《高頻電子線路》課件2第9章

9.1自動(dòng)增益控制電路(AGC)9.2自動(dòng)頻控制電路

9.3鎖相環(huán)(PLL)

9.4頻率合成器9.5習(xí)題

內(nèi)容提要：

·自動(dòng)增益控制

·自動(dòng)頻率控制

·鎖相環(huán)

·頻率合成器

反饋控制是現(xiàn)代控制系統(tǒng)工程中的一種重要技術(shù)手段，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下，通過反饋控制可使系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到所要求的精度，或按照一定的規(guī)律變化。根據(jù)控制對象的不同，反饋控制電路分為以下三類：

(1)自動(dòng)增益控制(簡稱AGC)。它主要用于接收機(jī)中，根據(jù)接收機(jī)輸入信號電壓的大小，自動(dòng)調(diào)整接收機(jī)中放大器的增益，使接收機(jī)的輸出信號電平比較平穩(wěn)，接收效果穩(wěn)定。(2)自動(dòng)頻率控制(簡稱AFC)。它主要用于控制電子設(shè)備中工作頻率的穩(wěn)定度，保持其工作頻率穩(wěn)定在預(yù)期的工作頻率上。

(3)自動(dòng)相位控制(簡稱APC)，又稱為相位鎖定環(huán)路，簡稱鎖相環(huán)(PLL)。它是通過控制相位達(dá)到準(zhǔn)確控制頻率目的的，在通信設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。

反饋控制電路通常由四部分組成，如圖9-1所示。其中比較器的作用是將基準(zhǔn)信號ur(t)和反饋信號uf(t)的某個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較，輸出與比較結(jié)果呈正比的電壓ue(t),即誤差信號?？刂菩盘柊l(fā)生器的作用是在誤差信號的控制下產(chǎn)生一個(gè)控制信號uc(t),由uc(t)對可控制器件的某一特性進(jìn)行控制。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是在輸出信號uo(t)中提取所需的反饋控制信號uf(t)，并將其送入比較器與基準(zhǔn)信號ur(t)進(jìn)行比較。圖9-1反饋控制電路的組成

根據(jù)比較器比較的信號參數(shù)不同，比較器可以是電壓比較器、頻率比較器(鑒頻器)或相位比較器(鑒相器)三種。可控器件的可控制特性一般是增益、頻率或相位。由圖9-1可見，整個(gè)反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過反饋環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、輸出控制環(huán)節(jié)的作用，對被控器件的特性不斷地進(jìn)行修正，使被控參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。9.1自動(dòng)增益控制電路

在通信、導(dǎo)航、遙測遙控等無線電系統(tǒng)中，由于受發(fā)射功率大小、通信距離遠(yuǎn)近、電波傳播衰落等各種因素的影響，到達(dá)接收端的信號強(qiáng)弱變化范圍很大，信號強(qiáng)度的起伏達(dá)幾十分貝。在這種情況下，如果接收機(jī)增益不變，則信號太強(qiáng)時(shí)會造成接收機(jī)的飽和或阻塞，而信號太弱時(shí)又可能因無法接收而丟失信號。因此，只有在接收機(jī)中采用自動(dòng)增益控制電路，使接收機(jī)的增益隨輸入信號強(qiáng)弱自動(dòng)變化，即接收機(jī)輸入端信號弱時(shí)，接收機(jī)的增益自動(dòng)增大，而接收機(jī)輸入端信號過強(qiáng)時(shí)，接收機(jī)的增益自動(dòng)減小，以保證穩(wěn)定的接收果。9.1.1自動(dòng)增益控制電路的工作原理自動(dòng)增益控制電路的功能是在系統(tǒng)的輸入信號電壓不穩(wěn)定的條件下，通過控制系統(tǒng)的電壓增益，保證系統(tǒng)輸出電壓基本穩(wěn)定?？刂品椒ㄊ侨粝到y(tǒng)的輸入電壓增大，則自動(dòng)減小系統(tǒng)電壓增益；若系統(tǒng)輸入信號減小，則自動(dòng)增大系統(tǒng)電壓增益。其控制原理如圖9-2所示。圖9-2自動(dòng)增益控制原理框圖

自動(dòng)增益控制電路控制的是輸出電壓，因此比較器用電壓比較器。電平檢測、低通濾波、直流放大等電路共同組成反饋網(wǎng)絡(luò)，其中電平檢測器檢測輸出信號的變化，通過低通濾波器濾除無用信號，取出能反映輸出電壓變化的電壓分量，經(jīng)直流放大器放大(可提高自動(dòng)增益控制的靈敏度)后送入電壓比較器。自動(dòng)增益控制的原理是：

輸入信號ui增大(減小)→輸出電壓uo增大(減小)→電平檢測器檢測到的電壓增大(減小)→低通濾波器的輸出電壓增大(減小)→直流放大器的輸出電壓增大(減小)→電壓比較器的輸出電壓ue增大(減小)→控制信號發(fā)生器產(chǎn)生的控制電壓uc控制可控放大器的增益使其減小(增大)→輸出電壓uo減小(增大)。通過閉環(huán)電路的不斷循環(huán)控制，可使輸出電壓uo基本保持不變。9.1.2自動(dòng)增益控制電路的應(yīng)用

1.簡單自動(dòng)增益控制電路

調(diào)幅接收機(jī)中的自動(dòng)增益控制電路如圖9-3所示。設(shè)接收機(jī)的輸入信號為

u1=Ucm(1+macosΩt)cosωct(9-1)則檢波器輸出電壓為

u5=A1A2A3Ucm(1+macosΩt)(9-2)濾波器的輸出電壓為

u6=A1A2A3KUcm(9-3)

