普通高等教育普通高等教育普通高等教育普通高等教育“ “十五十五十五十五” ”国家级规划教材（高职高专教育）国家级规划教材（高职高专教育）国家级规划教材（高职高专教育）国家级规划教材（高职高专教育） 第第1章章 绪论绪论第第2章章 小信号选频放大器小信号选频放大器第第3章章 高频功率放大器高频功率放大器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第5章章 振幅调制、解调与混频电路振幅调制、解调与混频电路第第6章章 角度调制与解调电路角度调制与解调电路第第7章章 反馈控制系统反馈控制系统 1.1 通信与通信系统通信与通信系统 1.2 非线性电子线路的基本概念非线性电子线路的基本概念 本章小结本章小结 1.1 通信与通信系统主要要求：主要要求： 了解通信系统的基本组成及各组成部分的作用了解通信系统的基本组成及各组成部分的作用了解无线广播通信系统的基本组成及各组成部了解无线广播通信系统的基本组成及各组成部分的作用分的作用 理解通信系统中为何要采用调制技术理解通信系统中为何要采用调制技术1.1.1 通信系统的基本组成信源信源输入输入变换器变换器发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备输出输出变换器变换器输输出出通信：通信： 发送者与接收者之间的信息传递发送者与接收者之间的信息传递通信系统：用电信号或光信号传输信息的系统通信系统：用电信号或光信号传输信息的系统通信系统基本组成通信系统基本组成基带信号基带信号 (低频信号低频信号)调制调制已调信号已调信号(高频信号高频信号)噪声与干扰噪声与干扰解调解调基带信号基带信号通信系统应用举例：手机、电话、电视、广播通信系统应用举例：手机、电话、电视、广播1.1.2 无线电发送与接收设备一、无线电广播发送设备一、无线电广播发送设备振荡器：产生高频信号振荡器：产生高频信号倍频器：将振荡器产生的高频信号频率整数倍升高倍频器：将振荡器产生的高频信号频率整数倍升高 到所需的载波信号频率到所需的载波信号频率振幅调制器：将输入的高频载波信号和低频调制信号变换成高频已振幅调制器：将输入的高频载波信号和低频调制信号变换成高频已调信号，并以足够大的功率输送到天线，然后辐射到空间。调信号，并以足够大的功率输送到天线，然后辐射到空间。调制放大器调制放大器:由低频电压和功率放大级组成由低频电压和功率放大级组成,用来放大话筒所产生的微用来放大话筒所产生的微弱信号，并送入调制器。弱信号，并送入调制器。调幅广播发送调幅广播发送设备组成设备组成二、无线电调幅广播接收设备二、无线电调幅广播接收设备 超外差式调幅接收机组成框图超外差式调幅接收机组成框图 高频放大器输出载频高频放大器输出载频fC的已调信号，本机振荡器提供频率为的已调信号，本机振荡器提供频率为fL的高频等幅信号，的高频等幅信号，它们同时送入混频器。在其输出端可获得频率较低的中频已调信号，通常取中频频率它们同时送入混频器。在其输出端可获得频率较低的中频已调信号，通常取中频频率fI= fL - fC 。 中频放大器为中心频率固定在中频放大器为中心频率固定在fI上的选频放大器，它进一步滤除无用信上的选频放大器，它进一步滤除无用信号，并将有用信号放大到足够值。号，并将有用信号放大到足够值。 检波器对中频放大器送来的信号进行解调，可恢复出原基带信号，然检波器对中频放大器送来的信号进行解调，可恢复出原基带信号，然后经低频放大器后输出。后经低频放大器后输出。 高频放大器对天线所接收的信号进行初步的选择，抑制无用频率的信高频放大器对天线所接收的信号进行初步的选择，抑制无用频率的信号，而将所需频率的信号加以放大。号，而将所需频率的信号加以放大。 用基带信号去控制高频信号的某一参数，使该参数按照基带信号的规律用基带信号去控制高频信号的某一参数，使该参数按照基带信号的规律变化的过程，称为调制。变化的过程，称为调制。 基带信号也称为调制信号；未调制的高频信号称为载波信号；基带信号也称为调制信号；未调制的高频信号称为载波信号； 经调制经调制后的高频信号称为已调信号。后的高频信号称为已调信号。 用基带信号去控制高频信号的用基带信号去控制高频信号的振幅振幅，称为称为调幅调幅 AM 频率频率，称为称为调频调频 FM 相位相位，称为称为调相调相 PM三、调制的概念与作用三、调制的概念与作用振幅调制波形振幅调制波形基带信号波形基带信号波形载波信号波形载波信号波形已调信号波形已调信号波形载波信号载波信号调制信号调制信号将单音调制的调幅波表达式用三角函数关系展开，则得将单音调制的调幅波表达式用三角函数关系展开，则得得幅度频谱为得幅度频谱为 已调信号均占据一定的已调信号均占据一定的频带宽度。频带宽度。为何要调制？为何要调制？为何要调制？为何要调制？1. 天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。例如例如 f = 1 kHz，则，则天线长度需大于天线长度需大于30km ，显然是不现实的。，显然是不现实的。又如语音频率范围又如语音频率范围 20Hz 20kHz ， 对应波长对应波长15000km15km，直接进行传输是不现实的。，直接进行传输是不现实的。2. 实现信道的频率复用实现信道的频率复用1.1.3 无线电波段的划分和无线电波的传播一、无线电波段的划分一、无线电波段的划分波段名称波段名称波长范围波长范围频率范围频率范围频段名称频段名称超长波超长波100 10 km3 30 kHz甚低频甚低频VLF长波长波中波中波短波短波超短波超短波(米波米波)10 1 km1000 200 m200 10 m10 1 m30 300 kHz0.3 1.5 MHz1.5 30 MHz30 300 MHz低频低频 LF中频中频 MF高频高频 HF甚高频甚高频VHF微微波波分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波亚毫米波亚毫米波100 10 cm10 1 cm10 1 mm1 0.1 mm0.3 3 GHz3 30 GHz30 300 GHz300 3000 GHz特高频特高频UHF超高频超高频SHF极高频极高频EHF超极高频超极高频光波光波100 1 m3 300 THz1T=1012无线电波在空中传播的速度和光速相同无线电波在空中传播的速度和光速相同,为为c=3108m/s,高频信号的频率高频信号的频率f(Hz) 与其波长与其波长（m）的关系为：的关系为：中波中波AM广播典型频率范围广播典型频率范围 526.5kHz1605.5kHzAM广播短波典型频率范围广播短波典型频率范围 3.226.1MHzFM广播典型频率范围广播典型频率范围 87108MHz沿地面传播沿地面传播中、长波、超长波中、长波、超长波特特 点点传输特性稳定，传输特性稳定，传输距离远传输距离远( (地波地波) )沿空间沿空间直线传播直线传播（视距传播）（视距传播）超短波以上超短波以上传输距离短传输距离短( (空间波空间波) )依靠电离依靠电离层传播层传播电离层电离层1.5MHz30MHz短波短波( (天波天波) )传输距离远，传输距离远，传输特性不稳定传输特性不稳定二、无线电波的传播二、无线电波的传播波段名称波段名称传播传播主要应用主要应用超长波超长波地波地波潜艇通信、远洋通信、远程导航、潜艇通信、远洋通信、远程导航、发送标准时间信号等发送标准时间信号等长波长波地波地波除上述外，还用于低下通信除上述外，还用于低下通信中波中波地波为主地波为主广播、导航、船舶通信、飞行通信、船港通信等广播、导航、船舶通信、飞行通信、船港通信等短波短波天波为主天波为主中远距离的广播与通信等中远距离的广播与通信等超短波超短波(米波米波)空间波空间波调频广播、电视、移动通信、雷达、导航等调频广播、电视、移动通信、雷达、导航等微微波波分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波亚毫米波亚毫米波空间波空间波电视、雷达、卫星通信、中继通信等电视、雷达、卫星通信、中继通信等光波光波无线电波的传播方式及其应用无线电波的传播方式及其应用1.2 非线性电子线路的基本概念主要要求：主要要求： 理解非线性电路与线性电路的概念、差别。理解非线性电路与线性电路的概念、差别。理解非线性电路的特点。理解非线性电路的特点。 1.2.1 线性与非线性电路 线性电路线性电路 全部由线性或处于线性工作状态的元器件全部由线性或处于线性工作状态的元器件组成的电路。组成的电路。 非线性电路非线性电路 至少含有一个元器件是非线性的或处于非线性工作状态至少含有一个元器件是非线性的或处于非线性工作状态的电路。的电路。 线性元件：线性元件： R、L、C 非线性元件：非线性元件： 二极管、三极管二极管、三极管.uiOUIuiOIQUQQ u i线性电阻器件与非线性电阻器件特性曲线线性电阻器件与非线性电阻器件特性曲线1.2.1 线性与非线性电路 线性电路线性电路 全部由线性或处于线性工作状态的元器件全部由线性或处于线性工作状态的元器件组成的电路。组成的电路。 非线性电路非线性电路 至少含有一个元器件是非线性的或处于非线性工作状态至少含有一个元器件是非线性的或处于非线性工作状态的电路。的电路。 线性元件：线性元件： R、L、C 非线性元件：非线性元件： 二极管、三极管二极管、三极管. 非线性元件在正弦波作用下的波形非线性元件在正弦波作用下的波形uiOIQUQQnttiO设设 i = a u2当当u = u1 + u2则则 i = a (u12+ u22 + 2u1u2) i = a(U21mcos2 1t + U22mcos2 2t + 2U1mU2mcos 1t cos 2t)设设 u1 = U1m cos 1tu2 = U2m cos 2t ，则则直流成分直流成分直流成分直流成分二次谐波二次谐波二次谐波二次谐波频率和分量频率和分量频率和分量频率和分量频率差分量频率差分量频率差分量频率差分量1. 能产生新的频率分量能产生新的频率分量, 具有频率变换作用具有频率变换作用;2. 