反饋控制電路.ppt

1、1,第十一章 反饋控制電路,11-1概述 11-2自動(dòng)增益控制（AGC） 11-3 自動(dòng)頻率控制（AFC） 11-4 鎖相環(huán)路的基本組成及數(shù)學(xué)模型 11-5 鎖相環(huán)路的基本分析 11-6 鎖相環(huán)路的應(yīng)用,2,11-1概述,閉環(huán)(自動(dòng))控制系統(tǒng)：反饋控制 將受控物理量自動(dòng)調(diào)整到預(yù)定值。 開環(huán)(自動(dòng))控制系統(tǒng)：前向控制 程控(數(shù)控)，智能化控制等。 如：開、關(guān)機(jī)，自動(dòng)錄放，程序工作等。,3,一、三種反饋控制系統(tǒng)分類,自動(dòng)增益控制（AGC）電路：在輸入信號(hào)幅度變化很大 的情況下，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變 化的一種自動(dòng)控制電路。,自動(dòng)頻率控制（AFC）電路：是一種頻率反饋控制系統(tǒng)， A

2、FC電路控制的是信號(hào)的頻率。,自動(dòng)相位控制（APC）電路：又叫鎖相環(huán)路。 (Phase Locked Loop,簡稱PLL)，是一種相位反饋控制系統(tǒng)， 鎖相環(huán)路控制的是信號(hào)的相位。,4,二、反饋控制系統(tǒng)的原理（與負(fù)反饋放大器比較）,相同點(diǎn)：皆是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,不同點(diǎn)：一是調(diào)節(jié)對(duì)象不同。（有頻率F與相位P）,二是分析方法不同。,負(fù)反饋放大器有放大器與 線性反饋電路；,反饋控制系統(tǒng)除有放大器外，還有非線性部件， 要用非線性分析方法,在一定條件下可以近似為線性。,三、反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn),AFC的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是頻率，所以穩(wěn)定時(shí)有頻差。,APC的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是相位，所以穩(wěn)定時(shí)只有相差。,5,四、

3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的模式,6,11-2自動(dòng)增益控制（AGC）,一、 AGC目的與要求 1.目的： 若接收信號(hào)幾v-幾mv變化,即信號(hào)強(qiáng)弱比為103-104。 變化原因： 距離不同、電臺(tái)發(fā)射功率不同； 移動(dòng)電臺(tái)、短波信號(hào)衰落，強(qiáng)弱變化相對(duì)緩慢。 因信號(hào)強(qiáng)弱變化大，若放大器增益固定，則造成： (1)使后級(jí)放大器偏離線性區(qū),信號(hào)失真； 如：電視信號(hào)的同步頭被壓縮或消去,使同步失控。嚴(yán)重時(shí),產(chǎn)生大信號(hào)阻塞(進(jìn)入截止、飽和區(qū))； (2)增加混頻組合頻率干擾和非線性； 若希望接收機(jī)輸出電平變化范圍盡可能小，避免過強(qiáng)的信號(hào)使晶體管和終端器件過載，以致?lián)p壞，則需要進(jìn)行增益控制。,7,2.對(duì)AGC電路的具體要求 (1

4、)增益控制范圍大； 如：電視AGC：20-60dB。 (2)保持系統(tǒng)良好的信噪比特性； (3)控制靈敏度高； 如：電視AGC：-3dB以內(nèi)。 (4)控制增益變化時(shí)，幅頻、群時(shí)延特性不變,以減小信號(hào)真； (5)控制特性受溫度影響小。,8,二、帶有AGC電路的調(diào)幅接收機(jī),注意： 1.延遲式(先中放，后高放)AGC; 2.對(duì)于FM接收機(jī)： (1)鑒頻前的限幅，要求中放增益高，以提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，故AGC一般只控制高放； (2)鑒頻器的輸出信號(hào)幅度僅與已調(diào)信號(hào)的頻偏有關(guān)，而與輸入信號(hào)幅度無關(guān)，故AGC電壓一般取自中放的一部分信號(hào)。,9,三、 控制放大器增益的方法,1放大管電流控制法,10,反向AGC