由式(9-1)、式(9-2)和式(9-3)可推導(dǎo)出：輸入信號的幅度Ucm增大(減小)→檢波輸出電壓u5增大(減小)→控制電壓u6增大(減小)→A3減小(增大)→檢波輸出電壓u5減小(增大)。圖9-3調(diào)幅接收機(jī)中的自動(dòng)增益控制電路

在實(shí)際的接收機(jī)電路中，是用濾波器的輸出電壓u6控制中頻放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)來達(dá)到改變中頻放大器增益的目的的。由以上分析可見，簡單的自動(dòng)增益控制電路只要輸入信號變化，立刻就起控制作用，這不利于微弱信號的接收，會使接收機(jī)的靈敏度降低，因此多用于要求不高的場合。2.延遲自動(dòng)增益控制電路簡單自動(dòng)增益控制電路可能會導(dǎo)致接收機(jī)無法接收微弱信號。我們希望，當(dāng)接收機(jī)的輸入信號比較弱時(shí)，接收機(jī)的增益為最大值，只有當(dāng)接收機(jī)的輸入信號增大到一定值時(shí)，自動(dòng)增益控制電路開始起控，這樣，既避免了接收機(jī)的輸入信號過大引起阻塞，又解決了微弱信號的接收問題，這就是延遲自動(dòng)增益控制電路。調(diào)幅接收機(jī)的延遲自動(dòng)增益控制電路如圖9-4所示。圖9-4延遲自動(dòng)增益控制電路

簡單自動(dòng)增益控制電路中，AGC控制電壓是將接收機(jī)檢波器的輸出電壓直接濾波后得到的，即只要接收機(jī)工作，就有AGC控制電壓產(chǎn)生，AGC電路就起控制作用；圖9-4所示延遲自動(dòng)增益控制電路的AGC電壓是通過專設(shè)的AGC檢波器獲取的，AGC檢波器有一個(gè)參考電壓Ur，只有接收機(jī)的輸入電壓大到使中頻放大器的輸出電壓大于參考電壓時(shí)，AGC檢波器才開始工作，產(chǎn)生AGC控制電壓，即輸入信號比較微弱時(shí)，中頻放大器的輸出電壓比較小，無法使AGC檢波器工作，因此無AGC控制電壓產(chǎn)生，不對放大器進(jìn)行增益控制，放大器的增益為最大值；

當(dāng)接收機(jī)的輸入信號增大到一定值后，中頻放大器的輸出電壓大于AGC檢波器的參考電壓，AGC檢波器開始工作，輸出AGC控制電壓，對放大器的增益進(jìn)行控制。延遲AGC控制電路的增益特性如圖9-5所示。當(dāng)輸入電壓大于Uir后，自動(dòng)增益控制電路開始控制增益。圖9-5延遲AGC控制電路的增益特性思考與練習(xí)

1.自動(dòng)增益控制電路的作用是什么？

2.與簡單自動(dòng)增益控制電路相比，延遲自動(dòng)增益控制電路有什么優(yōu)點(diǎn)？

3.圖9-1中每塊電路的作用是什么？

4.當(dāng)接收機(jī)輸入信號變化時(shí)，AGC電路控制放大器的增益如何變化？9.2自動(dòng)頻率控制電路

在很多電子設(shè)備中，工作頻率的穩(wěn)定性決定著系統(tǒng)是否可以正常工作。如調(diào)幅接收機(jī)的中頻放大器是對中心頻率為465kHz的信號進(jìn)行放大的，如果本機(jī)振蕩信號頻率不穩(wěn)定，會導(dǎo)致混頻器輸出中頻信號頻率偏離465kHz。如果偏離不多，會使接收機(jī)增益變小；如果偏離過多，混頻器輸出的信號可能因無法通過中頻放大器而導(dǎo)致接收機(jī)不能正常收聽。為了提高系統(tǒng)工作頻率的穩(wěn)定度，可采用自動(dòng)頻率控制電路。9.2.1自動(dòng)頻率控制電路的工作原理圖9-6(a)所示為自動(dòng)頻率控制電路的原理框圖。自動(dòng)頻率控制電路控制的對象是頻率，因此系統(tǒng)中的比較器用頻率比較器，頻率比較器的任務(wù)由鑒頻器完成，鑒頻器的鑒頻特性如圖9-6(b)所示。圖中，fr為參考頻率，當(dāng)壓控振蕩器的振蕩頻率fo等于參考頻率fr時(shí)，頻率比較器輸出電壓ue和控制信號發(fā)生器輸出電壓uc都等于零，說明振蕩器頻率準(zhǔn)確，不需控制；當(dāng)壓控振蕩器頻率fo＞fr(fo＜fr)時(shí)，由鑒頻特性曲線可見，頻率比較器輸出電壓ue＞0(ue＜0)，濾除掉干擾成分，控制信號發(fā)生器輸出電壓uc＞0(uc＜0)，該電壓控制壓控振蕩器的頻率減小(增大)，實(shí)現(xiàn)了對頻率的反饋控制。圖9-6自動(dòng)頻率控制電路9.2.2自動(dòng)頻率控制電路的應(yīng)用

1.自動(dòng)頻率控制電路在調(diào)幅接收機(jī)中的應(yīng)用

調(diào)幅接收機(jī)中的AFC控制電路如圖9-7所示，其控制對象是壓控振蕩器的振蕩頻率。通過AFC控制壓控振蕩器振蕩頻率使混頻器的輸出信號頻率接近規(guī)定的465kHz。圖9-7調(diào)幅接收機(jī)中的自動(dòng)頻率控制電路

