6.1 反馈控制电路概述
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第六章 反馈控制电路. 6.1 反馈控制电路概述. 6.2 锁相环路性能分析. 6.3 集成锁相环及其应用. 6.1 反馈控制电路概述. 6.1.1 自动电平控制电路 ALC. 6.1.2 自动频率控制电路 AFC. 6.1.3 自动相位控制电路 APC （锁相环 PLL ）. 6.1 反馈控制电路概述. 反馈控制电路是一种自动调节系统，用于保证电子系统 在不同工作条件下，满足规定的技术性能指标。. 基本组成：. 反馈控制器. 控制对象. 设定输入，. 对应目标输出，. 设定关系。. 误差调节量，有差调节。. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
6.1 反馈控制电路概述
第六章 反馈控制电路
6.2 锁相环路性能分析
6.3 集成锁相环及其应用
6.1 反馈控制电路概述
6.1.1 自动电平控制电路 ALC
6.1.3 自动相位控制电路 APC
（锁相环 PLL ）
6.1.2 自动频率控制电路 AFC
6.1 反馈控制电路概述 反馈控制电路是一种自动调节系统，用于保证电子系统在不同工作条件下，满足规定的技术性能指标。
反馈控制器 控制对象
基本组成：
ix oxex
ox
oxix 设定输入， 对应目标输出， )( io xgx 设定关系。
),( oie xxfx 误差调节量，有差调节。
反馈控制电路是一种有误差的控制系统。
分类：按控制对象目标输出量或反馈控制比较和调节量分
ox 电压 / 电流：自动电平控制电路 APC ；
ox
ox
频率：自动频率控制电路 AFC ；
相位：自动相位控制电路 APC ；（锁相环 PLL ）。
反馈控制电路使电子系统的输出（电压 / 电流、频率 / 相位）满足跟预先设定输入的关系。当工作条件发生变化从而导致目标输出产生变化，则通过反馈控制电路将输出与设定目标值比较，二者之间的误差量用作调节控制对象，使输出趋向于目标值。
6.1.1 自动电平控制电路（ ALC ）（ Automatic Level Control Circuit ）
一、工作原理
比较放大器 可控增益放大器
直流放大器 振幅检波器
rv
v
tVv imi cos
tVv omo cosev
1A
omdVA1omdV
d
)(2 evArA
ix
ox
ex 对象反馈控制器
im
ome V
VvA )(2
rom KvV
)( rre vvAv
设定关系：
)( 1 romdr vVAA
rd
edr
om vA
vAA
V 11
11
输入幅度变化，输出幅度稳定。
omV
0omV
omV
evevorrvA
rKv
A
设定输出可控增益特性
反馈控制特性
（ Vim一定）
二、应用1. 自动增益控制电路（ Automatic Gain Control ， AGC ）
高频放大器 混频器 中频
放大器包络
检波器低频
放大器
直流放大器
AGC检波器
)(cos)]([ ttvkVv caims
)(cos)]([ ttvkVv IaomI
rv)( romd vV
d )(tvkad )( evA
ev
输入最小：
输入最大：
输出最小：
输出最大：
增益最大：
增益最小：minimV
maximV maxomVminomV minminmax imom VVA
maxmaxmin imom VVA
设定输入量固定
2. 已调波线性功率放大器
包络检波器
比较放大器
包络检波器
放大和滤波 已调波功率放大器
rv
v
ev
已调波输入
已调波输出
设定输入量（已调波输入）变化
6.1.2 自动频率控制电路（ AFC ）（ Automatic Frequency Control ）
混频器 差频放大器
限幅鉴频器
压控振荡器VCO
放大器
)(tve)(tvi
)(tvo
)(tvd
)(tvc
i 0e
o
一、工作原理 反馈控制器
对象oie 0
)(~0 tvc0~)( ed tv
压控特性
0ee
ro
cv
dv
o o
rocv ,0
鉴频特性
0,0 dee v
压控振荡器自由频率 设定差频频率
同步带（锁定→失锁）、捕捉带（失锁→锁定）
二、应用
1. 自动频率微调电路
混频器
压控振荡器
中频放大器
放大和低通滤波器
限幅鉴频器
包络检波器
调幅波 输入 低频输出
cLI fff
稳定中频频率，通频带裕量减小，提高灵敏度和选择性。
载波跟踪型（慢变化）
2. 调频负反馈解调器
混频器 中频放大器
限幅鉴频器
低通滤波器
压控振荡器
i
e
o
调频波 输入
解调电压输出
tmLLo costmcci cos
tmLmcLcoie cos)()(
tmII cos
调制跟踪型（快变化），解调性能比普通限幅鉴频器好。
6.1.3 自动相位控制电路（ APC ）（ Automatic Phase Control ）
锁相环路（ PLL ）（ Phase Lock Loop ）
鉴相器 低通滤波器
压控振荡器
)(tvi
)(tvo
)(ti)(to
)(tvd
tConstt oie tan)()( 环路锁定时：
0)()(
dt
td
dt
td
dt
d oie )()( tt oi
反馈控制器
对象
一 . 发展历史
20 世纪 30 年代——接收设备锁相同步控制
20 世纪 40 年代——电视接收同步扫描
20 世纪 50 年代——锁相接收机实现卫星通信技术
20 世纪 60 年代——各部件制作费用昂贵，所以它的发展受限制
20 世纪 70 年代——成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要
控制技术
●
●
●
●
●
锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动
反馈控制技术 .