5、：增益G隨Ic正比變化， 即： Ic，G : Ic，G 優(yōu)點(diǎn)：Ic小，節(jié)省功率。 缺點(diǎn)：信號(hào)過大時(shí)，Ic過快，放大器進(jìn)入非線性區(qū)。 正向AGC: 增益G隨Ic反比變化， 即： Ic，G: Ic，G 專用正向AGC管，曲線較陡，即Ic時(shí)G較快(控制靈敏度高)。,11,舉例：,圖(a)為反向AGC控制，VAGC為負(fù)電壓 控制過程： 輸出VAGC負(fù)向ib(ic)G 圖(b)為正向AGC控制，VAGC為正電壓 控制過程： 輸出VAGC正向ib(ic)G,12,2放大管集電極電壓控制法 因?yàn)閨Yfe|與Vce直接相關(guān)，故可通過VAGC改變Vce-|Yfe|來改變|Yfe|(Avo)。,13,3放大管負(fù)載

6、控制法 因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆媾c負(fù)載直接相關(guān)，可通過VAGC控制負(fù)載變化來改變?cè)鲆妗?14,4差動(dòng)電路增益控制法 采用分流方式控制增益。,15,5雙柵場MOS效應(yīng)管增益控制,16,四、AGC電路舉例,1.廣播接收機(jī)中的AGC電路,17,2.AGC方式高線性調(diào)幅,18,3.AGC方式高線性功放,19,11-3 自動(dòng)頻率控制（AFC）,功能：使振蕩器頻率自動(dòng)鎖定到預(yù)定的頻率上。,一、 AFC原理框圖,20,1.鑒頻器(比較器) fo(VCO輸出) fs(標(biāo)準(zhǔn)頻率) fo= fs ：比較器無輸出 fo fs ：有正比于fo-fs的輸出,經(jīng)LPF輸出Vc去控制VCO，當(dāng)|fo- fs|減 少到f 時(shí),自動(dòng)微

7、調(diào)過程停止,輸出頻率穩(wěn)定在fsf 2.LPF 按系統(tǒng)要求，從鑒頻器輸出的誤差信號(hào)中濾出控制信號(hào)Vc 3.受控元件 可變電抗元件。 4.受控振蕩器 VCO,21,5.閉環(huán)系統(tǒng)滿足負(fù)反饋 鑒頻特性與振蕩器控制特性的斜率相反(負(fù)反饋),如圖：振蕩器控制特性曲線 A: 理想，無頻差； B: 實(shí)際，有固有頻差f ； C: fp 捕捉帶寬; D: fH同步帶寬(臨界情況)。,22,二、 AFC系統(tǒng)應(yīng)用框圖舉例,1.調(diào)幅接收機(jī)AFC系統(tǒng),23,2.彩電接收機(jī)AFC系統(tǒng),AFT：自動(dòng)頻率調(diào)諧器 Automatic Frequency Tuner,24,3.AFC用于調(diào)頻反饋解調(diào),25,11-4-1 PLL基本

8、原理,（1）三個(gè)基本部件組成：鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。,（2）基本原理： 鑒相器的輸出信號(hào) 是輸入信號(hào) 和壓控振蕩器輸出 信號(hào) 之間相位差的函數(shù)。,經(jīng)環(huán)路濾波器濾波（也可能包括放大），濾除高頻分 量后，成為壓控振蕩器的控制電壓 。,在 的作用下，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率將發(fā)生相應(yīng)變 化并反饋到鑒相器。最后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。,11-4 鎖相環(huán)路的基本組成及數(shù)學(xué)模型,26,(2)鎖定狀態(tài)VCO跟蹤輸入信號(hào)頻率與相位的漂移或調(diào)制變化的過程。,當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，壓控振蕩器的頻率將向著接近輸入信號(hào)頻率的方向變化，這就是捕獲狀態(tài)。,當(dāng)PLL達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，若輸入信號(hào)為一固定頻率的正弦波，則壓控振蕩器的

9、輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，它們之間的相位差為一常值，這種狀態(tài)稱為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。,鎖相環(huán)通常有兩種不同的跟蹤狀態(tài)：調(diào)制跟蹤與載波跟蹤。,壓控振蕩器的輸出信號(hào)跟蹤輸入的調(diào)制信號(hào)變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)路稱為“調(diào)制跟蹤環(huán)路”。調(diào)制跟蹤環(huán)路可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)角信號(hào)的解調(diào)。,壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，那么就稱之為載波跟蹤狀態(tài)，這叫載波跟蹤環(huán)，或稱“窄帶跟蹤環(huán)”。,鎖相環(huán)路具有兩種工作狀態(tài)：,(1)捕獲狀態(tài)環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定的過程；,27,11-4-2 PLL各部件的特性與數(shù)學(xué)模型：,常用的鑒相器有以下幾類：數(shù)字鑒相器、模擬相乘器、抽樣鑒相器和鑒頻鑒相器等。,作為原