圖9-7中，直流放大器可提高頻率控制的靈敏度，限幅器將調(diào)幅信號變成等幅信號，給鑒頻器輸入等幅信號，避免幅度變化對鑒頻器輸出的影響，因此，鑒頻器的輸出電壓僅僅隨其輸入信號頻率變化。設(shè)中頻放大器的輸出信號為

u1=Uim(1+macosΩt)cosωIt(9-4)則限幅器的輸出電壓為

u2=U2cosωIt(9-5)鑒頻器的輸出電壓為

u3=SD(fI-465×103)(9-6)

由式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)可知，當(dāng)混頻器的輸出信號頻率fI=465kHz時(shí)，u1、u2的頻率也都等于465kHz，則鑒頻器輸出電壓u3=0，無控制電壓產(chǎn)生，不對壓控振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)fI＞465kHz(fI＜465kHz)，鑒頻器輸出電壓u3＞0(u3＜0)時(shí)，經(jīng)低通濾波器濾除干擾，通過直流放大器放大，產(chǎn)生AFC控制電壓u5＞0(u5＜0)，u5控制壓控振蕩器頻率使其減小(增大)，則混頻器輸出信號頻率fI減小(增大)，達(dá)到使混頻器輸出信號頻率接近465kHz的目的。2.自動(dòng)頻率控制電路在調(diào)頻接收機(jī)中的應(yīng)用調(diào)頻接收機(jī)中自動(dòng)頻率控制電路的控制對象也是壓控振蕩器的振蕩頻率，它通過控制壓控振蕩器的振蕩頻率，保證混頻后得到的中頻接近規(guī)定的中頻10.7MHz。調(diào)頻接收機(jī)中的自動(dòng)頻率控制電路框圖如圖9-8所示。圖9-8調(diào)頻接收機(jī)中的自動(dòng)頻率控制電路設(shè)圖9-8中混頻器輸入電壓為

u1=Uimcos(ωct+mfsinΩt)(9-7)壓控振蕩器輸出電壓為

u6=Ulmcosωlt(9-8)則混頻器輸出電壓為

u2=U2mcos［(ωl-ωc)t-mfsinΩt］=U2mcos(ω1t-mf

sinΩt)(9-9)中頻放大器輸出電壓為u3=U3mcos(ωIt-mfsinΩt)t(9-10)式(9-10)的頻率為鑒頻器的輸出電壓為u4=SD(f-10.7×106)=SD(fI-10.7×106-mfFcosΩt)(9-11)低通濾波器的輸出電壓為

u5=SD(fI-10.7×106)(9-12)

由式(9-7)~式(9-12)可見，當(dāng)混頻器輸出信號的頻率fI=10.7MHz時(shí)，AFC控制電壓u5=0，中頻準(zhǔn)確，不需要調(diào)整壓控振蕩器頻率；當(dāng)混頻輸出信號的頻率fI＞10.7MHz(fI＜10.7MHz)時(shí)，AFC控制電壓u5＞0(u5＜0)，u5控制壓控振蕩器頻率fI減小(增大)，使fI減小(增大)，向10.7MHz靠近。3.自動(dòng)頻率控制電路在調(diào)頻發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用調(diào)頻發(fā)射機(jī)中自動(dòng)頻率控制電路的控制對象是調(diào)頻振蕩電路的中心頻率fc，通過控制fc保證發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定值。調(diào)頻發(fā)射機(jī)中的自動(dòng)頻率控制電路如圖9-9所示。圖9-9調(diào)頻發(fā)射機(jī)中的自動(dòng)頻率控制電

設(shè)圖9-9中調(diào)制信號為

u1=UΩmcosΩt(9-13)則直接調(diào)頻電路的輸出電壓為

u2=U2mcos(ωct+mfsinΩt)(9-14)放大器輸出電壓為

u3=U3mcos(ωct+mfsinΩt)(9-15)AFC電路控制的目的就是使fc(ωc)穩(wěn)定在規(guī)定的發(fā)射頻率上。晶體振蕩器會產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度很高的信號，可表示為

u4=Ulmcosω1t(9-16)u3、u4經(jīng)混頻器混頻后，輸出電壓為u5=U5mcos［(ω1－ωc)t－mfsinΩt］

=U5mcos(ω1t-mfsinΩt)(9-17)式(9-17)的頻率為

f=fI－mfFcosΩt

鑒頻器輸出電壓u6同式(9-11)，而低通濾波器的輸出電壓u7同式(9-12)。

通過以上分析可見，如果發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率fc等于規(guī)定的發(fā)射頻率，則混頻器輸出信號頻率fI=10.7MHz(假設(shè)發(fā)射機(jī)中限幅鑒頻器鑒頻特性的過零頻率為10.7MHz)，濾波器輸出為0，無控制電壓產(chǎn)生，說明發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率準(zhǔn)確；當(dāng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率fc大于規(guī)定發(fā)射頻率(fc小于規(guī)定發(fā)射頻率)時(shí)，混頻器輸出信號頻率fI>10.7MHz(fI＜10.7MHz)，濾波器輸出電壓u7＞0(u7＜0)，u7控制直接調(diào)頻電路的頻率fc減小(增大)，達(dá)到控制發(fā)射頻率的目的。思考與練習(xí)

1.自動(dòng)頻率控制電路的作用是什么？

2.頻率比較器的作用是什么？

3.圖9-9中，哪個(gè)電路起頻率比較器的作用？

4.圖9-6中控制電路通過控制能達(dá)到什么目的？參考信號的頻率是多少？

5.圖9-7中為什么要用限幅器？鑒頻器的作用是什么？頻率控制范圍有多大？

6.圖9-8中，頻率比較由哪塊電路實(shí)現(xiàn)？AFC控制范圍有多大？9.3鎖相環(huán)(PLL)