不能采用迭加定理加以分析不能采用迭加定理加以分析;3. Q 合适且信号小时合适且信号小时,可按线性电路处理。可按线性电路处理。1.2.2 非线性电路的基本特点通常采用工程近似解析法加以分析通常采用工程近似解析法加以分析本章小结用电信号（或光信号）传输信息的系统称为通信系统，它由信源，输入、输出用电信号（或光信号）传输信息的系统称为通信系统，它由信源，输入、输出变换器，发送、接收设备和信道组成。根据信道不同，可分为有线通信系统和变换器，发送、接收设备和信道组成。根据信道不同，可分为有线通信系统和无线通信系统。无线通信系统。为了改善系统性能、实现信号的有效传输及信道复用，通信系统中广泛采用调制为了改善系统性能、实现信号的有效传输及信道复用，通信系统中广泛采用调制技术。调制即用待传输的基带信号去改变高频载波信号的某一参数的过程。技术。调制即用待传输的基带信号去改变高频载波信号的某一参数的过程。用基用基带信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。带信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。基带信号也称为调制信号，未调制的基带信号也称为调制信号，未调制的高频信号称为载波信号，经调制后的高频信号称为已调信号。已调信号均占据一高频信号称为载波信号，经调制后的高频信号称为已调信号。已调信号均占据一定的频带宽度。定的频带宽度。非线性电子线路是包含有非线性电子元器件的电路。其基本特点是：能够产非线性电子线路是包含有非线性电子元器件的电路。其基本特点是：能够产生新的频率分量，具有频率变换作用；电路分析时不适用叠加定理，但当作生新的频率分量，具有频率变换作用；电路分析时不适用叠加定理，但当作用信号很小、工作点取得适当时，非线性电路也可近似按线性电路进行分析。用信号很小、工作点取得适当时，非线性电路也可近似按线性电路进行分析。作业：作业： 2.1 谐振回路谐振回路 2.2 小信号谐振放大器小信号谐振放大器 2.3 集中选频放大器集中选频放大器 本章小结本章小结2.1 谐振回路谐振回路作用：选择信号；阻抗变换。作用：选择信号；阻抗变换。应用：调谐放大、高频功放、振荡、调制、混频等应用：调谐放大、高频功放、振荡、调制、混频等主要要求：主要要求： 掌握并联谐振回路的选频特性及其主要参数的计算。掌握并联谐振回路的选频特性及其主要参数的计算。理解回路理解回路Q值、信号源、负载等对回路特性的影响。值、信号源、负载等对回路特性的影响。了解变压器、电感分压器、电容分压器等常用了解变压器、电感分压器、电容分压器等常用阻抗阻抗变换电路及其阻抗变换的关系。变换电路及其阻抗变换的关系。2.1 谐振回路谐振回路2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性一、一、 LC 并联谐振回路阻抗频率特性并联谐振回路阻抗频率特性Is.LCIs.LrCL L 的等效的等效的等效的等效损耗电阻损耗电阻损耗电阻损耗电阻Z+Uo 并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路的等效阻抗的等效阻抗的等效阻抗的等效阻抗时，回路并联谐振时，回路并联谐振谐振频率：谐振频率：谐振阻抗：谐振阻抗：r r 0 0 时时时时, , 回路呈容性，相移为负；回路呈容性，相移为负；回路呈容性，相移为负；回路呈容性，相移为负； 0 0 时时时时, , 回路呈感性，相移为正；回路呈感性，相移为正；回路呈感性，相移为正；回路呈感性，相移为正；-90o 1/ C2, 可忽略可忽略RL 的分流的分流,则得则得 例例2.1.3 下图中，线圈匝数下图中，线圈匝数 N12 = 10 匝，匝， N13 = 50 匝，匝，N45 = 5 匝，匝，L13= 8.4 H, C = 51 pF, Q =100, Is = 1 mA , Rs =10 k , RL= 2.5 k , 求有载品质因数求有载品质因数Qe、通频带、通频带BW0.7、谐振输出电压、谐振输出电压Uo。= 250 k = 250 k 解：解：将将Is 、RS 、 RL均折算到并联谐振回路均折算到并联谐振回路1-3两端两端k = 40.6 k Re = Rs / Rp /RL= 30.6 k 由折算前后信号源输出功率相等，可得由折算前后信号源输出功率相等，可得作业：作业：1. LC并联谐振回路有何基本特性并联谐振回路有何基本特性?说明说明Q对对回路特性的影响。回路特性的影响。思考讨论题思考讨论题解：解：并联谐振回路具有谐振特性，当外加信号频率与回路谐并联谐振回路具有谐振特性，当外加信号频率与回路谐振频率相等，即回路调谐时，回路两端输出电压为最大，且振频率相等，即回路调谐时，回路两端输出电压为最大，且相移为零；当外加频率与回路谐振频率不相等时，即回路失相移为零；当外加频率与回路谐振频率不相等时，即回路失谐时，回路两端输出电压迅速下降，相移值增大。谐时，回路两端输出电压迅速下降，相移值增大。 利用回路的谐振特性，通过调谐，可以从各种不同信号利用回路的谐振特性，通过调谐，可以从各种不同信号频率的信号总和中选出有用信号、滤除无用信号，这称为谐频率的信号总和中选出有用信号、滤除无用信号，这称为谐振回路的选频作用。振回路的选频作用。 当谐振回路当谐振回路Q值越大，回路谐振频率越尖锐，其选频作用值越大，回路谐振频率越尖锐，其选频作用越好，但通频带将会变窄。越好，但通频带将会变窄。思考讨论题思考讨论题2.并联谐振回路的品质因数是否越大越好？说明如何选择并联并联谐振回路的品质因数是否越大越好？说明如何选择并联谐振回路的有载品质因数谐振回路的有载品质因数Qe的大小。的大小。解：解：并联谐振回路的品质因数不是越大越好。因为并联谐振回路的品质因数不是越大越好。因为Qe值增大值增大后虽然抑制带外干扰信号能力增强，但通频带也随之变小，后虽然抑制带外干扰信号能力增强，但通频带也随之变小，因此，在实际应用中，为了保证有良好的选择性，应在满足因此，在实际应用中，为了保证有良好的选择性，应在满足通频带的要求下，力求增大回路的有载品质因数，即可按通频带的要求下，力求增大回路的有载品质因数，即可按Qe f0/BW0.7来选择回路的有载品质因数。来选择回路的有载品质因数。2.2 小信号谐振放大器小信号谐振放大器 指指以以谐振回路为选频网络谐振回路为选频网络的高频小信号放大器，也称小信的高频小信号放大器，也称小信号调谐放大器。号调谐放大器。2.2 小信号谐振放大器小信号谐振放大器主要要求：主要要求： 掌握单调谐回路谐振放大器的组成、工作原理掌握单调谐回路谐振放大器的组成、工作原理和性能特点和性能特点，了解其主要性能指标。，了解其主要性能指标。了解多级单谐振回路谐振放大器。了解多级单谐振回路谐振放大器。了解谐振放大器的稳定性。了解谐振放大器的稳定性。2.2.1 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器保证晶体管工保证晶体管工作在甲类状态作在甲类状态晶体管的输出及负载电阻晶体管的输出及负载电阻均通过阻抗变换电路接入。均通过阻抗变换电路接入。一、一、 工作原理工作原理GieCieGoeCoe自耦变压器匝比自耦变压器匝比变压器初次级匝比变压器初次级匝比小信号电路模型小信号电路模型gmIEQmA/26mV变换后电路模型变换后电路模型CieGie回路的有载谐振电导回路的有载谐振电导当当LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上时，回路产生谐振，并联谐振回路调谐在输入信号频率上时，回路产生谐振，放大器输出电压最大，电压增益也最大，谐振电压增益为放大器输出电压最大，电压增益也最大，谐振电压增益为放大器的增益频率特性放大器的增益频率特性增益频率特性曲线增益频率特性曲线BW0.7=f0/Qe，K0.1=10，选择性较差。选择性较差。作业：作业：二、单调谐放大器稳定性的提高二、单调谐放大器稳定性的提高谐振回路阻抗随频率剧烈变化的特性使这种内反馈随频率变谐振回路阻抗随频率剧烈变化的特性使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，化而剧烈变化，使放大器的幅频特性发生变形，增益、通频使放大器的幅频特性发生变形，增益、通频带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条件，产生自激振荡。因此会导致放大器工作不稳定。件，产生自激振荡。因此会导致放大器工作不稳定。为减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用为减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射共射-共基组合电路构成调谐放大器。共基组合电路构成调谐放大器。 共基电路共基电路输入阻抗很小，输入阻抗很小，使共射电路的输出小，因此通使共射电路的输出小，因此通过内反馈对输入端产生的影响过内反馈对输入端产生的影响小，故可提高稳定性。小，故可提高稳定性。2.2.2 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器一、同步调谐放大器一、同步调谐放大器每级谐振回路均调谐在同一频率上每级谐振回路均调谐在同一频率上 各级谐振回路调谐在不同频率上各级谐振回路调谐在不同频率上 同步调谐放大器同步调谐放大器 参差调谐放大器参差调谐放大器 总电压放大倍数总电压放大倍数谐振时总电压放大倍数谐振时总电压放大倍数以分贝表示谐振时总电压增益，则以分贝表示谐振时总电压增益，则多级同步调谐放大器增益特性曲线多级同步调谐放大器增益特性曲线级数越多，则谐振增益越大，选择性越好，通频带越窄。级数越多，则谐振增益越大，选择性越好，通频带越窄。每级的通频带比总的通频带宽。每级的通频带比总的通频带宽。