10、理分析，通常使用具有正弦鑒相特性的鑒相器。,式中， 為輸入信號(hào) 的瞬時(shí)相位；,為壓控振蕩器輸出信號(hào) 的瞬時(shí)相位。,一、鑒相器 （PD）,28,設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為k，單位為1/V。輸入信號(hào)為：,式中， 為正弦信號(hào)的振幅， 為中心角頻率， 是以載波相位 為參考的瞬時(shí)相位。若輸入信號(hào) 為一固定的正弦波，則 是一常數(shù)， 即 的初始相位。,假設(shè)輸出信號(hào)為：,式中， 為余弦信號(hào)的振幅， 為環(huán)路VCO自由振蕩角 頻率， 是輸出信號(hào)以其自由振蕩相位 為參考的 瞬時(shí)相位。,29,統(tǒng)一參考相位：一般情況下，兩信號(hào)的頻率是不同的。為了便于比較，現(xiàn)統(tǒng)一以VCO 的自由振蕩相位 為參考 ，于是輸入信號(hào)相位需改寫為：,

11、式中：,改寫輸入和輸出信號(hào)表示式：,30,輸入信號(hào)與輸出信號(hào)經(jīng)過相乘器后得到：,再經(jīng)過低通濾波濾除 成分，便得到誤差電壓：,令, ，不難看出 為鑒相器的最大輸出電壓， 它在一定程度上反映了鑒相器的靈敏度。單位為（V）。,31,假設(shè) ，有,若用 代表相乘器兩個(gè)輸入信號(hào)的瞬時(shí)相位誤差，即,則上式 可寫成：,這就是正弦鑒相特性。,需要指出的是，在上面的推導(dǎo)過程中，設(shè)兩個(gè)輸入信號(hào)互為正交信號(hào)形式，因而得到正弦特性。若改設(shè)兩信號(hào)同為正弦或余弦，則將會(huì)得到余弦特性。不論是那種特性，環(huán)路的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域總是在特性的線性區(qū)域內(nèi)，環(huán)路鎖定時(shí)相位比較器輸出電壓為零附近。,則可寫成線性表示式：,討論：,32,正弦鑒相

12、器的數(shù)學(xué)模型,頻率域中的鑒相模型s為拉氏算子,33,二、環(huán)路濾波器（LF ）,鎖相環(huán)路中的濾波器是線性低通濾波器，它主要有兩個(gè)功能： 第一，濾除誤差信號(hào)中的高頻分量； 第二，為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，如果系統(tǒng)由于瞬時(shí)噪 聲而失鎖，可確保鎖相環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)。,環(huán)路濾波器由線性元件、電阻、電容和運(yùn)算放大器組成。 環(huán)路濾波器采用的電路結(jié)構(gòu)不同時(shí)，傳遞函數(shù)的階數(shù)不同。 鎖相環(huán)路中，通常采用一階濾波器電路。 有時(shí)需要較強(qiáng)地抑制鑒相器輸出中的交流分量時(shí)，也采用高階 濾波電路。,鎖相環(huán)路中，通常采用直通電路和三種濾波器電路， 假設(shè)傳遞函數(shù)為：,34,直通電路,RC積分 濾波器,無源比例積分濾波器,

13、理想積分濾波器,35,三、壓控振蕩器 (VCO),在PLL中，壓控振蕩器是在外加控制電壓 的作用下，輸出信號(hào)頻率按一定規(guī)律變化的振蕩電路。它的工作原理與電路和前面所講的調(diào)頻電路基本相同。,壓控振蕩器的一般特性如下圖 所示。它的振蕩頻率與控制電壓的關(guān)系可表示為：,0,式中， 稱壓控振蕩器的中心 角頻率或自由振蕩頻率，即控制 電壓 = 0 時(shí)的振蕩頻率。,表示頻率隨電壓 變化的函數(shù)關(guān)系。,36,在一定的控制電壓變化范圍內(nèi)，壓控振蕩器的頻率變化與控制 電壓呈線性關(guān)系，即：,其中, 是曲線的斜率，也稱壓控振蕩器的調(diào)制靈敏度。 單位為（ ）。,在鎖相環(huán)路中，壓控振蕩器的輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬 時(shí)角頻