鎖相環(huán)又稱相位鎖定環(huán)路，是用兩個(gè)信號的相位誤差控制系統(tǒng)頻率的。和自動(dòng)頻率控制電路相比，鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)無誤差的頻率控制，在雷達(dá)、制導(dǎo)、導(dǎo)航、遙控、遙測、通信、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。9.3.1鎖相環(huán)的基本工作原理

1.鎖相環(huán)路的組成

基本鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成，其組成框圖如圖9-10所示。圖9-10鎖相環(huán)的組成框圖

鎖相環(huán)的控制目的是通過環(huán)路的控制，使輸出電壓uo(t)與輸入?yún)⒖茧妷簎r(t)相位相同。鑒相器將環(huán)路輸出電壓uo(t)與環(huán)路輸入?yún)⒖茧妷簎r(t)的相位進(jìn)行比較，求出它們的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)化成與之成正比的電壓ue(t)；環(huán)路濾波器對鑒相器的輸出電壓濾波，取出能完全反映相位差變化規(guī)律的電壓成分uc(t)作為環(huán)路的控制電壓；壓控振蕩器輸出信號的相位受環(huán)路濾波器的輸出電壓控制，使其相位與環(huán)路輸入?yún)⒖茧娙菹辔幌嗟取?/p>

任何控制電路都有自己的控制精度，即通過控制只可能非常接近目標(biāo)值(接近的程度與電路的控制精度有關(guān))，而無法等于目標(biāo)值，這是由控制電路的結(jié)構(gòu)決定的。無論是AGC電路、AFC電路還是鎖相環(huán)都是如此。盡管鎖相環(huán)無法消除uo(t)與ur(t)的相位差，但可將兩者的相位差控制到一個(gè)很小的常數(shù)，此時(shí)，uo(t)與ur(t)的頻率是完全相等的，即盡管鎖相環(huán)無法進(jìn)行準(zhǔn)確的相位控制，但它可做到準(zhǔn)確的頻率控制，因此，鎖相環(huán)經(jīng)常被用于控制頻率。

為什么鎖相環(huán)可對頻率進(jìn)行準(zhǔn)確的控制呢？由圖9-10可知，通過鎖相環(huán)控制可使uo(t)的相位非常接近ur(t),兩者的相位差θe為一很小的常數(shù),設(shè)uo(t)=Uomcosωot,ur(t)=Urmcosωrt,則θe=ωot-ωrt，此時(shí)兩者的頻率差為(因θe為常數(shù))，所以ωo=ωr。這就好比兩個(gè)人繞圓周跑步，由于起跑時(shí)兩個(gè)人就有了一個(gè)很小的距離(相當(dāng)于θe)，要保持這個(gè)距離不被拉大，兩個(gè)人的速度(相當(dāng)于ωo和ωr)就必須相等，否則兩人之間的距離會越來越大。

2.鎖相環(huán)的幾個(gè)概念

1)鎖定當(dāng)環(huán)路通過循環(huán)控制使相位差qe為常數(shù)，即環(huán)路輸出信號頻率等于環(huán)路輸入?yún)⒖夹盘栴l率時(shí)(wo=wr)，稱環(huán)路鎖定，否則稱環(huán)路失鎖。

2)跟蹤當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，若環(huán)路輸入?yún)⒖夹盘栴l率變化，則環(huán)路輸出信號頻率跟著變化，且始終保持wo=wr，稱這種現(xiàn)象為跟蹤。

3)捕捉將環(huán)路由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過程稱為捕捉。9.3.2鎖相環(huán)的應(yīng)用

1.集成鎖相環(huán)NE564的應(yīng)用

NE564是超高頻單片集成鎖相環(huán)電路，芯片共16個(gè)引腳，如圖9-11所示。用NE564可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制、鑒頻、FSK信號的解調(diào)及倍頻，NE564的工作頻率高達(dá)60MHz。圖9-11

NE564的引腳分布及引腳作用NE564各引腳的作用如下：

(1)引腳1和10接直流電源，直流電源電壓為5～12V。

(2)引腳2為環(huán)路增益控制，此引腳可外接電位器，通過調(diào)整電位器來改變環(huán)路增益。

(3)引腳3為鑒相器輸入端，壓控振蕩器VCO的輸出信號(引腳9)由此引腳送入鑒相器。

(4)引腳4、5為環(huán)路濾波器接入端，環(huán)路濾波器通過4、5兩個(gè)引腳接入集成電路。(5)引腳6為FM/RF輸入端，鎖相環(huán)的參考信號由此端輸入。

(6)引腳7為偏置濾波電容接入端，7腳與地之間接0.1μF的電容。

(7)引腳8為接地端。

(8)引腳9為壓控振蕩器的輸出端，將引腳9的信號送入鑒相器的輸入端(引腳3)。(9)引腳11為壓控振蕩器的ECL輸出端(ECL是一種高速邏輯電路)。

(10)引腳12、13是壓控振蕩器的定時(shí)電容C的接入端,它決定了壓控振蕩器的振蕩頻率，其頻率為f≈1/22Rc(C+Cs)。(11)引腳14為FM解調(diào)輸出端，當(dāng)鎖相環(huán)用作鑒頻器時(shí)，鑒頻結(jié)果從14腳輸出。