二、双参差调谐放大器二、双参差调谐放大器单级幅频特性单级幅频特性合成幅频特性合成幅频特性调谐到略调谐到略高于信号高于信号中心频率中心频率调谐到略调谐到略低于信号低于信号中心频率中心频率f1= f0 + ff2= f0 - f总幅频特性更接近于矩形，选择性比单调谐放大器好。总幅频特性更接近于矩形，选择性比单调谐放大器好。 每两级为一组，组内各级调谐在不同频率上，如此级联组每两级为一组，组内各级调谐在不同频率上，如此级联组成的多级放大器称为双参差调谐放大器。成的多级放大器称为双参差调谐放大器。2.3 集中选频放大器集中选频放大器主要要求：主要要求： 了解集中选频放大器的组成和性能特点了解集中选频放大器的组成和性能特点了解了解陶瓷滤波器和声表面波滤波器的工作原理陶瓷滤波器和声表面波滤波器的工作原理2.3.1 集中选频滤波器集中选频滤波器一、一、 陶瓷滤波器陶瓷滤波器工艺：工艺：陶瓷焙烧陶瓷焙烧 片状片状 两面涂银两面涂银直流高压极化直流高压极化 具有具有压电效应压电效应 当陶瓷片发生机械变形时，当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产其表面会产生电荷，两电极间产生电压；而当陶瓷片两电极间加生电压；而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。上电压时，它会产生机械变形。 当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。材料：材料：由锆钛酸铅陶瓷材料制成由锆钛酸铅陶瓷材料制成电路符号和等效电路电路符号和等效电路Co 压电陶瓷片的固定电容压电陶瓷片的固定电容Lq 机械振动时的晶体的等效质量机械振动时的晶体的等效质量Cq 机械振动时的等效弹性系数机械振动时的等效弹性系数rq 机械振动时的等效阻尼机械振动时的等效阻尼阻抗频率特性阻抗频率特性串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率等效阻抗等效阻抗 20 ，最小。，最小。等效阻抗最大。等效阻抗最大。构成四端陶瓷滤波器，构成四端陶瓷滤波器，Q值比一般值比一般LC回路的高，可获得接回路的高，可获得接近矩形的幅频特性。下图分别为由两个和近矩形的幅频特性。下图分别为由两个和9个陶瓷片组成个陶瓷片组成的四端陶瓷滤波器。的四端陶瓷滤波器。陶瓷滤波器：工作频率为陶瓷滤波器：工作频率为 几百几百kHz 几十几十MHz 使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配 其输出阻抗须与负载阻抗匹配。其输出阻抗须与负载阻抗匹配。优点：优点：体积小、成本低、受外界影响小。体积小、成本低、受外界影响小。缺点：缺点：频率特性较难控制，生产一致性较差，频率特性较难控制，生产一致性较差，BW不够宽。不够宽。石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q值高很多，因值高很多，因此频率特性好，但价格较高。此频率特性好，但价格较高。二、二、 声表面波滤波器声表面波滤波器 声表面波滤波器优点声表面波滤波器优点： 体积小、重量轻、性能稳定、特性一致性好、工作频体积小、重量轻、性能稳定、特性一致性好、工作频率高（几率高（几MHz几几GHz）、通频带宽、抗辐射能力强、）、通频带宽、抗辐射能力强、动态范围大等。动态范围大等。 实用的声表面波滤波器的矩形系数可小于实用的声表面波滤波器的矩形系数可小于1.2，相对，相对带宽可达带宽可达50%。 声表面波滤波器是声表面波（用声表面波滤波器是声表面波（用SAW 表示）器件的表示）器件的一种。一种。 SAW 器件是一种利用弹性固体表面传播机械振动器件是一种利用弹性固体表面传播机械振动波的器件。波的器件。 它以铌酸它以铌酸锂、锆钛酸铅和锂、锆钛酸铅和石英等压电材料石英等压电材料为基片，利用真为基片，利用真空蒸镀法，在基空蒸镀法，在基片表面形成叉指片表面形成叉指形金属膜电极，形金属膜电极，称为叉指电极。称为叉指电极。 加输入信号时，叉指电极间便产生交变电场，由于压电效加输入信号时，叉指电极间便产生交变电场，由于压电效应的作用，使基片表面产生弹性形变，应的作用，使基片表面产生弹性形变，激发出与输入信号同频激发出与输入信号同频率的声表面波，它沿基片表面传播至收端率的声表面波，它沿基片表面传播至收端，由于压电效应的作，由于压电效应的作用，在收端的叉指电极间得到电信号，并传送给负载。用，在收端的叉指电极间得到电信号，并传送给负载。声表面波滤波器的结构与工作原理声表面波滤波器的结构与工作原理2.3.2 集中选频放大器应用举例集中选频放大器应用举例输输入端入端变压变压器耦合器耦合射极射极输输出器出器实现阻实现阻抗匹配抗匹配展展宽宽通通频带频带陶瓷滤波器选频放大器陶瓷滤波器选频放大器 并并联谐联谐振回路振回路调谐调谐在陶瓷在陶瓷滤滤波器主波器主谐谐振振频频率上，以消除率上，以消除陶瓷陶瓷滤滤波器通波器通带带外出外出现现的小的小谐谐振峰。振峰。声表面波滤波器选频放大器声表面波滤波器选频放大器L1 与分布电容并联谐振于中心频率。与分布电容并联谐振于中心频率。L2、L3为匹配电感，用于抵消为匹配电感，用于抵消SAWF 输入、输出端分布电容的输入、输出端分布电容的影响，以实现阻抗匹配。影响，以实现阻抗匹配。 C1 、C2、C3 均为隔直耦合电容。均为隔直耦合电容。 R2 、C4 为电源去耦滤波电路。为电源去耦滤波电路。本章小结本章小结LC 谐振回路具有选频作用。回路谐振时，回路阻抗为纯电谐振回路具有选频作用。回路谐振时，回路阻抗为纯电阻，可获得最大电压输出；当回路失谐时，输出电压迅速阻，可获得最大电压输出；当回路失谐时，输出电压迅速减小。回路的品质因数越高，回路谐振曲线就越尖锐，选减小。回路的品质因数越高，回路谐振曲线就越尖锐，选择性越好，但通频带越窄。择性越好，但通频带越窄。LC并联并联谐振回路在谐振时阻抗最大且相移为零，呈纯电阻；谐振回路在谐振时阻抗最大且相移为零，呈纯电阻；当当 0时，时，阻抗相移小于零（最大负值趋于阻抗相移小于零（最大负值趋于-90 ），），回路呈容性。回路呈容性。信号源和负载会使回路的有载品质因数下降，选择性变坏，信号源和负载会使回路的有载品质因数下降，选择性变坏，同时使回路谐振频率产生偏移。为了减小信号源和负载对回同时使回路谐振频率产生偏移。为了减小信号源和负载对回路的影响，常采用变压器、电感分压器、电容分压器等阻抗路的影响，常采用变压器、电感分压器、电容分压器等阻抗变换电路。变换电路。小信号谐振放大器由放大器件和小信号谐振放大器由放大器件和LC 谐振回路组成，具有选谐振回路组成，具有选频放大作用，工作在甲类。主要技术指标有谐振增益、通频频放大作用，工作在甲类。主要技术指标有谐振增益、通频带、选择性。带、选择性。通频带和选择性是互相制约的，用以综合说明通频带和选择性是互相制约的，用以综合说明通频带和选择性的参数是矩形系数，它越接近通频带和选择性的参数是矩形系数，它越接近1越好。越好。单调谐放大器的性能与谐振回路的特性有密切关系。回路的单调谐放大器的性能与谐振回路的特性有密切关系。回路的品质因数越高，放大器的谐振增益就越大，选择性越好，但品质因数越高，放大器的谐振增益就越大，选择性越好，但通频带会变窄。在满足通频带的前提下，应尽量增大回路品通频带会变窄。在满足通频带的前提下，应尽量增大回路品质因数。质因数。由于晶体管结电容的内反馈和电路中的寄生反馈，加之回路由于晶体管结电容的内反馈和电路中的寄生反馈，加之回路阻抗特性随频率的剧烈变化，易使谐振放大器工作不稳定，阻抗特性随频率的剧烈变化，易使谐振放大器工作不稳定，因此应采用措施保证放大器工作的稳定性，例如不单纯追求因此应采用措施保证放大器工作的稳定性，例如不单纯追求最大放大量、采用共射最大放大量、采用共射-共基组合电路等。共基组合电路等。集中选频放大器由集成宽带放大器、集中选频滤波器构成，集中选频放大器由集成宽带放大器、集中选频滤波器构成，它具有接近理想矩形的幅频特性。它具有接近理想矩形的幅频特性。 3.1 谐振功率放大器的工作原理 3.2 谐振功率放大器的特性分析 3.3 谐振功率放大器电路 3.4 丁类谐振功率放大器与丙类倍频器 3.5 宽带高频功率放大器 本章小结3.1 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理掌握谐振功率放大器的电路组成、工作原理和工作特点。掌握谐振功率放大器输出功率和效率的估算。主要要求： 3.1.1 基本工作原理基本工作原理一、 电路组成 VBB 使放大器工作于丙类。LC 回路调谐于输入信号的中心频率，构成滤波匹配网络。 RL为功放外接等效负载电阻二、 电压、电流波形可见：设置VBB UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC 回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。在一个信号周期内，只有小于半个信号周期的时间内有集电极电流流通（丙类放大），形成余弦脉冲电流。iCmax是余弦脉冲电流的最大值，是导通角（90o ）。LC谐振回路的作用：（1）选频。滤除余弦脉冲电流中的直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压；（2）阻抗匹配。通过调节L、C 可将 RL 转换成功放管所需的负载值Re。uc与 ui 反相 。当uBE为uBEmax时，iC 为iCmax ，而uCE为uCEmin。ic不仅出现时间短，而且只在uCE很小的时段内出现，因此集电极损耗很小，功放效率较高。 谐振功率放大电路与小信号谐振放大电路有何区别？（1）作用与要求不同。小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益；谐振功放主要用于高频信号的功率放大，要求效率高，输出功率大。（2）工作状态不同。