14、率而是它的瞬時(shí)相位。,由此可見，VCO在鎖相環(huán)中起了一次積分作用，因此也稱為 環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。,VCO應(yīng)是一個(gè)有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器?；疽笫牵?頻率穩(wěn)定度好；控制靈敏度要高；控制特性的線性度要好； 線性區(qū)域要寬；噪聲盡可能低。 而這些要求之間往往是矛盾的，設(shè)計(jì)中要折衷考慮。,37,時(shí)域模型：,頻域模型：,p為微分算子s為拉氏算子,38,11-4-3 PLL的環(huán)路方程與相位數(shù)學(xué)模型,二、相位數(shù)學(xué)模型,一、方框原理圖,39,令， ，為環(huán)路增益，單位為（ ）。,從相位數(shù)學(xué)模型可得到：,這就是PLL環(huán)路的非線性微分方程。,40,三、討論：,方程的三項(xiàng)：,第一項(xiàng)是瞬時(shí)相位誤差 對(duì)時(shí)間的微分

15、，由于 是輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)相差，所以其微分應(yīng)為輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻差。,第二項(xiàng)是壓控振蕩器在控制電壓 的作用下，所產(chǎn)生的角頻率變化量，所以一般稱為控制頻差。,第三項(xiàng)是輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)中心角頻率之差，它不隨時(shí)間變化而是決定于環(huán)路開始工作時(shí)的狀態(tài)，稱為“初始頻差”。,在閉環(huán)后的任何時(shí)刻，初始頻差總等于瞬時(shí)頻差和控制頻差的代數(shù)和。,在鎖定時(shí)刻， 是常數(shù)，所以控制頻差等于初始頻差。,41,注意：系統(tǒng)的相位數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)的方框原理圖是不同的。,方框原理圖表示系統(tǒng)所包含的組成部分及各部分的功能， 它的輸入和輸出信號(hào)都是按某種規(guī)律變化的電壓或電流。,相位數(shù)學(xué)模型

16、則表示信息在系統(tǒng)內(nèi)流通的過程與關(guān)系， 對(duì)PLL的模型，它描述的是輸出相位和輸入相位之間的關(guān)系。,下面討論P(yáng)LL的傳遞函數(shù)，振幅頻率特性和相位頻率特性， 環(huán)路帶寬都是對(duì)輸入相位 而言的，不是對(duì)輸入電壓 而言的，這點(diǎn)需要特別強(qiáng)調(diào)。,此非線性微分方程的階數(shù)取決于環(huán)路濾波器。,當(dāng)采用直通電路，就是一階PLL。,當(dāng)采用積分濾波器（一階），就是二階PLL。,42,當(dāng)滿足 的條件下，,正弦鑒相特性可寫成線性表示式：,則非線性微分方程變成線性微分方程：,把時(shí)域線性微分方程變成復(fù)頻域方程：,鎖相環(huán)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但是，在鎖定情況下的跟蹤過程 可以用線性系統(tǒng)近似處理。,線性性能包括：暫態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)相差、頻率特性

17、、穩(wěn)定性、 噪聲性能等。,43,PD,LF,VCO,相位數(shù)學(xué)模型,方框原理圖,相位數(shù)學(xué)模型,小結(jié)：,44,當(dāng)滿足 的條件下，,線性化相位數(shù)學(xué)模型,PLL的三個(gè)傳遞函數(shù)：,誤差傳遞函數(shù)：,閉環(huán)傳遞函數(shù)：,開環(huán)傳遞函數(shù)：,45,定義PLL的三個(gè)傳遞函數(shù),誤差傳遞函數(shù)：,該式表示輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的誤差相位 與輸入信號(hào)相位 的關(guān)系，稱為環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)。,閉環(huán)傳遞函數(shù)：,該式表示壓控振蕩器輸出信號(hào)相位 與輸入信號(hào)相 位 的關(guān)系，稱其為環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)。,開環(huán)傳遞函數(shù)：,46,11-5-1 非線性分析中研究的問題和方法,一、研究的問題：捕捉特性和同步特性等。,捕捉特性指環(huán)路進(jìn)入鎖定狀