(12)引腳15為回差電壓調(diào)整端，可通過此端控制施密特觸發(fā)器的回差電壓。

(13)引腳16為TTL輸出端，當(dāng)鎖相環(huán)用于對FSK信號解調(diào)時(shí)，解調(diào)結(jié)果從16腳輸出。NE564的方框圖如圖9-12所示。圖中除了鎖相環(huán)的基本電路外，還增加了限幅器、放大器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器。限幅器用來對輸入信號限幅，去掉幅度上的干擾信號；施密特觸發(fā)器與直流恢復(fù)電路共同組成FSK信號解調(diào)時(shí)的檢波后處理電路，直流恢復(fù)電路為施密特觸發(fā)器提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓。圖9-12

NE564方框圖1)用NE564實(shí)現(xiàn)鑒頻為了很好地理解鎖相環(huán)鑒頻的工作原理，先分析基本鎖相環(huán)鑒頻器的鑒頻原理，然后再分析由集成鎖相環(huán)NE564構(gòu)成的鑒頻器電路。基本鎖相環(huán)鑒頻器如圖9-13所示。圖9-13基本鎖相環(huán)鑒頻器

由鎖相環(huán)的工作原理可知,圖9-13控制的結(jié)果是壓控振蕩器的振蕩頻率等于鑒相器輸入?yún)⒖夹盘柕念l率，即調(diào)頻輸入信號的頻率。壓控振蕩器的振蕩頻率是受控制電壓uc(t)控制的，即壓控振蕩器的瞬時(shí)振蕩頻率fo(t)∝uc(t)；而調(diào)頻信號的頻率fr(t)∝uΩ(t),環(huán)路鎖定后fo(t)=fr(t),所以uc(t)∝uΩ(t)，可見鑒頻器的控制電壓與調(diào)制信號成正比。因此，當(dāng)鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖茧妷簽檎{(diào)頻信號時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出電壓即為解調(diào)輸出，用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了鑒頻。集成鎖相環(huán)NE564構(gòu)成的5V供電和12V供電鎖相環(huán)鑒頻器如圖9-14和圖9-15所示。圖9-14

5V供電電壓的鎖相環(huán)鑒頻器圖9-15

12V供電電壓的鎖相環(huán)鑒頻器

圖9-14中，中心頻率為5MHz，調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)頻信號經(jīng)0.47μF的耦合電容從限幅器的輸入引腳6輸入，限幅后從集成電路內(nèi)部送入鑒相器，作為鑒相器的參考輸入信號；壓控振蕩器的輸出電壓從引腳9輸出，連接到鑒相器的輸入引腳3，鑒相器將兩個(gè)信號的相位進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓，經(jīng)鑒相器引腳4、引腳5外接的由兩個(gè)0.01μF電容組成的環(huán)路濾波器濾波得到控制電壓。該控制電壓一方面通過集成電路內(nèi)部送入壓控振蕩器，控制壓控振蕩器的頻率；

另一方面經(jīng)放大器和直流恢復(fù)電路處理后從14腳輸出，14腳輸出電壓即為鑒頻器輸出電壓。引腳7所接的0.01μF電容為濾波電容，引腳1、引腳10接5V直流電壓，引腳8接地，引腳12、引腳13之間80pF的電容決定了壓控振蕩器的振蕩頻率為5MHz，引腳14所接的0.1μF電容為濾波電容，引腳9所接的1kΩ電阻是集成電路內(nèi)部電路的需要?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)引腳2所接的電位器改變環(huán)路增益。圖9-15所示電路與圖9-14所示電路的原理相同，只是供電電壓為12V，引腳10、引腳5外接了由200Ω電阻與0.01μF電容組成的退耦電路。

2)用NE564實(shí)現(xiàn)調(diào)頻如果將鎖相環(huán)路連接成圖9-16所示形式，便可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。鎖相環(huán)調(diào)頻電路中鎖相環(huán)的作用是控制輸出調(diào)頻信號的頻率，使其等于高穩(wěn)定度的晶體振蕩頻率，即通過鎖相環(huán)控制使調(diào)頻信號的中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定值上。圖9-16鎖相環(huán)調(diào)頻電路

設(shè)圖9-16中晶體振蕩器的輸出電壓ur

(t)=Urmcos(ωrt+θr)，θr為常數(shù)，調(diào)制信號uΩ(t)=UΩmcosΩt，則壓控振蕩器的輸出電壓uo(t)=Uomcos(ωot+mfsinΩt)，鑒相器的輸出電壓為ue(t)=K［(ωr-ωo)t+θr-mfsinΩt］，K為鑒相器的鑒相靈敏度，經(jīng)環(huán)路濾波輸出的控制電壓為uc(t)=K′［(ωr-ωo)t+θr］，K′為常數(shù)，可見只有ωr=ωo時(shí)，控制電壓才不再變化，壓控振蕩器輸出中心角頻率穩(wěn)定在ωr。

圖9-17為NE564構(gòu)成的調(diào)頻電路，它并未利用鎖相環(huán)控制調(diào)頻信號中心頻率的穩(wěn)定度，它只是利用NE564中的壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，是一個(gè)直接調(diào)頻電路。調(diào)頻信號的中心頻率靠引腳4、5之間的電位器精確調(diào)節(jié)。NE564中的鑒相器只有一個(gè)輸入信號，那就是從引腳6輸入的調(diào)制信號，鑒頻器的另一個(gè)輸入端引腳3接地，因此鑒頻器在此不起鑒頻作用，只是將限幅器送來的調(diào)制信號傳送給壓控振蕩器，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。而壓控振蕩器的中心頻率由引腳12、13之間所接電容決定，同時(shí)通過調(diào)整引腳4、5之間的電位器細(xì)調(diào)，最后可精確地調(diào)節(jié)至要求的中心頻率處。壓控振蕩器的輸出(即調(diào)頻輸出)從引腳9輸出。圖9-17集成鎖相環(huán)調(diào)頻電路3)用NE564實(shí)現(xiàn)倍頻如果將鎖相環(huán)連接成圖9-18所示的電路，則可實(shí)現(xiàn)倍頻功能。圖9-18鎖相環(huán)倍頻器