20 世纪 80 年代以后——数字锁相、集成锁相以及频率合成技术，大大推 动数字通信、 卫星通信的发展
●
总之 , 锁相环路是朝着集成化 . 多用化 . 数字化的方向发展。
１ . 具有频率准确跟踪性能
２ . 具有良好窄带高频跟踪性能（称载波跟踪型）
３ . 具有良好的带通滤波性能（称调制跟踪型）
４ . 具有良好门限效应
５ . 易集成化，数字化
二、锁相环路的特点
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
)(tvi
)(tvo
)(tvd )(tvd)(te)(ti
)(to
sindA
)(sin)( tAtv edd )()()( ttt oie
dt
td iri
)(
dt
td oro
)(
二、压控振荡器
)()(
0 tvAdt
tdc
oro
t
co dttvAt00 )()(
p
tvAt c
o
)()( 0
p
A0)(tvc )(0 t
三、环路低通滤波器
)()()( sVsAsV dFc
)()()( tvpAtv dFc )( pAF
)(tvc)(tvd
四、基本环路方程
ri oi ro
)(ti )(te )(to
同步带捕捉带
6.2.2 锁相环路工作状态
锁定→失锁状态：跟踪过程
失锁→锁定状态：捕捉过程
捕捉范围：捕捉带、快捕带
同步范围：同步带 / 跟踪带
r
快捕带
6.2.3 跟踪特性环路锁定状态下的响应特性。此时，输出能快速跟随
输入变化，即误差一般很小， 12 e)()(sin)( tAtAtv ededd 鉴相特性：
环路方程： )()()()( tptpAAAtp ieFode 近似线性微分方程。
闭环传递函数：)(1
)(
)(
)(
)(
)()(
sH
sH
sAAAs
sAAA
s
ssH
o
o
Fod
Fod
i
o
开还传递函数：s
sAAA
s
ssH Fod
e
oo
)(
)(
)()(
误差传递函数：)()()(
)(
)(
)()(
sAAAs
s
ss
s
s
ssH
Fodoe
e
i
ee
一、瞬态响应及稳态相位误差
瞬态响应：在环路锁定状态下，输入频率或相位产生阶跃变 化，环路重新锁定的整个跟踪过程。
稳态相位误差：重新锁定时的相位误差。由终值定理：
)()(lim)(lim)(lim00
sssHsst ies
es
et
e
拉氏反变换： )()()()( 11 ssHLsLt ieee
例如，采用简单 RC 环路滤波器，由表 6-2-1 ，得误差传递函数
22
2
2
2)(
nn
ne ss
sssH
阻尼系数： 2
1
1
2
1
od AA
2
1
odn
AA固有角频率
当 t ＝ 0 时，输入信号频率发生突变 i
则输入相位 tdtt i
t
ii 0)(
相位误差响应：t
n
i
n
ie
net
2)(
稳态相位误差：
od
ii
nie
se AA
sssH
2
)()(lim0
ii t ),(
tt ii )(
i
to
tt n
2
122
12
2
12
2
)1(cos2)1sin(
)1(
21
环路直流 总增益
o t
ee t /)(
1
3.05.07.0
9.0
环路良好的瞬态响应和稳态相位误差，表明环路能在尽可能短的有限时间内快速跟踪输入的变化，并且具有足够小的误差。
二、正弦稳态响应锁定跟踪状态下，输入相位为正弦信号时环路的输出响应。
)sin()( iimi tt )sin()( oomo tt
由闭环传递函数可得频率响应特性：
)(
)()(
j
jjH
im
om
例如，如前简单 RC 环路滤波器，幅频特性为
2222 )2()1(
1)(
nn
H
n
707.0
最大平坦条件
3dB上限频率：2
1
0
AAdnH )707.0(
对于输入相位，环路具有低通滤波特性。
采用不同的环路低通滤波器，上限频率关系式不同。
dBH /)(
6.3 集成锁相环及其应用6.3.1 集成锁相环路主要特点：鉴相器（ PD ）、压控振荡器（ VCO ）内部集成； 环路滤波器参数、 VCO 频率由外部电路确定。
NE562
30MHz
VCO
射极耦合多谐振荡器
控制线性好
6.3.2 锁相环在接收机中的应用一、锁相解调电路
1. 调频波锁相解调电路（无差频率调制跟踪）
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
)(tvi
)(tvo
)(ti)(to
)(tvd )(tvc输入调频信号
输出解调信号
)()()( 0 tvAdttdt coo
)()( sVAss coo
)()( tt oi )(
)()(
s
ssH
i
o
传递函数：
)()()(
)(00
sA
ssH
A
sssV i
oc
频率响应：
)()(
)()(
00
sA
sHss
A
sHi
)()(
)()(
)(00
jA
jHjj
A
jHjV iic
设输入调频波为单音调制：
则相位
tt mi cos)(
)2
cos(sin)(
ttt mmi
相位复数振幅
j
j mim
)(
输出解调电压复振幅