18、態(tài)的條件、過程及所需的時(shí)間等。,條件：當(dāng)輸入信號(hào)剛剛加到PLL輸入端時(shí)，有起始頻差：,若 超過某個(gè)數(shù)值 ，環(huán)路將不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，,稱 為PLL的捕捉頻帶。,過程：環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過程，一般有兩個(gè)過程： 頻率牽引和相位鎖定。,時(shí)間：稱從輸入信號(hào)加到環(huán)路的輸入端起，到環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的時(shí)間為捕捉時(shí)間，用 表示。,11-5 鎖相環(huán)路的基本分析,47,同步特性是指在環(huán)路已進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器能跟蹤 輸入信號(hào)頻率變化的范圍，又稱為PLL的非線性跟蹤特性。,當(dāng)環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)后，改變輸入信號(hào)的頻率，由于環(huán)路 的反饋控制作用，壓控振蕩器的頻率將隨輸入信號(hào)頻率變化。 但壓控振蕩器的頻率變化范圍是有

19、限的。,當(dāng)輸入信號(hào)頻率變化超過某一邊界值 后，壓控振蕩器 不再能跟蹤它的變化，環(huán)路將失鎖。通常稱 為同步頻帶 或保持頻帶，它表示了環(huán)路的同步特性。,鎖相環(huán)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。但是，在鎖定情況下的跟蹤過程,可以用線性系統(tǒng)近似處理。,48,分析方法主要采用相平面圖法,這是一種求解非線性微分方程的圖解法， 適用于一階和二階環(huán)路。,在組成環(huán)路的各部件中，僅考慮鑒相器非線性特性。 并假定其特性為正弦函數(shù)。,僅討論一階環(huán)路和采用理想積分濾波器的二階環(huán)路 的捕捉特性。,49,11-5-2 一階環(huán)路的非線性分析,對(duì)于一階PLL:,對(duì)于輸入頻率階躍 時(shí)，一階PLL能鎖定。,50,設(shè) ，以 為自變數(shù)， 為因變數(shù)。,

20、一階環(huán)路，其環(huán)路方程為：,式中 。該式表示的是誤差相位 值不同時(shí)，其時(shí)間變化率是怎樣的。所以，盡管式中沒有表示誤差相位是怎樣隨時(shí)間變化的，但卻完全可以描述反饋控制過程中，誤差相位的變化情況。,下面用圖解法求解該非線性微分方程。,51,以 為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)。據(jù)上式可畫出 的曲線，如下圖所示，稱其為相平面圖。,圖11-5-1,一階環(huán)路 的相平面圖,0,52,曲線與橫軸相交的情況決定于 和 的值。,相軌跡上狀態(tài)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向：在橫軸的上方， 0 ， 表明誤差相位的值將隨時(shí)間的增加而增加。在橫軸下方， 0，表明誤差相位的值隨時(shí)間而減小。,（1）相平面圖的特點(diǎn)：,曲線上的任何一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，

21、稱曲線上的點(diǎn) 為狀態(tài)點(diǎn)，稱曲線為相軌跡。,在曲線與橫軸的交點(diǎn)，a , b , c 點(diǎn)處， = 0 ，,稱為系統(tǒng)的平衡點(diǎn)。,稱 a 和 C 點(diǎn)稱為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，b 點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。,53,（2）一階環(huán)路的非線性分析（相位鎖定過程）,（ ）,當(dāng) 時(shí)，不論 起始為何值，環(huán)路總能達(dá)到 穩(wěn)定平衡點(diǎn)。這就是說，只要滿足 ，環(huán)路就能 進(jìn)入鎖定狀態(tài)，所以一階環(huán)路的捕捉帶為 。,一階環(huán)路的快捕帶 等于捕捉帶。所謂快捕帶是指環(huán)路 在鎖定過程中，誤差相位的變化不超過2 的最大起始頻差。,穩(wěn)定平衡點(diǎn)的表示式為：,若 ，則可得近似式：,它與一階環(huán)路在輸入信號(hào)為頻率階躍時(shí)的穩(wěn)態(tài)相差是一致的。,54,捕捉時(shí)間,為計(jì)算捕捉時(shí)