小信号谐振放大器输入信号很小，要求失真小，故工作在甲类状态；谐振功放为大信号放大器，为了提高效率，工作在丙类状态。（3）对谐振回路要求不同。小信号谐振放大器主要用来选择有用信号抑制干扰信号，要求它有较高的选择，故回路的Q值较高；而谐振功放谐振回路主要用于抑制谐波，实现阻抗匹配，输出大功率，所以回路的Q值低。3.1.2 余弦电流脉冲的分解余弦电流脉冲的分解可证明可将iC的脉冲序列展开为查看证明过程00.10.20.30.40.50.620 40 60 80 100 120 140 160 180 n() 3() 2() 0 () 1 ()g1 ()3.1.3 输出功率与效率输出功率与效率集电极电压利用系数，在尽限使用时，甲类工作状态：乙类工作状态：丙类工作状态：设00.10.20.30.40.50.620 40 60 80 100 120 140 160 180 n() 3() 2() 0 () 1 ()g1 ()例 下图所示电路中，VCC = 24 V，Po = 5W， = 70 ， = 0.9, 求该功放的 C、 PD、PC、iCmax 和回路谐振阻抗Re解：00.10.20.30.40.50.620 40 60 80 100 120 140 160 180 n() 3() 2() 0 () 1 ()g1 ()解：作业：说明：谐振回路谐振电阻Re比较小，是因为功放需要输出较大功率。Re小会使回路等效Qe值下降。例 下图所示电路中，VCC = 24 V，Po = 5W， = 70 ， = 0.9, 求该功放的 C、 PD、PC、iCmax 和回路谐振阻抗Re3.2 谐振功率放大器的特性分析谐振功率放大器的特性分析理解谐振功放过压、欠压、临界工作状态的概念与特点。掌握丙类谐振功放的负载特性。了解VCC、VBB 、Uim对谐振功放工作状态及性能的影响。了解谐振功放的应用及调试方法。主要要求： 3.2.1 谐振功率放大器工作状态与负载特性谐振功率放大器工作状态与负载特性放大器工作状态的分类：按晶体管导通时间长短分甲类（始终导通）乙类（半周导通）甲乙类（大半周导通）丙类（小半周导通）丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分欠压（不进入饱和区）过压（进入饱和区）临界（达到临界饱和）一、 欠压、临界和过压工作状态欠压临界过压欠压：输出电压幅值Ucm 较小，uCEmin 较大，晶体管不会工作到饱和区。 iC 为尖顶余弦脉冲。临界：增大Ucm，uCEmin 就减小，放大器在uCE=uCEmin 时工作于放大和饱和的临界点上。 iC 为顶端变化平缓的余弦脉冲。过压： Ucm 过大，使uCEmin1时，变换前后电抗元件参数变化不大，而将小的RS变为大的RP。串、并联网络的阻抗转换 结论：解：RSLSLPRP 例3.3.1100nH10 下图中，已知 f = 100 MHz，求 LP 和 RP 。= 102.5 nH解： 例3.3.250 pF下图中，已知 f = 50 MHz，求 CS 和 RS 。RPCP200RSCS= 55 pF2. L 形滤波匹配网络的阻抗变换 当工作频率为并联谐振频率时，应用中，根据阻抗匹配要求确定Qe，即低阻变高阻型例3.3.3已知某谐振功放的f = 50 MHz，RL= 10 ，所需的匹配负载为Re = 200 ，试确定L型滤波匹配网络的参数。=139 nH=146 nH应采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其参数设计如下解：解：LRPCRL高阻变低阻型当工作频率为串联谐振频率时，Qe根据阻抗匹配要求确定，即3. 形和T形滤波匹配网络 L型滤波匹配网络或则在RL和Re相差不大时，Qe 很小，会使滤波性能很差，这时可采用型或 T 滤波匹配网络。 恰当选择两个L 型网络的Q 值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。低阻变高阻高阻变低阻形T形作业：3.3.3 谐振功率放大器应用电路谐振功率放大器应用电路T形和L形输入滤波匹配网络输出滤波匹配网络网络：L形和T形网络使功率管的输入阻抗在工作频率上变换为前级要求的50匹配电阻。使外接负载阻抗在工作频率上变换为功率管所要求的最佳负载阻抗。自给偏压并馈输出滤波匹配网络等效电路就可使RL变换成放大器所要求的最佳负载阻抗Reopt。经过三个L形网络并恰当选择Qe值，使：3.4 丁类谐振功率放大器与丙类倍频器丁类谐振功率放大器与丙类倍频器主要要求： 了解提高放大器效率的方法。了解丁类谐振功放的工作原理。了解丙类倍频器的工作原理。3.4.1 丁类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器如何提高功放效率？提高功放效率的方法：1.减小2.减小 iC uCE 丙类； 有限制 各种高效率谐振功放的设计基础 例如丁类要减小PCuctuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCtuCEO如何提高功放效率呢？提高功放效率的方法：1.减小2.减小 iC uCE要减小PCtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO使放大器工作于开关状态，当晶体管导通 iC0 时，uCE最小，约为零；而当 uCE0 时，晶体管截止，iC=0 。因此，iC uCE很小，理想情况下效率可达100% 。思路丁类谐振功率放大器V1、V2 两管同类型且特性相同。两管的激励电压ub1和ub2大小相等，极性相反。两管的负载是L、C、R L构成的串联谐振回路。（有电压开关型和电流开关型两类）丁类放大器原理图工作原理：设ui 为足够大的正弦波，则两管轮流饱和导通。当V1管饱和导通时，uA = VCC UCE(Sat)当V2管饱和导通时，uA = UCE(Sat)因此uA为方波电压，其幅值为 VCC 2UCE(Sat) tuAOVCC丁类谐振功率放大器UCE(sat)工作原理：当回路调谐于输入信号频率，且Q 值足够高时， 只有uA中的基波分量能在回路中产生电流io，因此负载RL上得到不失真的输出电压 uo 。tuAOVCCUCE(sat)tioOtuoO丁类谐振功率放大器工作原理：io只能由V1和V2管分别导通时的iC1 、iC2 合成。iC1 、iC2 为半波电流tuAOVCCUCE(sat)tiC1OtiC2OiC1iC2丁类谐振功率放大器工作原理：可见：丁类谐振功放中的两管均工作于开关状态，它们均为半周导通、半周截止。导通时，电流为半个正弦波，但管压降约为零；截止时，管压降很大，当电流为零，因此管耗很小，功放效率很高。tuAOVCCUCE(sat)tiC1OtiC2OiC1iC2丁类谐振功率放大器将丙类谐振功放集电极谐振回路调谐在二次或三次谐波频率上，就可以构成二倍或三倍频器。通常丙类倍频器工作在欠压或临界状态，其输出功率和效率均低于基波放大器。3.4.2 丙类倍频器丙类倍频器输出信号的频率比输入信号频率高整数倍的电子电路，称为倍频器。串联谐振回路L1、C1调谐在基波，抑制基波输出。串联谐振回路L2、C2调谐在二次谐波，抑制二次谐波输出。并联谐振回路L3、C3调谐在三次谐波频率上三倍频输出带有陷波电路的三倍频器3.5 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器主要要求： 了解传输线变压器的工作原理和应用特点。了解用传输线变压器实现阻抗变换的方法。了解用传输线变压器实现功率合成与分配的方法。了解宽带高频功放的工作原理。宽带功放的应用、结构和工作特点：主要用在多频道通信系统、宽带高频设备中。无选频滤波功能；工作于非线性失真较小的甲类或乙类状态，单元电路的效率低、输出功率小；采用功率合成与分配技术，实现多个功放联合工作以获得大功率输出。利用传输线变压器实现一、传输线变压器结构与工作原理将传输线绕在高导磁率、低损耗的磁环构成。主要特点：工作频带极宽,可达GHz ;覆盖系数可达104。 （普通高频变压器上限频率只能 达几十MHz ，覆盖系数达几百 ）RLRSus4 41 12 23 3 + 两根等长导线紧靠并绕在高导磁率、低损耗的磁环上。3.5.1 传输线变压器传输线变压器接负载接地接地接信号源RLRSus4 41 12 23 3 + 等效结论：1. 在信号源与负载之间有两种能量传输途径并行存在。2. 为 1:1 电压倒相电路，其阻抗变比为1:1。Rsus1 13 3 + RL2 24 4 + + u1u2Rs1 1 + RL2 23 34 4us + u1 + u2传输线电路普通变压器电路传输线长度小于最小工作波长的1/8传输线特性阻抗这样的传输线可近似看成无耗且匹配的传输线。无耗匹配传输线特点：频带无限宽； 输入能量完全传送到负载。i1i2Rsus1 13 3 + RL2 24 4 + + u1u2i1i2Zi励磁电流破坏了传输线两线中电流分布的对称性。措施：采用高导磁率环形 磁芯，以增大一次 线圈电感，从而减 小励磁电流。 频率减小时，一次线圈感抗减小，io 增大，u 减小 这样不但传输线两线中电流分布不对称， 而且输入、输出电压很小，可见传输线变压器下限频率受到一次线圈电感限制。 传输线变压器的工作方式是传输线原理与变压器工作原理的结合，高频时励磁感抗很大，励磁电流可以忽略不计，传输线方式起主要作用，其上限频率取决于传输线长度，长度越短，上限频率越高；低频时传输线和变压器两种方式起作用；频率很低时，变压器方式起主要作用，其下限频率受励磁电感量限制，励磁电感量越大，下限频率越低。二、传输线变压器的应用 实现1:1平衡不平衡电路转换、阻抗变换、功率的合成与分配等。1. 平衡和不平衡电路的转换不平衡 平衡转换平衡 不平衡转换2. 