二阶环的捕捉带为无穷大，频率牵引时间可能很大n非理想积分滤波器的捕捉带是有限的，频率牵引时间有限非理想积分滤波器的捕捉带是有限的，频率牵引时间有限n由于频率牵引时间较大，以频率牵引时间作为二阶环的捕捉时间由于频率牵引时间较大，以频率牵引时间作为二阶环的捕捉时间 35高频离子线路高频离子线路捕捉

27、过程捕捉过程n捕捉过程分为两个阶段：一是频率牵引，二是相位锁定捕捉过程分为两个阶段：一是频率牵引，二是相位锁定nV Vd d(t)(t)是个差拍信号：随着频率牵引过程，差拍频率越来越小，最终进入相位是个差拍信号：随着频率牵引过程，差拍频率越来越小，最终进入相位锁定过程锁定过程t频率牵引相位锁定0sinPidedKAA 36高频离子线路高频离子线路起始频差超出捕捉带：失锁状态起始频差超出捕捉带：失锁状态n由于存在闭环反馈，使得鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正由于存在闭环反馈，使得鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正负值部分不对称，因此存在着直流分量，使得压控振荡器的平均负值部分不对称，因此存在着

28、直流分量，使得压控振荡器的平均振荡频率向输入信号频率方向靠近，这种现象就是所谓的振荡频率向输入信号频率方向靠近，这种现象就是所谓的频率频率牵引牵引现象现象00.20.40.60.811.21.41.61.82-270-180-9009018027036045054063072081090099010801170126013501440153000.20.40.60.811.21.41.61.82-2-1.5-1-0.500.511.52没有平衡点 10 15PiKPiKePieKsin00.20.40.60.811.21.41.61.82-270-180-9009018027036045054

29、0630720810900990108011701260135014401530 tet00.20.40.60.811.21.41.61.82-2-1.5-1-0.500.511.52 tvdt tvAtCOro 37高频离子线路高频离子线路频率牵引频率牵引n如果起始频差小于如果起始频差小于K KP P，必然被锁定，从而没有频差，必然被锁定，从而没有频差n如果起始频差大于如果起始频差大于K KP P，虽然失锁，但由于频率牵引，使得，虽然失锁，但由于频率牵引，使得VCOVCO输输出频率（平均值）和输入信号的频率接近了，频差减小出频率（平均值）和输入信号的频率接近了，频差减小 1 2PiPiddp

30、KKKVV理论分析直流分量为-20-15-10-505101520-20-15-10-505101520i2202200 PiiPiioPooKKVKiPioiK22000.20.40.60.811.21.41.61.82-2-1.5-1-0.500.511.52PKPK 38高频离子线路高频离子线路加速捕捉的措施加速捕捉的措施n扩大环路带宽扩大环路带宽n环路带宽可变，宽带捕捉，窄带锁定环路带宽可变，宽带捕捉，窄带锁定n减小频差减小频差n外加扫描电压，当频差较小时，扫描停止，环路快捕外加扫描电压，当频差较小时，扫描停止，环路快捕n外加粗调电压，使外加粗调电压，使VCOVCO的频率事先向输入频率

31、方向变化的频率事先向输入频率方向变化n数字控制环中，可将频率电压关系制表存于数字控制环中，可将频率电压关系制表存于ROMROM中，用于预调中，用于预调VCOVCO振荡频率振荡频率n采用鉴频鉴相器替代鉴相器采用鉴频鉴相器替代鉴相器n当当VCOVCO的频率和输入频率相差较大时，鉴频功能在反馈的频率和输入频率相差较大时，鉴频功能在反馈环中起主要作用，相当于环中起主要作用，相当于AFCAFC环，环，AFCAFC的频率误差电压迅的频率误差电压迅速驱动速驱动VCOVCO的频率接近输入信号频率，当频差减小到足的频率接近输入信号频率，当频差减小到足够小时，鉴相功能起作用，迅速实现相位锁定够小时，鉴相功能起作用

32、，迅速实现相位锁定n采用鉴频鉴相器，环路捕捉时间可近似为快捕时间采用鉴频鉴相器，环路捕捉时间可近似为快捕时间n实际制作锁相环时，一般都采用一些措施加速捕捉实际制作锁相环时，一般都采用一些措施加速捕捉 39高频离子线路高频离子线路6.2.3 跟踪特性跟踪特性n处于锁定状态的环路，如果输入信号频率和相位发生变化，处于锁定状态的环路，如果输入信号频率和相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程称为跟踪环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程称为跟踪n稳态相位误差是环路锁定后的静态特性，而跟踪特性是指环路达到重稳态相位误差是环路锁定后的静态特性，而跟踪特性是指环路达到重新锁定所经历的动态过程新