22、間，可以利用相圖求出與 t 的關(guān)系曲線， 然后求捕捉時(shí)間。,理論上環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定平衡點(diǎn)的時(shí)間是無窮長。,實(shí)際上， 當(dāng) 小于某值時(shí)，認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)。,一階環(huán)路的同步帶 等于捕捉帶 。,55,（3）一階環(huán)路的非線性分析（頻率牽引過程）（ ）,當(dāng) 時(shí)，其相圖如圖11-5-3所示 。 從圖中可以看出，在這種情況下，沒有 = 0的平衡點(diǎn)， 當(dāng)然，也就沒有穩(wěn)定平衡點(diǎn)。 因此，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，稱其為失鎖狀態(tài)。,定性分析：,從,所需時(shí)間為 。,所需時(shí)間為 。,從,56,由圖11-5-3所示曲線可以看出：,在失鎖狀態(tài)下，由于 ， 將連續(xù)變化。,但是由于在不同 值時(shí)，具有不同的 。,所以 的時(shí)間函數(shù)不是具有正斜

23、率的直線。,鑒相器的輸出信號(hào)是非正弦波形，且正、負(fù)值部分不對(duì)稱， 因此其中存在著直流分量，這個(gè)直流分量的大小由下式確定：,這個(gè)直流分量使壓控振蕩器的振蕩頻率向輸入信號(hào)的頻率靠 近，這種現(xiàn)象稱為“頻率牽引”。,57,失鎖狀態(tài)下 和 隨時(shí)間變化的曲線,58,一階環(huán)路的頻率牽引現(xiàn)象,59,11-5-3 二階環(huán)路的非線性分析 （1）相軌跡方程,用相圖法分析二階環(huán)路較一階環(huán)路復(fù)雜，下面以含理想積分 濾波器二階環(huán)路為例說明其原理。,上式稱為采用理想積分濾波器的二階環(huán)路的相軌跡方程。,60,（2）相平面圖上相軌跡的特點(diǎn),當(dāng) 很大時(shí)，上式右端第二項(xiàng)可以略去，相軌跡近似為 正弦形。,當(dāng) = 0 時(shí)，相軌跡的斜率

24、等于 ，即在 軸上， 所有相軌跡曲線的斜率相等。,相軌跡對(duì)呈周期性，周期為 。因此，為了描述環(huán)路性能， 只需作出 的圖形即可。,61,當(dāng) = 0 和 （n為整數(shù)）時(shí)，對(duì)應(yīng)于環(huán)路的穩(wěn)定 平衡點(diǎn)。,當(dāng) = 0 和 （n為整數(shù)）時(shí)，對(duì)應(yīng)于環(huán)路的 不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。,在起始頻差 較大時(shí)，相軌跡近似于正弦波。 每變 化 ， 將有所下降，也即頻差有所減小。從起始狀態(tài) 到進(jìn)入曲線(2)以前是頻率牽引過程。,進(jìn)入曲線(2)后為相位鎖定過程，它使兩者之間的頻率差減小 為零，而保持一固定的相差。,62,相平面圖上相軌跡的特點(diǎn),1,2,3,4,4,63,有源比例積分濾波器（放大器增益有限）,二階環(huán)路的捕捉帶為：,二階環(huán)

25、路的快捕帶為：,環(huán)路的捕捉時(shí)間近似為：,64,11-5 集成鎖相環(huán)介紹,11-5-1 集成鎖相環(huán)分類,模擬環(huán) （APLL）：,通用型（多功能）：VCO，PD，VCO + PD + AMP。,專用型：AM/PM 的解調(diào)，CTV中用的色度信號(hào)同步環(huán)。,數(shù)字環(huán)（DPLL）：,通用型（多功能）：VCO，PD + VCO，PD + 分頻器。,專用型：頻率合成器。,11-5-2 工藝特點(diǎn)與頻率范圍,模擬型-雙極性電路（050MHZ）：NE565（500KHZ);,NE560,NE562(30MHZ);NE564(50MHZ)。,數(shù)字型：雙極性電路(0250MHZ)；CMOS電路(025MHZ)。,65,1