阻抗变换 4:1 阻抗变换器Riii2i为实现阻抗匹配，要求： 1:4 阻抗变换器ii2iRiRsus1 13 3 + RL2 24 4 + + uuRsus1 13 3 + RL2 24 4 + + uuH1H4A1H2H3AA2A4HHAAAPiPoR功率合成器的原理框图A 10W单元放大器H 功率合成和分配网络R 平衡电阻5 W10 W5 W5 W10 W5 W5 W10 W10 W20 W20 W40 W一、功率的合成与分配理想功率合成电路要求：无损失地合成各功放的输出功率；各功放间良好隔离即任一放大器工作状态发生变化或损坏时，不会引起其它放大器工作状态和输出功率变化。理想功率分配电路要求：将信号功率平均地、互不影响地分配给各独立负载。3.5.2 功率合成技术功率合成技术二、功率合成网络Rc 平衡电阻Tr2Tr2 平衡不平衡变换Tr1 Tr1 混合网络Rd 合成器负载功率合成网络和分配网络多以传输线变压器为基础构成，两者差别仅在于端口的连接方式不同。通常通称之为“混合网络” 。ia = id + i tib = id i tic = 2i tid = (ia + i b) /2ic = ia i bit = (ia i b) /2 为实现 阻抗匹配，要求： Ra = Rb = Zc Rc = Zc /2 Rd = 2Zc若电路工作在平衡状态，则id = ia = ib , ic = 0ud = ua ub = 2ua = 2ub 反相功率合成网络若A、B端加大小和方向均相同的电压，则C端得合成功率，D端无输出。则为同相功率合成器。A、B端加大小相等方向相反的电压时，D端得合成功率，C端无输出。A、B端加大小相等方向相反的电压D端得合成功率C端无输出A、B端加大小相等方向相同的电压C端得合成功率D端无输出三、功率分配网络同相功率分配网络信号由C端输入，A、B 端输出，D为平衡端 为实现 阻抗匹配，要求 Ra = Rb = Zc Rc = Zc /2 Rd = 2Zc电桥平衡时，A、B端各得一半功率，且电压同相；D端无功率电桥平衡时，若信号由D端引入，则A、B端各得一半，但电压反相；C端无输出功率。称为反相功率分配器。Tr2 构成反相功率分配网络，C为平衡端。Tr3 、Tr4构成4:1阻抗变换器，将晶体管输入阻抗约 3 变为12.5 。 Tr5 构成反相功率合成网络，将晶体管输出的反相信号在D端得到合成功率，经Tr6 输出。3.5.3 宽带高频功率放大器电路宽带高频功率放大器电路Tr1构成1:1传输线变压器，实现不平衡平衡转换本章小结本章小结功率放大器的任务是向负载提供不失真的功率足够大的信号，其主要性能指标是输出功率和效率。放大器按晶体管集电极电流流通的时间不同，可分为甲类、乙类、丙类等工作状态，其中丙类工作状态（导通角小于90o的状态）效率最高，但这时晶体管的集电极电流波形失真严重。采用LC 谐振网络作为放大器的负载，可克服工作在丙类状态所产生的失真，但谐振网络通带较窄，所以丙类谐振功率放大器适用于窄带高频信号的功率放大。谐振功放中，根据晶体管工作是否进入饱和区，分为欠压、临界和过压三种工作状态。欠压状态：输出电压幅值Ucm比较小，uCEminUCE (sat)，晶体管工作时将不会进入饱和区，iC电流波形为尖顶余弦脉冲。放大器输出功率小，管耗大，效率低。过压状态：输出电压幅值Ucm过大，使uCEminUCE (sat)，在t=0附近晶体管工作在饱和区， iC电流波形为中间凹陷的余弦脉冲。放大器输出功率大，管耗小，效率高，但失真大。临界状态：输出电压幅值Ucm比较大，在t=0时使晶体管工作刚好不进入饱和的临界状态， iC电流波形为尖顶余弦脉冲，但顶端变化平缓。放大器输出功率大，管耗小，效率高。谐振功放中，Re、VCC、Uim、VBB 改变，放大器的工作状态也跟随变化。四个量中分别只改变其中一个量，其他三个量不变所得到的特性分别是负载特性、集电极调制特性、放大特性和基极调制特性，熟悉这些特性有助于了解谐振功率放大器性能变化的特点，并对谐振功放的调试有指导作用。由负载特性可知，放大器工作在临界状态时，输出功率最大，效率比较高，通常将相应的Re值称为谐振功率放大器的最佳负载阻抗，也称负载匹配。必须指出，在通信等应用领域，谐振功率放大器的工作频率往往高达几百兆赫，在高频工作时晶体管的非线性电容特性、引线电感等分布参数影响，会使放大器最大输出功率下降，效率和增益降低。丁类谐振功放中，由于功率管工作于开关状态，故效率比丙类谐振功放还要高，一般可达90% 以上。但其工作频率受到开关器件特性的限制。将丙类谐振功放集电极谐振回路调谐在二次或三次谐波频率上，就可以构成二倍或三倍频器。通常丙类倍频器工作在欠压或临界状态，其输出功率和效率均低于基波放大器。谐振功放直流电路有串联和并联馈电两种形式。基极偏置常采用自给偏置电路。自给偏置电路只能产生反向偏压，自给偏压形成的必要条件是电路中存在非线性导电现象。滤波匹配网络的主要作用是将实际负载阻抗变换为放大器所要求的最佳负载；其次是有效滤除不需要的高次谐波并把有用信号功率高效率地传给负载。宽带高频功放中，级间用传输线变压器作为宽带匹配网络，同时采用功率合成技术，实现多个功率放大器的联合工作，从而获得大功率输出。传输线变压器不同于普通变压器，它是将传输线绕在高导磁率、低损耗的磁环上构成的，其能量根据激励信号频率的不同，以传输线方式或以变压器方式传输。在高频以传输线方式为主，在低频以传输和变压器方式进行，在频率很低时将以变压器方式传输，所以传输线变压器具有很宽的工作频带，它主要用于平衡和不平衡电路的转换、阻抗变换、功率合成与分配等。endiC表达式的证明表达式的证明假设不考虑结电容，略去uCE对iC的影响，将转移特性折线化 当 t = 时，iC=0，则故 iC 表示为当 t = 0 时，iC=iCmax ，代入上式可得返回电流脉冲分析 4.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理 4.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4.4 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 4.5 负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器 本章小结本章小结作用：作用：产生产生一定频率和幅度的信号一定频率和幅度的信号利用负阻器件的负阻效应利用负阻器件的负阻效应产生振荡产生振荡利用利用正反馈原理正反馈原理构成构成本质上也是负阻振荡器本质上也是负阻振荡器振荡器的作用、分类与要求振荡器的作用、分类与要求正弦波振荡器的要求：具有正弦波振荡器的要求：具有较高的较高的振荡频率和幅度的准确性振荡频率和幅度的准确性 和稳定度。和稳定度。按振荡波形不同分按振荡波形不同分正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分按组成原理不同分负阻振荡器负阻振荡器反馈振荡器反馈振荡器4.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理主要要求：主要要求： 掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理。掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理。掌握反馈振荡器的起振条件和平衡条件。掌握反馈振荡器的起振条件和平衡条件。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。4.1.1 反馈振荡器产生振荡的基本原理反馈振荡器产生振荡的基本原理正弦波振荡器由放大器、正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成。反馈网络和选频网络组成。无外加输入信号无外加输入信号开关在位置时：开关在位置时：开关转开关转2 2位置时：位置时： 经放大器放大后输出经放大器放大后输出 ，经过反馈网络，经过反馈网络后在反馈网络输出端得到反馈信号后在反馈网络输出端得到反馈信号 , 与与 大小相等相位相同。大小相等相位相同。放大器和反馈网络构成闭合环路，此时在放大器和反馈网络构成闭合环路，此时在没有外加输入信号没有外加输入信号的情况下，输出端仍维的情况下，输出端仍维持一定幅度的电压持一定幅度的电压 ，产生自激振荡。，产生自激振荡。起振时要满足起振时要满足 起始信号来起始信号来自电扰动自电扰动输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现现 使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅环节。定的信号。故要有稳幅环节。正弦波还要有选频网络。正弦波还要有选频网络。4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件振荡的平衡条件和起振条件一、一、 振荡的平衡条件振荡的平衡条件两者大小相等、相位相同。两者大小相等、相位相同。由由可得可得n=0,1,2振幅平衡条件振幅平衡条件相位相位平衡条件平衡条件即正反馈即正反馈振幅条件和相位条件必须同时满足。振幅条件和相位条件必须同时满足。 相位平衡条件确定振荡频率；相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。二、二、 振荡的起振条件振荡的起振条件n=0,1,2振幅振幅起振起振条件条件相位起振相位起振条件条件相位条件是构成振荡电路的关键相位条件是构成振荡电路的关键,振荡闭合环路必须是正反振荡闭合环路必须是正反馈。相位起振条件和相位平衡条件是一致的（正反馈）。馈。相位起振条件和相位平衡条件是一致的（正反馈）。放大环节必须具有非线性放大特性。放大环节必须具有非线性放大特性。为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常就由选频环节确定。就由选频环节确定。