33、锁定所经历的动态过程n这个跟踪过程中，假设相位误差很小，因而这个跟踪过程中，假设相位误差很小，因而PLL环路方程可以环路方程可以线性化，因此跟踪特性也是线性化，因此跟踪特性也是PLL的线性动态特性的线性动态特性n对于线性系统，描述其输入输出关系的是系统的传递函数对于线性系统，描述其输入输出关系的是系统的传递函数已经锁定的环路，当输入信号的频率或相位发生变化时，环路已经锁定的环路，当输入信号的频率或相位发生变化时，环路将使压控振荡器的频率和相位跟踪输入信号变化将使压控振荡器的频率和相位跟踪输入信号变化在输入信号发生变化后的一段时间里，环路有一瞬变过程在输入信号发生变化后的一段时间里，环路有一瞬变

34、过程瞬变过程结束后，环路即进入稳定状态瞬变过程结束后，环路即进入稳定状态。这时，压控振荡器与这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差 e 40高频离子线路高频离子线路一、一、 PLL的线性模型与传递函数的线性模型与传递函数鉴相器鉴相器 （PD）环路滤波器环路滤波器 （LF ）压控振荡器压控振荡器 (VCO)(tvi)(tvd)(tvP方框原理图方框原理图)(ti )(tvosindA)( pAFOAp1)(to )()()(tttoie )(tvC)(tvdPDLFVCO相位数学模型相位数学模型0)()(sin)()(

35、dttdtpAAAdttdieFode （1）线性化相位数学模型）线性化相位数学模型 41高频离子线路高频离子线路 PA)(SAFS1)(So VCO)(Si 线性化相位数学模型线性化相位数学模型(复频域）复频域）)(Se sindA)( pAFOAp1)(to )()()(tttoie )(tvC)(tvdPDLFVCO相位数学模型相位数学模型（1）线性化相位数学模型（续）线性化相位数学模型（续）)()(tAtvedd 正弦鉴相特性可写成线性表示式正弦鉴相特性可写成线性表示式：当满足当满足 的条件下，的条件下，)30(6)( te 42高频离子线路高频离子线路（1）线性化相位数学模型（续）线

36、性化相位数学模型（续） 则非线性微分方程变成线性微分方程：则非线性微分方程变成线性微分方程：)()()()(SSSSAASSieFPe 复频域方程复频域方程:)()(tAtvedd 正弦鉴相特性可写成线性表示式正弦鉴相特性可写成线性表示式：当满足当满足 的条件下，的条件下，)30(6)( te0)()()()( dttdtpAAAdttdieFode )()()(SSSoie 因因为为： 43高频离子线路高频离子线路（2） 定义定义PLL的三个传递函数的三个传递函数 误差传递函数：误差传递函数：)()()()(sAAsssssHFpiee 该式表示输入信号与压控振荡器输出信号之间的该式表示输入

37、信号与压控振荡器输出信号之间的误差相位误差相位 与与输入信号相位输入信号相位 的关系，称为的关系，称为环路的误差传递函数环路的误差传递函数。)(Se )(Si 闭环传递函数：闭环传递函数：)()()()()(sAAssAAsssHFpFpio 该式表示压控振荡器该式表示压控振荡器输出信号相位输出信号相位 与输入信号相与输入信号相位位 的关系，称其为的关系，称其为环路的闭环传递函数环路的闭环传递函数。)(So )(Si 开环传递函数：开环传递函数：ssAAsssHFpeoo)()()()( 44高频离子线路高频离子线路二、二、PLL的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。

38、 这里提出三个问题：这里提出三个问题： 输入信号输入信号 的频率或相位发生某种变化：的频率或相位发生某种变化：)(tvi 输入相位阶跃输入相位阶跃000)( ttti ssi )( 输入频率阶跃输入频率阶跃000)( ttti 000)( tttti 2)(ssi 环路跟踪是一个瞬变过程，如何求解？环路跟踪是一个瞬变过程，如何求解？由由 求求 利用反拉氏变换求利用反拉氏变换求)(sHe)(Se )(te )()()(ttteio 45高频离子线路高频离子线路由由 求求 利用拉氏终值定理求利用拉氏终值定理求 。 环路跟踪过程结束后，即进入稳定状态。这时，压控振荡器环路跟踪过程结束后，即进入稳定状