26、1-5-3 實(shí)驗(yàn)用集成鎖相環(huán)NE565電路分析,PD,VCO,AMP,AMP的等效輸出電阻 LF為無源比例積分濾波器。,集成鎖相環(huán)NE565介紹,66,11-5-4 數(shù)字鎖相環(huán),數(shù)字鎖相環(huán)路有如下特點(diǎn)：,1、全部采用數(shù)字電路。受干擾的影響比模擬電路小，使工作的可靠性提高。,2、易于采用大規(guī)模集成電路。,3、在數(shù)字鎖相環(huán)路中，時(shí)鐘源通常不直接受控，不同于模擬鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器直接受誤差信號(hào)的控制。這將有利于提高環(huán)路的性能。,4、應(yīng)用數(shù)字鎖相環(huán)路，在一定范圍內(nèi)可以消除類似于模擬鎖相環(huán)路中壓控振蕩器控制特性的非線性、環(huán)路濾波器傳輸函數(shù)的不穩(wěn)定等的影響，從而改善鎖相環(huán)路的性能。,數(shù)字鎖相環(huán)路或簡記

27、為DPLL（Digital Phase-Locked LooP）。,67,一般數(shù)字鎖相環(huán)路的組成與模擬鎖相環(huán)路相同，即也是由相位檢波器、環(huán)路濾波器和本地振蕩器等基本部件構(gòu)成，但這些部件全部采用數(shù)字電路。其方框圖如圖所示。,相位檢測器,輸入信號(hào),抽樣,數(shù)字濾波器,數(shù)字控制,振蕩器,68,11-6 鎖相環(huán)的應(yīng)用,11-6-1 PLL的基本特性與應(yīng)用領(lǐng)域,（1）鎖定特性：環(huán)路鎖定狀態(tài)時(shí)，VCO跟蹤輸入信號(hào)頻率，只有很小的穩(wěn)態(tài)相差。叫“取樣鎖相環(huán)”。這種環(huán)路可用于頻率合成。,（2）載波跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，那么就稱之為載波跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)路叫“載波跟蹤環(huán)”，或稱“窄帶跟蹤

28、環(huán)”。這種環(huán)路可用于鎖相接收機(jī)。,（3）調(diào)制跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率跟蹤輸入的調(diào)制信號(hào)變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)稱為“調(diào)制跟蹤環(huán)路 ”，或稱“寬帶跟蹤環(huán)”。這種環(huán)路可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)角信號(hào)的解調(diào)。,（4）易于集成化。,（5）主要應(yīng)用領(lǐng)域：窄帶跟蹤接收；鎖相鑒頻；載波恢復(fù)； 頻率合成。,69,11-6-2 窄帶跟蹤濾波器（鎖相接收機(jī)）-載波跟蹤環(huán),（1）空間信號(hào)的基本特性,衛(wèi)星或其它宇宙飛行器向地面發(fā)回的信號(hào)通常都較微弱。,頻率漂移嚴(yán)重（因存在多普勒效應(yīng)與振蕩器中心頻率不穩(wěn)）。,例如：頻率為100MHZ，多普勒頻移為 3KHZ。,信標(biāo)信號(hào)本身頻帶寬度較窄。例如：為6HZ左右。,若

29、使用普通接收機(jī)，帶寬為6KHZ左右。接收機(jī)帶寬比信號(hào) 帶寬大1000倍，接收的噪聲大1000倍，很微弱的信號(hào)被淹沒。,鎖相接收機(jī)的中頻頻率可以跟蹤接收信號(hào)頻率的漂移，而且 帶寬又很窄，故又稱為“窄帶跟蹤濾波器”。,70,（2）方框原理圖,PD,LF,VCO,中放,混頻,倍頻,本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號(hào) ，是高度穩(wěn)定的。,混頻器輸出中頻信號(hào)的頻率與本地中頻參考信號(hào)的頻率相等。,有漂移， 跟蹤 的漂移。,PLL電路設(shè)計(jì)為窄帶（6HZ），故又稱為“窄帶跟蹤濾波器”。,71,（3）跟蹤濾波器的頻率特性,跟蹤范圍,72,11-6-3 用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路-平方環(huán),對(duì)于調(diào)相信號(hào)和數(shù)字相位鍵控信號(hào)，相干解調(diào)是最佳解調(diào) 方式。,實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，需要一個(gè)與輸入信號(hào)頻率相等和有很小相差 的本地參考載波。,如果輸入信號(hào)內(nèi)含有載波頻率分量，則可用一個(gè)帶寬很窄的 濾波器