变压器反馈变压器反馈LC 振荡器振荡器例例4.1.1 分析下图振荡电路的工作原理分析下图振荡电路的工作原理放大部分放大部分选频部分选频部分正反馈部分正反馈部分振荡频率振荡频率 放大器在小信号时工放大器在小信号时工作于甲类，以保证起振时作于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。有较大的环路增益。工作原理工作原理LC+C CB BE E变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路N N1 1N N2 2MM+ 在回路谐振频率上构在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的成正反馈，满足了振荡的相位条件。相位条件。表示瞬时极性表示瞬时极性 起振时放大器工作于甲起振时放大器工作于甲类，类， 。随着振荡幅。随着振荡幅度的增大，放大器进入非度的增大，放大器进入非线性工作区，且由于自给线性工作区，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使非线性工作状态，使 减小，直至减小，直至 ，进入，进入平衡状态平衡状态起始时小信起始时小信号线性放大号线性放大大信号工大信号工作，丙类作，丙类作业：作业：直到直到 ，进，进入平衡状态。入平衡状态。4.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器掌握三点式振荡器的组成原则、工作原理、典型掌握三点式振荡器的组成原则、工作原理、典型电路。电路。掌握掌握 LC LC 振荡器实用电路的分析方法。振荡器实用电路的分析方法。了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因数及提高频率稳定度的措施。要因数及提高频率稳定度的措施。主要要求：主要要求： 4.2.1 三点式振荡器的基本工作原理三点式振荡器的基本工作原理 三个电抗元件三个电抗元件X1、X2、X3组成组成LC谐振回路，回路三个引谐振回路，回路三个引出端分别与晶体管三个电极相连，谐振回路既是晶体管的集电出端分别与晶体管三个电极相连，谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络。极负载，又是正反馈选频网络。X1、X2的电抗性质必的电抗性质必须相同，须相同，X3与与X1、X2的电抗性质必须相异。的电抗性质必须相异。与与E相连的为同性质电相连的为同性质电抗，不与抗，不与E端相连的为端相连的为异性质电抗。异性质电抗。？ 为什么只有为什么只有这样，才能构这样，才能构成正反馈！成正反馈！ 为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻 抗的影响。反馈系数反馈系数时，当X1 + X2 + X3 = 0回路等效为纯电阻，因此 必须与 反相，才能构成正反馈。回路谐振，得到 与 反相。因此：因此：与与E相连的必须为同相连的必须为同性质电抗，不与性质电抗，不与E端相连的端相连的为异性质电抗。为异性质电抗。电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式与与E相连相连是电感是电感与与E相连相连是电容是电容试分析下图电路是否可能产生振荡？试分析下图电路是否可能产生振荡？解：解：该电路由共基放大电路和该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，反馈选频网络构成，在在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。故此电路可能产生振荡故此电路可能产生振荡。4.2.2 电感三点式振荡器（哈脱莱电感三点式振荡器（哈脱莱Hartley）原理电路原理电路交流通路交流通路振荡频率振荡频率反馈系数反馈系数优点：优点：易起振，易起振， 频率易调（调频率易调（调C）。）。缺点：缺点：高次谐波成分较大，高次谐波成分较大，输出波形差。输出波形差。4.2.3 电容三点式振荡器（考毕兹电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）原理电路原理电路交流通路交流通路振荡频率振荡频率反馈系数反馈系数优点优点：高次谐波成分小，高次谐波成分小，输出波形好。输出波形好。缺点缺点： 频率不易调频率不易调（调（调L，调节范围小），调节范围小） 增大增大 C1/ C2 ，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的影响增大，使三极管输入阻抗的影响增大，使Q值下降，不利于起振，且值下降，不利于起振，且波形变差，故波形变差，故C1/ C2不宜过大，一般取不宜过大，一般取0.10.5 。4.2.3 电容三点式振荡器（考毕兹电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）原理电路原理电路交流通路交流通路4.2.4 改进型电容三点式振荡器（克拉泼改进型电容三点式振荡器（克拉泼Clapp）考毕兹电路中，晶体管极间电容与回路电容并联，考毕兹电路中，晶体管极间电容与回路电容并联，会使振荡频率偏移，且极间电容随晶体管工作状态而变，会会使振荡频率偏移，且极间电容随晶体管工作状态而变，会使振荡频率不稳定。使振荡频率不稳定。改进改进: 在谐振回路电感支路中串接一个电容在谐振回路电感支路中串接一个电容原理电路原理电路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率实际振荡频率必定略高于实际振荡频率必定略高于 f0，因为要使，因为要使L、C3支路呈感性。支路呈感性。接入接入C3使使 三极管输出三极管输出 端（端（C、E）与回路的耦合减弱，三）与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。出幅度减小。 C3越小，放大倍数越小，如越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。不满足振幅起振条件而停振。原理电路原理电路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 4.2.5 振荡器的频率稳定和振幅稳定振荡器的频率稳定和振幅稳定一、频率稳定一、频率稳定1. 频率稳定度频率稳定度 指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。范围内，振荡频率的相对变化量。频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为频率的绝对偏差，又称绝对频率准确度为频率稳定度表示为频率稳定度表示为 f 指实际频率，指实际频率，f0 指标称频率指标称频率测量时，测量时，f 要取多次测量结果的最大值。要取多次测量结果的最大值。按照所规定时间的不同，频率稳定度分为按照所规定时间的不同，频率稳定度分为长期频率稳定度长期频率稳定度短期频率稳定度短期频率稳定度瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量。一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量。主要取决于器件老化。主要取决于器件老化。一天之内振荡频率的相对变化量。一天之内振荡频率的相对变化量。主要取决于温度、电源电压等外界因素变化。主要取决于温度、电源电压等外界因素变化。秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。秒或毫秒内振荡频率的相对变化量。由电路内部噪声或突发性干扰引起。由电路内部噪声或突发性干扰引起。中波广播电台发射机中波广播电台发射机的频率稳定度为的频率稳定度为电视发射机电视发射机的频率稳定度为的频率稳定度为普通信号发生器普通信号发生器的频率稳定度为的频率稳定度为 标准信号发生器标准信号发生器的频率稳定度为的频率稳定度为 通常，频率稳定度一般指短期频率稳定度，根据用通常，频率稳定度一般指短期频率稳定度，根据用途不同，对振荡器的要求不同：途不同，对振荡器的要求不同：2.导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因温度、电源电压和负载等外界因素的影响。温度、电源电压和负载等外界因素的影响。外因：外因：内因：内因：影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量；改变晶体管结电容、结电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶管结电容、结电阻；影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。体管等效参数发生变化。影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等影响晶体管工作点和工作状态，使晶体管等效参数发生变化。效参数发生变化。影响回路影响回路Q值和振荡频率值和振荡频率2.导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因温度、电源电压和负载等外界因素的影响。温度、电源电压和负载等外界因素的影响。外因：外因：内因：内因：振荡电路的稳频能力。振荡电路的稳频能力。主要利用谐振回路的相频特性实现。主要利用谐振回路的相频特性实现。振荡频振荡频率处相频特性曲线越陡，稳频效果越好。率处相频特性曲线越陡，稳频效果越好。 (1). 提高回路提高回路Q值；值；(2). 使振荡频率接近回路谐振频率。使振荡频率接近回路谐振频率。3.