39、态。这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差。如与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差。如何求解稳态相差何求解稳态相差 ？ e )(sHe)(Se )(lim)(lim0sstesete 二、二、PLL的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。（续）的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。（续） e 46高频离子线路高频离子线路简单简单RC滤波器滤波器2121222,12122)()()( odnodnnnieeAAAAsssssssHodiinieseAAsssH 2)()(lim0稳稳态态相相位位误误差差为为：)1cos21sin1212)()()()(0)()(022

40、22120ttessHtssttdttttntniniieeiiitiiiin 环环路路的的相相位位误误差差为为：拉拉氏氏变变换换为为：为为：相相应应的的变变化化，时时，输输入入信信号号频频率率发发生生 47高频离子线路高频离子线路相位误差信号相位误差信号的瞬态响应：的瞬态响应：时时间间拉拉长长，且且出出现现震震荡荡状状态态所所需需减减小小，环环路路恢恢复复导导锁锁定定响响应应的的，可可以以减减小小提提高高环环路路直直流流总总增增益益 eodAA, 48高频离子线路高频离子线路1 .频率特性的含义频率特性的含义 当输入信号的相位按正弦规律变化时，当输入信号的相位按正弦规律变化时，PLL的输出信

41、号相的输出信号相位，即压控振荡器振荡信号的相位，也将按正弦规律变化。位，即压控振荡器振荡信号的相位，也将按正弦规律变化。 相位变化的幅度和初始相位将随频率的不同而不同，称这相位变化的幅度和初始相位将随频率的不同而不同，称这种性质为环路的频率特性或频率响应。种性质为环路的频率特性或频率响应。2 .频率特性的求法频率特性的求法 利用闭环传递函数利用闭环传递函数)()()(sssHio PLL的频率特性可以用的频率特性可以用 ( ) 代替闭环传递函数代替闭环传递函数中的中的 s 求得。求得。jj 求相位传递的幅频特性和相频特性求相位传递的幅频特性和相频特性三、正弦稳态响应（三、正弦稳态响应（PLL的

42、频率特性）的频率特性） 49高频离子线路高频离子线路三、正弦稳态响应（三、正弦稳态响应（PLL的频率特性）的频率特性）指输入相位指输入相位 为正弦信号时环路的输出响应。为正弦信号时环路的输出响应。)(ti ）（）（令令：）（）（为为：的的函函数数，用用复复函函数数表表示示均均为为、和和、 jjjHejejimomjomomjimimoomiimoi )()(,)()()()sin(sin)()sin()(:)sin(cos)()sin()(1oomromooomoiimrimiimittVtvttttVtvtt 环环路路稳稳态态输输出出响响应应为为 50高频离子线路高频离子线路采用采用RC滤波

43、器时：滤波器时：2222)/2(/11)(nnH ）（幅幅频频特特性性为为：222/2)()()(nnniosssssH 2222)/2(/11)(nnH ）（幅幅频频特特性性为为：2222/2)()()(707. 0nnnioodnHsssssHAA ：相应的上限截止频率为相应的上限截止频率为时，特性最平坦，时，特性最平坦， 51高频离子线路高频离子线路 52高频离子线路高频离子线路6.3 集成锁相环及其应用集成锁相环及其应用n6.3.1 集成锁相环集成锁相环n分类分类n频率范围频率范围nNE565NE565集成锁相环集成锁相环n数字锁相环数字锁相环 53高频离子线路高频离子线路集成锁相环分

44、类集成锁相环分类/ /频率范围频率范围n模拟环（模拟环（APLLAPLL）n通用型通用型nVCOVCO，PDPD，（，（+ +放大器）放大器）n专用型专用型n具有解调功能具有解调功能n数字环（数字环（DPLLDPLL）n通用型通用型nVCOVCO，PDPD，（，（+ +分频器）分频器）n专用型专用型n用于频率合成器用于频率合成器n模拟环n双极型：0-50MHzn数字环n双极型：0-250MHznCMOS：0-25MHz 54高频离子线路高频离子线路SL565SL565集成锁相环集成锁相环n工作频率可达工作频率可达500KHz500KHznVCOVCO采用积分施密特触发型多谐振荡器采用积分施密特

45、触发型多谐振荡器nR,CR,C为定时电阻和定时电容为定时电阻和定时电容 55高频离子线路高频离子线路L562n工作频率可达工作频率可达30MHznVCO采用射极耦合多谐振荡器采用射极耦合多谐振荡器nA2解调放大器解调放大器 56高频离子线路高频离子线路NE564n工作频率达到工作频率达到50MHzn更适于作调频信号和移频键控信号解调器的通用器件更适于作调频信号和移频键控信号解调器的通用器件 57高频离子线路高频离子线路L562内部电路图：内部电路图： 58高频离子线路高频离子线路6.3.2 锁相环在解调和锁相接收中的应用锁相环在解调和锁相接收中的应用n锁相环路具有许多独特的优点锁相环路具有许多

