第八章 锁相环电路 第八章 锁相环电路 8.1 概述 8.2 锁相环电路的基本原理 8.3 集成锁相环电路 8.4 锁相环电路的应用 8.5 锁相频率合成器 8.7 章末小结 8.6 锁相环电路的选用与实例介绍 第八章 锁相环电路 8.1 概述 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。 由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差， 所以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在 ，即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。 锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制 电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误 差，所以当电路达到平衡状态后，虽然有剩余相位误差存 在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟 踪和相位跟踪。 第八章 锁相环电路 8.2.1 数学模型 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器 三部分组成，被控参量是相位。 锁相环路的组成 8.2 锁相环电路的基本原理 锁相环路的基本原理 第八章 锁相环电路 1.鉴相器 所以， 输出误差电压为： 鉴相器模型及特性曲线 第八章 锁相环电路 2.环路滤波器 环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器 输出电流中的无用组合频率分量及其他干扰分量，以保证 环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。 设环路滤波器的传递函数为H(s)，则有： 将H(s)中的s用微分算子p=d/dt替换，可以写出对应的 微分方程： 环路滤波器数学模型及电路 第八章 锁相环电路 3.压控振荡器 线性关系： VCO输出信号uy(t)的相位： 压控振荡器调频特性及数学模型 第八章 锁相环电路 4.环路相位模型 统一方程式： 锁相环路相位模型 对两边微分： 上式称为基本环路方程。 第八章 锁相环电路 8.2.2跟踪过程与捕捉过程分析 1.环路的跟踪过程 在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬时 频差，从而使瞬时相差发生变化，则环路将及时调节误差电压 去控制VCO，使VCO输入信号频率随之变化，即产生新的控 制频差，使VCO输入频率及时跟踪输入信号频率。 当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，继续维 持锁定,这就是跟踪过程。 在锁定后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差 (或 ) 称为跟踪或同步带。 第八章 锁相环电路 2.环路的捕捉过程 环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。 捕捉过程中ue(t)的波形变化 锁相环路的线性化相位模型 第八章 锁相环电路 当环路处于跟踪状态时，只要|e(t)|/6，则有 sine(t)e(t)，可认为环路处于线性跟踪状态。 基本环路方程可写为： 对其求拉氏变换，得到： 闭环传递函数为： 误差传递函数为： 第八章 锁相环电路 环路的捕捉、跟踪与锁定 第八章 锁相环电路 8.3 集成锁相环电路 概述 集成锁相环路的特点是不用电感线圈，依靠调节 环路滤波器和环路增益，可对输入信号的频率和相位 进行自动跟踪，对噪声进行窄带过滤，现以成为继运 算放大器之后第二种通用的集成器件。 集成锁相环路有两大类，一类是主要由模拟电路 组成的模拟锁相环，另一类是主要由数字电路组成的 数字锁相环。每一类按其用途又可分成通用型和专用 型。 第八章 锁相环电路 1.射极耦合多谐振荡器 射极耦合多谐振荡器电路 电路图与波形图 第八章 锁相环电路 2. L562集成锁相环电路 8.4锁相环电路的应用 概述 锁相环路主要的优良性能和应用领域如下： (1)良好的频率跟踪特性。 (2)相位锁定时无剩余频差。 (3)良好的低门限特性。 第八章 锁相环电路 1.锁相倍频、分频和混频 锁相倍频电路的组成 锁相混频电路的组成 第八章 锁相环电路 2.