圖中，晶體振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度很高的高頻振蕩，其頻率為fr，將該高頻振蕩輸入鑒相器，壓控振蕩器的振蕩頻率為fo，將fo經(jīng)過N次分頻后輸入鑒相器與fr比較，用比較后得到的控制電壓調(diào)整壓控振蕩器的頻率直至fo/N=fr，環(huán)路鎖定，則fo=Nfr，實(shí)現(xiàn)了N倍頻。NE564構(gòu)成的倍頻電路如圖9-19所示。圖中，頻率為fT

的信號從引腳6輸入到NE564的限幅器，經(jīng)限幅輸入給鑒相器，鑒相器的另一個(gè)輸入從壓控振蕩器的輸出引腳9經(jīng)N次分頻后由引腳3輸入，鑒相器將兩個(gè)信號的相位比較得到壓控振蕩器的振蕩頻率，直至壓控振蕩器輸出信號頻率等于輸入信號頻率的N倍。引腳12、13之間所接為壓控振蕩器的定時(shí)電容，改變該電容的大小可改變振蕩器的振蕩頻率，引腳4、5所接的0.33μF電容為環(huán)路濾波電容，引腳2所接電位器可調(diào)節(jié)環(huán)路增益，0.47μF電容為濾波電容。圖9-19

NE564構(gòu)成的倍頻器思考與練習(xí)

1. 鎖相環(huán)由幾部分組成？每部分功能是什么？

2. 簡述鎖相環(huán)的工作原理。

3. 為什么鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率控制？

4. 你知道哪些型號的集成鎖相環(huán)電路？

5. 畫出鎖相環(huán)鑒頻器的原理框圖。

6. 畫出鎖相環(huán)倍頻器的原理框圖。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對信號源頻率的要求越來越高，要求信號源既有很高的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，又可方便地改變頻率。晶體振蕩器雖有很高的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，但頻率變化范圍很小，無法滿足應(yīng)用要求。而LC振蕩器雖然頻率調(diào)節(jié)方便，但頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度不夠，也無法滿足應(yīng)用要求。例如，短波通信要求通信機(jī)在2～30MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率間隔為100Hz的28萬個(gè)頻點(diǎn)，如此多的頻點(diǎn)要求只有通過頻率合成技術(shù)解決。9.4頻率合成器

頻率合成技術(shù)是指用一個(gè)或幾個(gè)高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此產(chǎn)生出大量的輸出頻率，這些輸出頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度與參考頻率相同。用來實(shí)現(xiàn)頻率合成的器件稱為頻率合成器。9.4.1頻率合成器的技術(shù)指標(biāo)

1.頻率范圍

頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍稱為頻率合成器的頻率范圍，也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin來表示。頻率合成器應(yīng)在指定的頻率范圍內(nèi)正常工作，且能滿足其它性能指標(biāo)。2.頻率分辨率頻率合成器輸出的頻率是不連續(xù)的，相鄰頻率之間的最小間隔即為頻率合成器的頻率分辨率。如短波單邊帶通信機(jī)頻率分辨率多為100Hz，超短波通信頻率分辨率多為50Hz、25Hz。不同的應(yīng)用場合對頻率分辨率的要求不同。3.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率合成器從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間稱為頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。頻率轉(zhuǎn)換的速度越快，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。

4.頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度頻率合成器的工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值稱為頻率準(zhǔn)確度。而在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，頻率合成器的頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小稱為頻率穩(wěn)定度。穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的概念在第3章振蕩器中已討論過。頻率準(zhǔn)確度是絕對頻率偏差，而頻率穩(wěn)定度是在一定時(shí)間內(nèi)的相對偏差。5.頻譜純度頻率合成器的輸出信號為理想正弦信號時(shí)，其頻譜為在規(guī)定頻率處的一根譜線，如圖9-20(a)所示。實(shí)際的頻率合成器輸出信號中除了規(guī)定的頻率外，還包含了許多干擾頻率，因此其頻譜由很多譜線組成，如圖9-20(b)所示。頻率合成器輸出信號中干擾頻率越多，頻譜純度越差。圖9-20頻率合成器的理想頻譜與實(shí)際頻譜9.4.2鎖相環(huán)頻率合成器頻率合成器可分為直接頻率合成器、間接頻率合成器及直接式數(shù)字頻率合成器。直接頻率合成器的頻率分辨率高，可達(dá)10-2Hz，頻率轉(zhuǎn)換速度快，小于100μs，工作穩(wěn)定可靠，頻譜純度高，但體積大、重量大、成本高。直接式數(shù)字頻率合成器(DDS)采用全數(shù)字技術(shù)，具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展非常迅猛。間接頻率合成器又稱鎖相環(huán)頻率合成器，其頻率分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間不如前兩種頻率合成器，但其成本低，結(jié)構(gòu)簡單，是應(yīng)用最廣泛的頻率合成器，是本節(jié)討論的重點(diǎn)。1．單環(huán)鎖相頻率合成器圖9-21所示為一單環(huán)鎖相頻率合成器。由圖9-21可見，頻率合成器由一個(gè)鎖相環(huán)路組成，只是在基本鎖相環(huán)的反饋回路中加入了可編程分頻器(÷N)，N的數(shù)值可通過編程改變，這種頻率合成器也被稱為基本鎖相環(huán)頻率合成器。頻率合成器的輸出頻率為fo=Nfr，N取不同值時(shí)，輸出頻率不同，可見利用基本鎖相環(huán)頻率合成器可產(chǎn)生頻率為fr整數(shù)倍的一系列輸出頻率，其頻率分辨率為fr。圖9-21單環(huán)鎖相頻率合成器