46、独特的优点n可实现无误差的频率跟踪可实现无误差的频率跟踪n频率综合器频率综合器n通过对环路滤波器带宽的控制，实现跟踪通过对环路滤波器带宽的控制，实现跟踪输入信号载波变化或角度调制变化输入信号载波变化或角度调制变化n载波跟踪环载波跟踪环-锁相接收机锁相接收机n调制跟踪环调制跟踪环-高质量频率解调器高质量频率解调器n易于集成化易于集成化 59高频离子线路高频离子线路锁相环可以用来构成性能优良的角度调锁相环可以用来构成性能优良的角度调制波和振幅调制波的解调电路制波和振幅调制波的解调电路1、调频波锁相解调电路、调频波锁相解调电路 PLL FM Demodulation一、锁相解调电路一、锁相解调电路

47、60高频离子线路高频离子线路数学分析：数学分析：momocmmimimmimiiocoocoooAjHjAjHjVjjttttttssHssVAsstvAdttdtVCO )()()()()2cos(sin)(cos)()()()()()()(:：输输出出解解调调电电压压的的振振幅幅为为的的复复数数振振幅幅为为：时时，输输入入调调频频波波为为单单音音调调制制，因因为为拉拉氏氏变变换换为为：的的频频率率控控制制特特性性为为线线性性n环路捕捉带大于输入调频波的最大频偏，环路的带宽环路捕捉带大于输入调频波的最大频偏，环路的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。必须大于输入调频波中调制信号的频谱

48、宽度。 61高频离子线路高频离子线路例图：例图： 62高频离子线路高频离子线路2.振幅调制信号的同步检波振幅调制信号的同步检波 63高频离子线路高频离子线路二、锁相接收机二、锁相接收机 64高频离子线路高频离子线路6.3.3 锁相环在频率合成中的应用锁相环在频率合成中的应用一、概述一、概述n为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号频振荡信号n短波通信：要求通信机能在短波通信：

49、要求通信机能在2 230MHz30MHz频段内，提供以频段内，提供以100Hz100Hz为间隔的为间隔的2828万个频率点万个频率点n移动通信：要求在移动通信：要求在150150、400400、900900、1800MHz1800MHz频率附近提频率附近提供上百个频率点供上百个频率点n这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换满足系统的性能要求，并能迅速变换n显然，晶体振荡器无法满足上述要求显然，晶体振荡器无法满足上述要求n频率合成技术是能够实现上述要求的一种新的电路技术频率合成技术是能够实现上述要求的一种新的电路技术

50、65高频离子线路高频离子线路频率合成技术频率合成技术n通过一定的处理过程，将一个或数个基准频通过一定的处理过程，将一个或数个基准频率变换为一系列等间隔的离散频率率变换为一系列等间隔的离散频率n这些离散频率的频率稳定度和精度与基准频率相这些离散频率的频率稳定度和精度与基准频率相同，而且能在很短时间内，可由其中的某一频率同，而且能在很短时间内，可由其中的某一频率点变换到另一频率点点变换到另一频率点n频率合成技术：一方面通过很少的频率信号源产生尽可频率合成技术：一方面通过很少的频率信号源产生尽可能多的频率，另一方面使产生的每个频率都具有相同的能多的频率，另一方面使产生的每个频率都具有相同的精确度和稳

51、定度精确度和稳定度n频率合成方法大体上可分为三类频率合成方法大体上可分为三类n直接频率合成法直接频率合成法n锁相频率合成法锁相频率合成法n直接数字频率合成法直接数字频率合成法 66高频离子线路高频离子线路直接频率合成法直接频率合成法 Direct Synthesisn利用对频率具有利用对频率具有加减加减功能的功能的混频器混频器，乘除乘除功功能的能的倍频器倍频器和和分频器分频器，以及具有，以及具有选频选频功能的功能的滤波器滤波器，通过不同的组合，来实现对晶体振，通过不同的组合，来实现对晶体振荡基准频率的合成荡基准频率的合成n优点：频率转换时间短优点：频率转换时间短n缺点：离散频率数目不能太多缺点

52、：离散频率数目不能太多n如果太多，则过多的滤波器使得电路十分庞大和复杂如果太多，则过多的滤波器使得电路十分庞大和复杂n由于采用大量的倍频器、分频器、和混频器，使由于采用大量的倍频器、分频器、和混频器，使得输出信号中的寄生频率分量和相位噪声显著增得输出信号中的寄生频率分量和相位噪声显著增加加n直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环间直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环间接实现频率合成接实现频率合成 67高频离子线路高频离子线路锁相频率合成技术锁相频率合成技术n用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，控振荡器的