mm
cmA
jH
jA
jHjV
00
. )()(
条件：环路锁定状态； 环路捕捉带必须大于输入 FM 波最大频偏； 环路带宽必须大于输入 FM 波中调制信号频谱带宽； 压控振荡器的控制线性良好。
2. 振幅调制信号的同步检波（载波频率跟踪）
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
同步检波器 相移器
2
)(tvi
)(tv
输入振幅调制信号
输出解调信号
（调幅或者带有导频的单边带信号）
c
二、锁相接收机（载波跟踪）
中频放大器 限幅器 鉴相器混频器
压控振荡器
环路滤波器
频率捕捉电路
di ir
o
窄带滤波器
6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用一、概述晶体振荡器：频率稳定性高，可变性差；压控振荡器：频率稳定性差，可变性好；频率合成器：频率稳定性高，可变性好。
1. 直接合成（ Direct Synthesis ） ：采用混频、倍频、分频和带通滤波器对一组基准晶体振荡频率进行四则运算产生；
频率合成（ Frequency Synthesis ）： 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高稳定离散频率信号的技术。
2. 间接合成（ Indirect Synthesis ）：采用锁相环和频率变换电路由一个或两个基准晶体振荡频率产生；3. 直接数字合成（ Direct Digital Synthesis ）：数字方法
频率合成器主要技术指标：
工作频率范围：由最高和最低输出频率确定。
频率间隔（分辨率）：每个离散频率之间的最小间隔。
频率转换时间：从一个频率转换到另一个频率所需时间。
频率准确度和稳定度
频谱纯度：输出信号接近正弦波的程度。
二、锁相倍频和锁相混频电路锁相频率合成器的基本组成部件
1. 锁相倍频电路
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
分频器N
)(ti )(to
)(' to
io'
o
条件：'oi
No
o
'
鉴相器：
分频器：
倍频输出： io N
i 基准频率，晶体振荡器产生；N分频比，数字可编程分频器改变分频比，输出一系列频率。
分辨率： i
2. 锁相混频电路
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
混频器
)(ti )(toi
中频放大器
L)(tL)(tvL
)(tvi
Lo
Loi 鉴相器：
则iLo
iLo
iLo
Lo
Lo
iLo 输入信号
本振信号
iL iL
L
io
三、锁相频率合成器锁相倍频简单频率合成器的主要缺点：
频率间隔与工作频率范围、最高频率和转换时间的矛盾；
1. 前置分频频率合成器
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
可变分频 前置分频PN
if of
PN
fo
io NPff
P
N 可变分频比
固定分频比
分辨率： iPf
采用前置固定分频器可提高工作频率，但分辨率变差。
可编程分频器 工作频率低
固定分频器工作频率高
晶振
2. 前置混频频率合成器
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
可变分频 混频N
if of晶振
LfLo ff
N
ff Lo iLo Nfff
分辨率： if
但混频器产生组合频率分量，输出频谱纯度下降。
双模分频器和两个可变分频器同时对 脉冲计数，至 A 分频器计满 A个脉冲，切换模式到
3. 双模吞脉冲频率合成器
鉴相器 环路滤波器
压控振荡器
可变分频
双模分频N
if of晶振
可变分频A
模式控制 PP /)1(
双模分频器：
模式控制： )1( P高电平低电平 P
分频比：1P P
可变分频器： AN
第一步： )1( P 分频，
of
P此时， N 分频器剩余计数脉冲为（ N-A ），总计数为 (P+1)A ；
N 分频器计满数后，切换模式到 ，完成一个周期计数。继续以 P 分频比计数至 N 分频器计满 N个脉冲，总计数 P(N-A) 。
第二步：P 分频
)1( P
一周期内总计数即总分频比：APNANPAPN t )()1(
输出频率： io fAPNf )(
分辨率： if
输出频率表达式中没有明显反映 (P+1) 分频，只有 P 分频，好像吞掉了一个脉冲，故称为吞脉冲技术。N 是可变分频，产生 间隔频率变化，提高输出频率范围；A 确定分辨率，即最小频率间隔，称为个位或尾数分频器。
iPf
4. 多环频率合成器
鉴相 环路滤波
VCOA
固定分频
可变分频
鉴相 环路滤波
VCOB
鉴相
带通滤波
混频
环路滤波
VCOC
可变分频BN
AN
100ifaf
of
Af
Bf
Cf
A
B C
iA fN
iB fN
100i
A
fN
Bo ff
100)100(
100i
BABi
BAo
fNNf
ffff
祝同学们：
圣诞快乐！新年好！