电子线路非线性部分第五版第六章.ppt
第六 章,反馈控制电路,6.1 反馈控制电路概述,xi和xo分别为反馈控制电路的输入量和输出量，反馈控制器对xo和xi进行比较，产生相应的误差量 xe，对象根据 xe对输出量xo 进行调节，通过不断比较和调节，最后使xo与 xi之间接近到预定的关系，反馈控制电路进入稳定状态。,反馈控制电路的组成方框图,6.1.1 丙类谐振功率放大器,一、自动电平控制电路,自动电平控制的组成方框图,反馈控制器由振幅检波器、直流放大器和比较放大器组成；对象是可控增益放大器。,曲线为增益控制特性，曲线为反馈控制特性，它们的交点A即为进入稳定状态的平衡点。,二、应用,1、自动增益控制电路(AGC),2、已调波功率放大器,6.1.2 自动频率控制电路,一、工作原理,自动频率控制电路的组成方框图,压控特性(a)和鉴频特性(b),控制对象是振荡频率受误差电压控制的压控振荡器。,用作图法显示环路锁定时的e,二、应用,1、自动频率微调电路,2、调频负反馈解调器,3、线性扫频电路,6.1.3 自动相位控制电路(锁相环路),控制对象为压控振荡器，而反馈控制器则由检测相位差的鉴相器和低通滤波器组成。,锁相环路的组成方框图,用旋转矢量说明锁相环路的控制过程,6.2 锁相环路性能分析,6.2.1 基本环路方程,一、鉴相器,鉴相器的两个输入信号：,鉴相器输出电压：,瞬时相位差：,二、压控振荡器(VCO),压控振荡器的作用是产生频率随控制电压变化的振荡电压。压控振荡器的振荡频率和控制电压之间的关系可表示为,上式可改写为,或,可见，VCO是一个理想的积分器，往往将它称为锁相环路中的固有积分环节。,p=d/dt，为微分算子,三、环路低通滤波器,简单RC滤波器：,无源比例积分滤波器：,有源比例积分滤波器：,环路低通滤波器,环路低通滤波器：,有源比例积分,环路滤波器的电路模型：复频率s用微分算子p 替换，则,vc(t)=AF(p)vd(t),简单RC,无源比例积分,四、基本环路方程,将三个基本组成部分的电路模型连接起来，就可得到PLL的相位模型。在这个模型中，鉴相器为环路中唯一的非线性环节，环路基本方程为,或,锁相环路模型：,当环路锁定时：,稳态相位误差：,式中,瞬时角频差：,VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值,控制角频差：,输入固有角频差：,环路基本方程表明，环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之和恒等于输入固有角频差。,6.2.2 捕捉过程的定性讨论,环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程，能够进入锁定所允许的最大 称为捕捉带(Pull in Range，Capture Range)。,环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏离锁定，通过自身调节重新维持锁定的过程称为跟踪过程，能够维持锁定所允许输入信号频率偏离r的大值称为同步带。同步带恒大于捕捉带,先讨论捕捉过程，再讨论跟踪过程。,捕捉过程：,刚接入输入信号的瞬间，鉴相器输出端产生角频率为 的正弦电压。,维持失锁,趋向锁定,若 介于上述两者之间，则有以下两种情况：,第一种情况：虽然 较大，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时就会受到较大衰减，但其值还能使VCO振荡频率摆到 上，环路很快由失锁进入锁定；,第二种情况：更大，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时受到更大衰减，其值不能使VCO振荡频率摆到 上，环路需要经历时间较长的频率牵引过程才能进入锁定。,捕捉过程的示意图,捕捉过程中vd(t)的波形,6.2.3 跟踪特性,在环路的跟踪过程中，值一般是很小的，则有,环路的闭环传递函数为,环路的开环传递函数,环路的误差传递函数,一、瞬态响应及稳态相位误差,若采用简单RC滤波器，则相应的误差传递函数为,环路原先锁定，现若某种原因使输入信号频率或相位变化。瞬态响应就是用来描述环路恢复到锁定状态的整个跟踪过程，在这个过程中，相位误差 将由起始值向稳态值 趋近。,式中,若t=0时，输入信号频率发生 的变化，即,拉氏变换为,环路的相位误差为,稳态相位误差为,相位误差信号的瞬态响应：,二、正弦稳态响应,在PLL中，正弦稳态响应是指输入相位 为正弦信号时环路的输出响应。,采用简单RC滤波器时，环路的闭环传递函数为,相应的幅频特性为,闭环幅频特性曲线：,6.3 电荷泵锁相环,6.3.1 工作原理,电荷泵锁相环由鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器构成。,电荷泵锁相环组成方框图：,带有电荷泵和低通滤波器的鉴频鉴相器：,不同条件下的鉴频鉴相波形图：,(a)AB,(b)AB,A和B频率不等时的波形图,(a)AB,A和B频率相等时的波形图,(b)A=B,6.3.2 环路方程,环路进入稳态后，在t=0时刻，若B信号的相位阶跃了0，即 e(t)=0(t)。滤波器上积累的电荷量 Q随时间变化的斜率近似为，则,则电荷泵的输出电流为,则icp相对于e的传递函数为,vo相对于e的传递函数可以表示为,环路的开环传递函数：,环路的闭环传递函数：,环路的线性化模型：,6.3.3 电荷泵电路,基本的电荷泵电路,改进的电荷泵电路(含低通滤波器),6.4 集成锁相环及其应用,6.4.1 集成锁相环,按其内部电路结构可分为模拟锁相环和数字锁相环两大类，按其用途又可分为通用型和专用型两种。,模拟集成锁相环L562的原理框图,L562的内部电路,6.4.2 锁相环在解调和锁相接收中的应用,1、调频波锁相解调：,若VCO的频率控制特性是线性的，输出解调电压vc(t)的拉氏变换为,当输入调频波为单音调制，则,输出解调电压的复数振幅为,一、锁相解调电路,为了实现不失真解调，捕捉带大于输入调频波的最大频偏，环路带宽大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。,采用L562组成调频波锁相解调器的外接电路,2、振幅调制信号的同步检波,采用锁相环的同步检波电路：,二、锁相接收机,锁相接收机组成方框图：,6.4.3 锁相环在频率合成器中的应用,一、概述,频率合成(Frequency Synthesizer)是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。这样，就可克服晶体振荡器只能产生单一频率信号的缺点。,评价频率合成器的主要技术指标有：工作频率范围：由最高和最低输出频率确定；频率间隔，又称分辨率：用每个离散频率之间的最小间隔表示；频率转换时间：从一个离散频率转换到另一个离散频率（达到稳定工作）所需的时间；频率准确度和稳定度；频谱纯度：是指输出信号接近正弦波的程度，用输出端的有用信号电平与各种干扰（包括噪声）总电平之比的分贝数表示。,二、锁相倍频和锁相混频电路,1、锁相倍频电路,锁相倍频电路的组成方框图,2、锁相混频电路,锁相混频电路的组成方框图,三、锁相频率合成器,设置前置分频器的频率合成器：,fo=PNfi,采用前置混频器的频率合成器：,fo=fL+Nfi,将前置分频器用双模分频器取代，可构成吞脉冲频率合成器：,fo=Ntfi=(PN+A)fi,采用Q3236构成的吞脉冲频率合成器：,若工作在双模分频模式下，fo可以在905135范围内分频，若无双模分频，fo可以在2512范围内分频，从而实现宽范围的频率输出。,三环频率合成器：,为了进一步减小频率间隔而又不降低fi，可采用多环构成的频率合成器。,fo=fA+fB=fa/100+fB=(NA+100NB)fi/100,