53、频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出由压控振荡器间接产生所需要的频率输出n输出频率不是由参考源经过变换直接得到，而是由输出频率不是由参考源经过变换直接得到，而是由PLL的压控振荡器间接得到的压控振荡器间接得到n锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量得到明显的改善信号质量得到明显的改善n主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化高；易于得到大量的离散频率；易于集成化n主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率主要缺点：频率转

54、换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小间隔不能做得很小n锁相频率合成又称间接频率合成锁相频率合成又称间接频率合成 Indirect Synthesis 68高频离子线路高频离子线路直接数字频率合成直接数字频率合成Direct Digital SynthesisnDDSDDS是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术论与方法引入信号合成领域的一项新技术n在存储器中存入合成波形的在存储器中存入合成波形的M M个均匀间隔的样品，个均匀间隔的样品，以均匀速率把这些样品输出到以均匀速率把这些样品输出到DACDAC，变换成模

55、拟阶，变换成模拟阶梯信号，经低通滤波器平滑，便得到所需波形梯信号，经低通滤波器平滑，便得到所需波形n主要优点：相位连续；分辨力高（可达主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz0.001Hz）；工作）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），成本低、控制灵活等（几乎是即时的频率转换），成本低、控制灵活等n主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平可能很高高时钟频率；总输出噪声电平可能很高 69高频离子线路高频离子线路8.2

56、8.2 频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标n1. 1. 工作频率范围工作频率范围n频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围围，称为频率合成器的工作频率范围n2. 2. 频率间隔频率间隔n每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔，又称分辨力率间隔，又称分辨力n3. 3. 频率转换时间频率转换时间n由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间达到稳定工作所需的时间 70高频离子线路高频离子线路频率稳

57、定度、准确度和频谱纯度频率稳定度、准确度和频谱纯度n4. 4. 频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度n频率稳定度是指在规定的观测时间内，合成器输出频率偏频率稳定度是指在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度离标称值的程度n频率准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差频率准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差n事实上，稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率事实上，稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义稳定度高，频率准确度才有意义n5. 5. 频谱纯度频谱纯度n频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端频谱纯度是指输出信号接近正弦波的

58、程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示n有用信号频率成分有用信号频率成分n各寄生信号频率成分各寄生信号频率成分n有用信号的各次谐波成分有用信号的各次谐波成分n各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）n随机干扰（相位噪声）随机干扰（相位噪声） 71高频离子线路高频离子线路二、锁相倍频和锁相混频电路二、锁相倍频和锁相混频电路n锁相频率合成器中，锁相倍频和锁相混频电路是两种最基本的形式锁相频率合成器中，锁相倍频和锁相混频电路是两种最基本的形式n1.锁相倍频电路锁相倍频电路 72高频离子线路

59、高频离子线路锁相混频电路锁相混频电路n锁定后，要求鉴相器两个输入端频率相等，因此有锁定后，要求鉴相器两个输入端频率相等，因此有f fo o=f=fL L f fi in混频器输出和频与差频，如果和频混频器输出和频与差频，如果和频2f2fL L f fi i与差频与差频f fi i距离较远，混距离较远，混频器输出滤波器也就越容易实现，因此要求频器输出滤波器也就越容易实现，因此要求f fL Lffi i 73高频离子线路高频离子线路三、锁相频率合成器三、锁相频率合成器n存在的问题：存在的问题：n减小输出频率间隔和减小频率转换时间是减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的矛盾的nN在大范围内变化时

60、，环路增益将大幅度在大范围内变化时，环路增益将大幅度变化，环路动态特性急剧变化变化，环路动态特性急剧变化n可变分频器是脉冲反馈系统，最高工作频可变分频器是脉冲反馈系统，最高工作频率低率低 74高频离子线路高频离子线路改进方案：改进方案：n采用前置分频的频率合成器采用前置分频的频率合成器n采用前置混频的频率合成器采用前置混频的频率合成器 75高频离子线路高频离子线路采用前置混频的频率合成器采用前置混频的频率合成器 76高频离子线路高频离子线路吞脉冲频率合成器吞脉冲频率合成器iofAPNf)( 77高频离子线路高频离子线路MC145 系列集成频率合成器系列集成频率合成器 78高频离子线路高频离子线路多环频率合成器多环频率合成器100)100(100iBABaBaofNNfffff iBBiAafNffNf