綜上所述，要提高頻率合成器的頻率分辨率，必須減小fr，但這又會使頻率合成器的轉(zhuǎn)換時(shí)間增長，即轉(zhuǎn)換速度變慢。在工程上，通常用經(jīng)驗(yàn)公式ts=25/fr計(jì)算轉(zhuǎn)換時(shí)間。在圖9-21中，頻率合成器的輸出信號直接作為可編程分頻器的輸入信號，而可編程分頻器的工作頻率比較低，這就意味著頻率合成器的工作頻率(fo)比較低，大大限制了頻率合成器的實(shí)際應(yīng)用。為了提高頻率合成器的工作頻率，可將圖9-21所示電路改進(jìn)成圖9-22所示的電路，即在可編程分頻器與壓控振蕩器之間接入能降低頻率的前置分頻器。圖9-22采用前置分頻器的頻率合成器

圖9-22中增加了一個(gè)固定分頻比(M為常數(shù))的分頻器，這樣可編程控制器的工作頻率不再是fo，而是f

o/M，即使頻率合成器的工作頻率很高，可編程分頻器也能正常工作。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，fo/(NM)=f

r

，所以頻率合成器的輸出信號頻率為f

o=NMfr。前置分頻器是固定分頻器，所以工作頻率很高，經(jīng)前置分頻器將頻率合成器輸出信號的頻率降低為fo/M后作為可編程分頻器的輸入信號。這樣做可提高頻率合成器的工作頻率，但頻率合成器的分辨率會降低，變?yōu)镸fr，所以，采用前置分頻器提高頻率合成器工作頻率的代價(jià)是降低頻率合成器的頻率分辨率。

圖9-22是通過前置分頻器將頻率合成器的頻率降低為可編程分頻器的工作頻率，這樣做同時(shí)也降低了頻率合成器的頻率分辨率。圖9-23則采用混頻器將頻率合成器的頻率降低為可編程分頻器的工作頻率，且頻率合成器的頻率分辨率并未降低。環(huán)路鎖定時(shí)，fr=(fL-fo)/N，所以頻率合成器的輸出信號頻率為fo=fL-Nfr，頻率分辨率為fr。圖9-23下變頻鎖相環(huán)頻率合成器

盡管圖9-22和圖9-23解決了基本鎖相環(huán)頻率合成器工作頻率低的問題，但它們無法解決頻率分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間之間的矛盾，因?yàn)橐岣哳l率分辨率就要降低參考頻率fr，而要減小轉(zhuǎn)換時(shí)間就要增大fr。為了進(jìn)一步改善頻率合成器的性能，可采用變模鎖相環(huán)頻率合成器。2.變模鎖相環(huán)頻率合成器變模分頻器(也稱吞脈沖技術(shù))可在不改變頻率合成器頻率分辨率的前提下提高頻率合成器的工作頻率，采用變模分頻器的鎖相環(huán)頻率合成器原理如圖9-24所示。圖9-24所示為雙模分頻鎖相環(huán)頻率合成器。圖9-24雙模分頻鎖相環(huán)頻率合成器

圖9-24中，可編程分頻器1和可編程分頻器2是兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器。兩個(gè)計(jì)數(shù)器的預(yù)置值為N1、N2，N1和N2的大小都可通過編程改變，且N1＞N2。兩個(gè)計(jì)數(shù)器都對雙模分頻器的輸出信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。可編程分頻器2從預(yù)置值N2計(jì)數(shù)，未計(jì)到0之前，輸出高電平進(jìn)行模式控制，使雙模分頻器的分頻比為V+1，即雙模分頻器的輸出信號頻率為fV/(V+1)。當(dāng)可編程分頻器2計(jì)數(shù)計(jì)到0時(shí)，輸出低電平信號，該低電平信號一方面反饋到可編程分頻器2輸入端的與門，關(guān)閉與門，切斷了可編程分頻器2的輸入信號，使其停止計(jì)數(shù)；另一方面進(jìn)行模式控制，使雙模分頻器的分頻比為V，即雙模分頻器的輸出信號頻率為fV/V。到此為止，可編程分頻器2的任務(wù)已完成。

在可編程分頻器2計(jì)數(shù)期間，可編程分頻器1也對頻率為fV/(V+1)的信號計(jì)數(shù)，當(dāng)可編程分頻器2計(jì)到0時(shí)，可編程分頻器1的當(dāng)前值為N1-N2，還差N1-N2才能計(jì)到0。由于可編程分頻器N2計(jì)到0時(shí)，控制雙模分頻器變模，使可編程分頻器1的輸入信號頻率變?yōu)閒V/V，因此可編程分頻器2計(jì)到0后，可編程分頻器1繼續(xù)對頻率為fV/V的信號計(jì)數(shù)，直至計(jì)到0。此時(shí)，可編程分頻器1輸出低電平，一方面將自己的輸出送到鑒相器，作為比較脈沖；另一方面，用此時(shí)輸出的低電平將可編程分頻器N1、N2重新賦值為N1、N2，開始新一輪的計(jì)數(shù)，如此反復(fù)循環(huán)工作。