提高频率稳定度的主要措施提高频率稳定度的主要措施（1）减小外界因素的变化）减小外界因素的变化将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽中，将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽中，减小温度的变化。减小温度的变化。采用高稳定度直流稳压电源来减小电源电压的变化。采用高稳定度直流稳压电源来减小电源电压的变化。采用金属屏蔽罩减小外界电磁场的影响。采用金属屏蔽罩减小外界电磁场的影响。采用减震器。采用减震器。 采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响。采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响。在振荡器和负载之间加缓冲器。在振荡器和负载之间加缓冲器。（2）提高谐振回路的标准性）提高谐振回路的标准性采用参数稳定的电感器和电容器。采用参数稳定的电感器和电容器。改进安装工艺缩短引线，加强引线机械强度。改进安装工艺缩短引线，加强引线机械强度。采用温度补偿法，在谐振回路中选用合适的具有不同温度采用温度补偿法，在谐振回路中选用合适的具有不同温度系数的电感和电容，使由于温度变化引起电感和电容值的系数的电感和电容，使由于温度变化引起电感和电容值的变化相互抵消，减小谐振回路频率的变化。变化相互抵消，减小谐振回路频率的变化。增加回路总电容值，减小晶体管与谐振回路之间的耦合，增加回路总电容值，减小晶体管与谐振回路之间的耦合，能有效减小晶体管极间电容在总电容中的比重，有效减小能有效减小晶体管极间电容在总电容中的比重，有效减小管子输入和输出电阻及其变化量对谐振回路的影响。管子输入和输出电阻及其变化量对谐振回路的影响。 谐振回路在外界因素变化时，保持其谐振频率不变的谐振回路在外界因素变化时，保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性。能力称为谐振回路的标准性。二、振幅稳定二、振幅稳定指在规定条件下，输出信号幅度的相对变化量。指在规定条件下，输出信号幅度的相对变化量。振幅稳定度表示为振幅稳定度表示为 Uo 为输出电压的标称值，为输出电压的标称值， U为实际输出电压与标称值之差。为实际输出电压与标称值之差。稳幅措施稳幅措施内稳幅内稳幅外稳幅外稳幅采用高稳定的直流稳压电源采用高稳定的直流稳压电源减小负载与振荡器的耦合减小负载与振荡器的耦合4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器主要要求：主要要求： 了解石英谐振器的结构和特性了解石英谐振器的结构和特性掌握典型石英晶体振荡器的组成、工作原理掌握典型石英晶体振荡器的组成、工作原理和性能特点。和性能特点。4.3.1 石英谐振器及其特性石英谐振器及其特性 石石英英是是一一种种各各向向异异性性的的结结晶晶体体，其其化化学学成成分分是是SiO2 。从从一一块块晶晶体体上上按按一一定定的的方方位位角角切切割割成成的的薄薄片片称称为为晶晶片片。在在晶晶片片的的两两面面涂涂上上银银层层作作为为电电极极，电电极极上上焊焊出出两两根根引引线线固固定定在在管管脚脚上，就构成了石英晶体上，就构成了石英晶体谐谐振器。振器。 晶体的特性与其切割的方位角有关。晶体的特性与其切割的方位角有关。电极间加电场电极间加电场电极间加机械力电极间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电流交变电流当当交交变变电电压压频频率率 = 固固有有频频率率时时，共共振振，振振幅幅最最大大，产产生生的的交变电流最大。类似串联谐振。交变电流最大。类似串联谐振。压电谐振压电谐振 C0是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介质，镀银电极和支架引线作极板构成。质，镀银电极和支架引线作极板构成。几十几皮法。几十几皮法。 Lq、Cq、rq为为晶晶片片振振动动时时的的等等效效动动态态电电感感、电电容容和和摩摩擦擦损损耗耗。 Lq很很大大，几几十十几几百百mH； Cq很很小小，百百分分之之几几pF； rq 为几几百欧。为几几百欧。石石英英谐谐振振器器Q值值很很高高，且且性性能能很很稳稳定定，因因此此有有很很高高的的回回路路标准性。标准性。基频等效电路基频等效电路含泛音频率的等效电路含泛音频率的等效电路fs 串联谐振频率串联谐振频率fp 并联谐振频率并联谐振频率串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率通常通常所以所以 石石英英谐谐振振器器只只在在 之之间间的的很很窄窄频频率率范范围围内内呈呈感感性性，且且感感抗抗曲曲线线很很陡陡，故故当当工工作作于于该该区区域域时时，具具有有很很强强的的稳稳频频作作用用。一般不用电容区。一般不用电容区。 石英谐振器的使用注意事项石英谐振器的使用注意事项:（2）要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、）要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小， 甚至停振。甚至停振。（1）要接一定的负载电容）要接一定的负载电容CL (微调微调)，以达标称频率。，以达标称频率。 高频晶体通常高频晶体通常CL为为30pF或标为或标为。4.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器fs f 2R1时，振荡幅度增加，但输出波形失真度增大。时，振荡幅度增加，但输出波形失真度增大。思考讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（1）R1与与R2位置互换位置互换解解：图中的：图中的R2是负温度系数的热敏电阻，是负温度系数的热敏电阻，R1是固定电阻。为了是固定电阻。为了满足起振条件，满足起振条件，R2的冷态电阻取值必须大于的冷态电阻取值必须大于2 R1 ，即大于，即大于20k，现两者位置互换后，即，现两者位置互换后，即R1变为负温度系数的热敏性，变为负温度系数的热敏性，且且冷态电阻大于冷态电阻大于20k，而，而R2变为固定电阻变为固定电阻10k，这样起振时，这样起振时放大器的放大倍数小于放大器的放大倍数小于3，振荡器不能振荡，故输出电压为零。，振荡器不能振荡，故输出电压为零。思考讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（2）R2改为改为43k固定电阻固定电阻解解：当：当R2改用改用43k固定电阻后，放大器的放大倍数固定电阻后，放大器的放大倍数A=1+ R2 /R1=1+43/10=5.33，因此振荡振幅不断增大，最终使放大器，因此振荡振幅不断增大，最终使放大器进入非线性限幅区，输出电压变成一方波信号。进入非线性限幅区，输出电压变成一方波信号。思考讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（3）R2改为改为15k固定电阻固定电阻解解：当：当R2改用改用15k固定电阻，此时放大器的放大倍数固定电阻，此时放大器的放大倍数A=1+ R2 /R1=1+15/10=2.51时，调幅波产生时，调幅波产生 过调过调 失真。失真。故要求故要求ma1。载波载波上边频分量上边频分量载波中不含任何有用信息，要传送的信息只包含于两个边频中。载波中不含任何有用信息，要传送的信息只包含于两个边频中。BW = 2F下边频分量下边频分量2.复杂信号调制复杂信号调制调制信号调制信号调幅信号调幅信号调制信号调制信号调制后对每一个频率分量都产生调制后对每一个频率分量都产生一对边频，形成上、下边带。一对边频，形成上、下边带。上边带上边带下边带下边带 上边带和下边带频谱分量的相对大小及间距均与调制信上边带和下边带频谱分量的相对大小及间距均与调制信号的频谱相同，仅下边带频谱倒置而已。可见调幅的作用是号的频谱相同，仅下边带频谱倒置而已。可见调幅的作用是将调制信号频谱不失真地搬移到载频两侧。将调制信号频谱不失真地搬移到载频两侧。复杂信号调制时调幅波频谱复杂信号调制时调幅波频谱BW = 2Fn3. 调幅波的功率调幅波的功率载波分量功率载波分量功率边频分量功率：边频分量功率：调幅波在调制信号一个周期内的平均功率：调幅波在调制信号一个周期内的平均功率：单频调制时单频调制时AM调幅波的功率：调幅波的功率：当调幅波处于包络峰值时，高频输出功率最大，称为调幅波当调幅波处于包络峰值时，高频输出功率最大，称为调幅波最大功率，也称峰值包络功率。即最大功率，也称峰值包络功率。即 当当 ma = 1时，边频功率最时，边频功率最大，但仅为大，但仅为PAV / 3。实际使用。实际使用中，中， ma 在在0.11 之间，平均值之间，平均值为为0.3。可见普通调幅波中边频。可见普通调幅波中边频分量所占功率非常小，而不携分量所占功率非常小，而不携带信息的载波占去很大比例。带信息的载波占去很大比例。二、二、 双边带调幅信号双边带调幅信号 抑制载波、只发送含有信息的上、下边带的调幅信号称抑制载波、只发送含有信息的上、下边带的调幅信号称为双边带调幅信号，用为双边带调幅信号，用DSB表示。表示。AM XYXYuo(t)uc(t)DSB调幅电路组成模型调幅电路组成模型u(t)则则若若调制信号调制信号载波信号载波信号DSB波形波形DSB频谱频谱包络正比于包络正比于u(t)不再不再反应原调制信号的形状。反应原调制信号的形状。调制信号每次过零值时，调制信号每次过零值时，DSB信号波形均发生信号波形均发生180o的的相位突变。相位突变。调制信号的频谱被不失真地调制信号的频谱被不失真地搬移到载频的两边。同时抑搬移到载频的两边。同时抑制了载波。制了载波。BW = 2F三、三、 单边带调幅信号单边带调幅信号DSB组成模型组成模型SSB组成模型组成模型通过带通滤波器滤除通过带通滤波器滤除DSB 信号中的一个边带，就可以获得信号中的一个边带，就可以获得SSB 信号。信号。或或1.