锁相调频与鉴频 锁相直接调频电路的组成 锁相鉴频电路的组成 第八章 锁相环电路 设输入调频信号为： 调节VCO中心角频率y0，使y0=c，则有： 因为 所以 第八章 锁相环电路 uc(t)经拉氏变换为： 又可写成： 取拉氏反变换，得到： 请看例题 第八章 锁相环电路 8.5 锁相频率合成 输出角频率为： 频率转换时间的经验公式为： 单环频率合成器的组成 第八章 锁相环电路 例8.7 图示是一个双环频率合成器，由两个锁相环 和一个混频滤波电路组成。两个参考频率fr1=1kHz， fr2=100kHz。可变分频器的分频比范围分别为 n1=1000011000，n2=7201000。固定分频器的分 频比n3=10。求输出频率fy的频率调节范围和步长(即频率 间隔)。 第八章 锁相环电路 解：环路是锁相倍频电路。 输出频率f01=n1fr1 f01经过n3固定分频后，输出 f02经过n3可变分频后，输出 设混频器输出端用带通滤波器取出和频信号，则有 第八章 锁相环电路 环路也是锁相倍频电路，所以输出频率 由上式可见，输出合成频率fy由两部分之和组成。前一 部分n2fr2调节范围为72MHz100MHz，频率间隔0.1MHz ，后一部分n1fr1/ n3的调节范围为1MHz1.1MHz，频率 间隔100Hz。所以，fy的总调节范围为73MHz101.1MHz， 步长为100Hz，总频率数为281000个。环路的输入参考 频率为1kHz，环路的输入参考频率为101101.53kHz， 则可求的最大转换时间为25ms。 第八章 锁相环电路 锁相环电路实际应用（举例） 1、锁相环在空间技术中的应用 第八章 锁相环电路 2、锁相环在稳频技术中的应用 第八章 锁相环电路 8.6 集成锁相环路的选用与实例介绍 请参考书中：P216P218。 第八章 锁相环电路 8.7 章末小结 (1)反馈控制电路是一个闭环负反馈系统，它可以获取 输入信号动态范围的扩大(AGC)，输出信号的稳定(AFC和 PLL)以及其他一些性能良好的电路功能。 (2)AGC电路、AFC电路和PLL电路的被控参量分别是 信号的电平、频率和相位，在组成上分别采用电平比较器、 鉴频器和鉴相器取出误差信号，然后分别控制放大器的增 益、VCO的振荡频率和相位，分别使输出信号的电平、频 率和相位稳定在一个预先规定的参量上，或者跟踪参考信 号的变化。 第八章 锁相环电路 (3)AGC、AFC和PLL电路中环路带宽的设计是非常 重要的。 (4)在分析和设计反馈控制电路时，应选择正确的被控 参量，画出原理方框图。 (5)目前实用的反馈控制电路大都已经集成化，仅需外 接少量元件即可组成，实现比较简单。 (6)锁相环路作为一种无频差的反馈控制电路，且又易 于集成，在实际应用上以日益广泛。 课后作业：习题8.1、8.3、8.4、8.7 第八章 锁相环电路 例8.1 某接收机输出信号振幅的动态范围是62dB ，输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器 的增益控制倍数为20dB，需要多少级AGC电路才能满 足要求？ 解： 第八章 锁相环电路 所以，需要三级AGC电路。 第八章 锁相环电路 例8.2 在图示AGC电路方框图中，ux和uy分别是输出 和输入信号，参考信号UR=1V，可控增益放大器的增益 Ag(uc)=1+0.3uc，即理想的要求是增益为1。若输入信号 振幅Ux变化范围为1.5dB时，要求输出信号振幅Uy变化 范围限制在0.05dB以内，试求直流放大器增益k1的最小 值应是多少？ 第八章 锁相环电路 解：由图示方框图可写出有关参量之间的关系式。 因为 又 所以 代入已知数据，可求得： 第八章 锁相环电路 由AGC原理可知，Uy随Ux的增大(或减小)而增大 (或减小)。所以，当Ux变化+1.5dB时，要求Uy变化不 超过+0.05dB，转换成倍数，分别为1.189和1.006。 这时： 当Ux变化-1.5dB时，要求Uy变化不超过-0.05dB， 转换成倍数，分别为0.841和0.994。这时： 如果要求同时满足以上两个条件，则要求k1101。 第八章 锁相环电路 例8.6 图示为锁相环鉴频电路。已知kb=250mV/rad， kc=50103rad/sV，k1=40，有源低通滤波器的参数 R1=17.7k，R2=0.94k，C=0.03F。若环路输入调频 信号为ui(t)=Umsinct+10sin(2103t)，求放大器输出 1kHz单频调制信号的电压振幅。 第八章 锁相环电路 解：图示有源低通滤波器又称为有源理想积分滤波器， 其传递函数： 其中，1=R1C，2=R2C，代入R1，R2，C的数据， 可求得： 闭环传递函数： 有 第八章 锁相环电路 将T(s)转换成T(j)，取调制信号角频率2103rad ，则可求得1kHz频率处的幅频特性值：T(j2103)1。 上式说明，对于1kHz的调制信号，该锁相环闭环传递 函数的幅值近似为1，相位近似为零。 放大器输出电压uc(t)即为解调信号，有 又 所以 所求电压振幅Ucm=0.4V。