圖9-24中晶體振蕩器產(chǎn)生的高穩(wěn)定度信號經(jīng)參考分頻器分頻后得到參考頻率fr，鑒相器將參考頻率為fr的信號與可編程分頻器的輸出信號進(jìn)行相位比較，經(jīng)環(huán)路濾波后去控制壓控振蕩器的振蕩頻率，直至環(huán)路鎖定，即圖9-24中鑒相器的兩個(gè)輸入信號頻率相等。

圖9-24中，壓控振蕩器的振蕩頻率為f

V

，經(jīng)雙模分頻后頻率先為fV/(V+1)，后為f

V/V，可編程分頻器1分別計(jì)夠N2個(gè)頻率為f

V/(V+1)的信號和N1-N2個(gè)頻率為fV/V的信號便會輸出一個(gè)低電平脈沖，故可編程分頻器1的輸出信號周期為

則其頻率為fV/(N1V+N2)，所以該雙模分頻鎖相環(huán)頻率合成器的分頻比為N1V+N2。設(shè)V=6，N2從0～5變化，由于N1＞N2，因此最小分頻比為6。3.集成鎖相環(huán)頻率合成器集成鎖相環(huán)頻率合成器是專用集成電路，它將參考分頻器、晶體振蕩器、鑒相器、可編程分頻器等邏輯控制電路集成，如圖9-24中虛線框所示；環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、雙模分頻器采用外接方式。集成鎖相環(huán)頻率合成器按集成度可分為中規(guī)模和大規(guī)模兩種，按電路工作速度可分為低速、中速和高速三種，一些集成鎖相環(huán)頻率合成器中引入微機(jī)部件，使頻率的顯示實(shí)現(xiàn)了遙控和程控。

圖9-25為摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC145146集成頻率合成器，其引腳分布如圖9-26所示,內(nèi)部電路框圖如圖9-27所示。圖9-25

MC145146圖9-26

MC145146圖9-27

MC145146內(nèi)部電路框MC145146為20引腳的集成電路，采用陶瓷或塑料封裝，各引腳的功能如下：

·引腳1、2、19、20為D0、D1、D2、D3數(shù)據(jù)輸入端，通過這4位數(shù)據(jù)總線可給÷N可編程分頻器、÷A可編程分頻器和÷R計(jì)數(shù)器預(yù)置分頻比，如D3D2D1D0=1111，地址總線上地址如果選中÷N分頻器，則D3D2D1D0的數(shù)據(jù)被送到÷N分頻器，÷N分頻器的N=15，即被設(shè)置為分頻比為15的15分頻器。

·引腳3為fin端，即頻率合成器的輸入端，該端輸入的信號應(yīng)來自前置分頻器的輸出，如圖9-24所示雙模分頻器的輸出信號。

·引腳18為fR端，即參考頻率輸入端。

·引腳4為VSS端，即接地端。

·引腳5為PDout端，即鑒相器輸出端，該端應(yīng)外接環(huán)路濾波器。

·引腳6為VDD端，即直流電壓接入端，給集成電路提供3～9V的直流電壓?！?/p>

引腳7、8為參考振蕩器的輸入、輸出端，即7為OSCin，8為OSCout。當(dāng)用集成電路的內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生參考頻率時(shí)，引腳7、8之間應(yīng)接入晶體，7、8腳與地之間分別接入微調(diào)電容；當(dāng)參考頻率由外部電路提供時(shí)，信號從引腳7輸入，引腳8懸空。

·引腳9、10、11為A0、A1、A2輸入端，是地址輸入,也稱地址總線，用來確定接收來D3D2D1D0數(shù)據(jù)的鎖存器。由圖9-27可見，圖中有L0～L7共8個(gè)鎖存器，如A2A1A0=000時(shí)，鎖存器L0被選通,數(shù)據(jù)總線D3D2D1D0上的數(shù)據(jù)進(jìn)入鎖存器L0，給÷A的參考分頻器賦值。MC145146的地址碼與鎖存器的選通關(guān)系如表9-1所示。表中，D3D2D1D0欄的數(shù)據(jù)表示相應(yīng)輸入端所輸入二進(jìn)制數(shù)的權(quán)指數(shù)，如D3D2D1D0=3210,表示從數(shù)據(jù)輸入端輸入了(D3D2D1D0)

二進(jìn)制=(1111)二進(jìn)制=(23+22+21+20)十進(jìn)制=(15)十進(jìn)制。

·引腳12為ST端，ST為數(shù)據(jù)選通控制端。當(dāng)ST=1，即ST為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入端D3D2D1D0的數(shù)據(jù)輸入到由地址輸入端A2A1A0確定的鎖存器；當(dāng)ST=0，即ST為低電平時(shí)，則鎖存鎖存器中的信息，數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)不能輸入到由地址輸入端指定的鎖存器。

·

引腳13為LD端，為鎖定檢測器的輸出端。當(dāng)fV=fR，即環(huán)路鎖定時(shí)，引腳13輸出高電平，失鎖時(shí)引腳13輸出低電平?！ひ_14為MC端，即模式控制端，用來控制雙模前置分頻器的分頻比。當(dāng)MC為高電平時(shí)，雙模分頻器按低模分頻比工作；當(dāng)MC為低電平時(shí)，雙模分頻器按高模分頻比工作。該端應(yīng)連接在集成電路外接雙模分頻器的模式控制端。

·引腳15為fV端，為分頻器輸出端。

·

引腳16、17為fV、fR端。當(dāng)fV＞fR時(shí)，V端輸出負(fù)脈沖，fR端保持高電平；fV＜fR時(shí)V端保持高電平，fR端輸出正脈沖；當(dāng)f