滤波法滤波法 由于双边带调幅信号上、下边带都含有调制信号的全部由于双边带调幅信号上、下边带都含有调制信号的全部信息，为节省发射功率，减小频谱宽度只发射一个边带，这种信息，为节省发射功率，减小频谱宽度只发射一个边带，这种只传输一个边带的调幅方式称为单边带调幅，用只传输一个边带的调幅方式称为单边带调幅，用SSB表示。表示。滤除法的关键是带通滤波器滤除法的关键是带通滤波器2.移相法移相法故故移相法的关键是移相器，要求精确移相移相法的关键是移相器，要求精确移相90 且幅频特性为常数。且幅频特性为常数。试分别画出下列电压表示式对应的波形试分别画出下列电压表示式对应的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令（令c为为的整数倍的整数倍） (1)解解:普通调幅信号普通调幅信号 ，ma=1，波形与频谱如下图所示：，波形与频谱如下图所示：试分别画出下列电压表示式的波形和频试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。谱图，并说明它们各为何种信号。 （令（令c 为为的整数倍的整数倍） (2)解解:抑制载频双边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：抑制载频双边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：试分别画出下列电压表示式的波形和频试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。谱图，并说明它们各为何种信号。 （令（令c 为为的整数倍的整数倍） (3)解解:单频调制的单边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：单频调制的单边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：试分别画出下列电压表示式的波形和频试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。谱图，并说明它们各为何种信号。 （令（令c 为为的整数倍的整数倍） (4)解解:低频信号与高频信号相叠加，波形与频谱如下图所示：低频信号与高频信号相叠加，波形与频谱如下图所示：5.1.3 振幅解调基本原理振幅解调基本原理调幅信号调幅信号同步信号，同步信号，要求与被解要求与被解调调幅信号调调幅信号载频严格同载频严格同频同相。频同相。滤除无用的高滤除无用的高频分量，取出频分量，取出低频解调信号低频解调信号搬至频谱搬至频谱2c搬至频谱零频率搬至频谱零频率c为中心为中心例例5.1.1 同步检波电路中输入信号同步检波电路中输入信号us(t)是双边带调幅信号，已是双边带调幅信号，已知知us(t)=Usmcos(t)cos(ct)，低通滤波器具有理想特性，写出，低通滤波器具有理想特性，写出输出电压表示式。输出电压表示式。解：解：解调输出电压解调输出电压高频分量，被低通滤除。高频分量，被低通滤除。同步检波电路对于同步检波电路对于DSB 、SSB和和AM调幅信号都可进行解调。调幅信号都可进行解调。但但AM调幅信号的解调通常采用包络检波电路更简便。调幅信号的解调通常采用包络检波电路更简便。5.1.4 混频基本原理混频基本原理混频电路又称变频电路，其作用是将已调信号的载频变换成另一混频电路又称变频电路，其作用是将已调信号的载频变换成另一载频。变化后新载频已调波的调制类型和调制参数均保持不变。载频。变化后新载频已调波的调制类型和调制参数均保持不变。载频为载频为fc的的普通调幅波普通调幅波频率为频率为fL的的本振信号本振信号载频为中频载频为中频fI的的调幅波调幅波或或fI fc 的称为上混频，的称为上混频， fI 1、p为为任意任意值时值时的所有的所有频频率分量。率分量。三、开关工作状态三、开关工作状态1. 工作条件：工作条件： u1为足够大信号，使器件工作于开关状态；为足够大信号，使器件工作于开关状态； u2为足够小信号。为足够小信号。2. 二极管开关工作状态的分析二极管开关工作状态的分析原理电路原理电路开关等效电路模型开关等效电路模型U1m U2m ，u1控制二极管控制二极管开关工作开关工作u1 = U1mcos 1tu2 = U2mcos 2t大信号大信号小信号小信号S1(u1) =1 u1 00 u1 0 是受是受u1控制的单向开关函数控制的单向开关函数S1(u1) =1 u1 00 u10.5V，RC1/ c , RrD 时，可认为时，可认为 Uo Usm。要求输入信号的幅度在要求输入信号的幅度在0.5 V以上，为大信号检波器。以上，为大信号检波器。Uo逐渐增大逐渐增大Io逐渐减小逐渐减小达到动态平衡，达到动态平衡，Uo稳定。稳定。5.4.1 二极管包络检波电路二极管包络检波电路一、工作原理一、工作原理Uo随调幅波的包络线而变化，随调幅波的包络线而变化，获得调制信号完成检波。获得调制信号完成检波。输入信号输入信号Us是是调幅信号。调幅信号。Uo的大小与输入电压的峰值接近相等，的大小与输入电压的峰值接近相等，故又称之包络峰值检波器。故又称之包络峰值检波器。二、检波效率与输入电阻二、检波效率与输入电阻1.检波效率检波效率h hd设设h hd 小于而近似等于小于而近似等于1，实际电路中约实际电路中约80%。则则直流直流解调输出信号解调输出信号2. 输入电阻输入电阻 RiRi =输入高频电压振幅输入高频电压振幅二极管电流基波分量振幅二极管电流基波分量振幅根据输入检波电路的高频功率根据输入检波电路的高频功率近似等于检波负载获得功率，可得近似等于检波负载获得功率，可得h hd =输出低频电压振幅输出低频电压振幅输入调幅波的包络振幅输入调幅波的包络振幅三、惰性失真和负峰切割失真三、惰性失真和负峰切割失真1. 惰性失真惰性失真 原因：原因：RC过大，放电过慢，使过大，放电过慢，使C上电压不能跟随输入调幅波幅度下降。上电压不能跟随输入调幅波幅度下降。措施：措施：减小减小RC，使满足，使满足现象现象ma越大，调制信号角频率越大，调制信号角频率越大，越容易产生惰性失真。越大，越容易产生惰性失真。多频调制时，多频调制时，使满足使满足2. 负峰切割失真负峰切割失真原因：原因：检波电路的交检波电路的交流负载电阻和直流负流负载电阻和直流负载电阻相差太大。载电阻相差太大。现象：现象：输出通常通过隔直耦合电容送至下级负载。输出通常通过隔直耦合电容送至下级负载。直流负载直流负载 = R交流负载交流负载 = R/RL= RL Usm则则当当 Urm Usm则则 0当当 Urm Usm则则 0可见：可见：两个不同频率的高频信号叠加后的合成电压，是调幅调两个不同频率的高频信号叠加后的合成电压，是调幅调 相波。相波。 当两者幅度相差较大时，合成电压近似为当两者幅度相差较大时，合成电压近似为AM 波。波。 合成电压振幅按两个输入信号的频差规律变化的现象称为合成电压振幅按两个输入信号的频差规律变化的现象称为差拍现象。差拍现象。为进一步减少谐波为进一步减少谐波频率分量，可采频率分量，可采用用平衡同步检波电平衡同步检波电路。路。注意注意: 同步检波器均要求同步信号与发送端载波同步检波器均要求同步信号与发送端载波信号严格保持同频同相信号严格保持同频同相,否则会引起解调失真。否则会引起解调失真。获取同步信号的方法获取同步信号的方法对对DSB：取出角频率为取出角频率为2 c的频率分量，的频率分量，经二分频得角频率为经二分频得角频率为 c 的同步信号。的同步信号。注意注意: 同步检波器均要求同步信号与发送端载波同步检波器均要求同步信号与发送端载波信号严格保持同频同相信号严格保持同频同相,否则会引起解调失真。否则会引起解调失真。获取同步信号的方法获取同步信号的方法对对SSB：在发送在发送SSB 信号的同时，发送一个功率远低于信号的同时，发送一个功率远低于边带信号功率的载波信号，称为导频信号；或边带信号功率的载波信号，称为导频信号；或发送端和接收端均采用频率稳定度很高的振荡发送端和接收端均采用频率稳定度很高的振荡器或频率合成器。器或频率合成器。作业：作业：5.5 混频电路混频电路主要要求：主要要求： 掌握混频电路的作用和组成模型掌握混频电路的作用和组成模型了解常用混频电路的工作原理了解常用混频电路的工作原理了解混频干扰现象及其产生原因、抑制干扰措施。了解混频干扰现象及其产生原因、抑制干扰措施。5.5.1 混频电路概述混频电路概述作用：作用：变频变频组成：组成：利用相乘器和带通滤波器构成。利用相乘器和带通滤波器构成。 高质量通信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分高质量通信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分 对模拟乘法器；在一般接收设备中，采用简单的三极管对模拟乘法器；在一般接收设备中，采用简单的三极管 混频电路。混频电路。要求：要求：混频增益高、失真小，抑制干扰信号的能力强。混频增益高、失真小，抑制干扰信号的能力强。混频增益：混频增益：指中频电压指中频电压UI与输入高频电压与输入高频电压US之比值。之比值。用分贝表示：用分贝表示：对于二极管环形混频器用混频损耗来表示：对于二极管环形混频器用混频损耗来表示：5.5.2 二极管环形混频器和双差分对混频器二极管环形混频器和双差分对混频器二极管环形混频器二极管环形混频器双差分对混频器双差分对混频器工作频带宽，可达几工作频带宽，可达几GHz，噪声系数低、混频失真小、，噪声系数低、混频失真小、动态范围大。但无混频增益，且要求本振信号大。动态范围大。但无混频增益，且要求本振信号大。混频增益大，输出频谱纯净，混频干扰小，对本振电压混频增益大，输出频谱纯净，混频干扰小，对本振电压的大小无严格要求，端口间隔离度高。但噪声系数大。的大小无严格要求，端口间隔离度高。但噪声系数大。二极管环形混频器二极管环形混频器要求本振信号功率足够大，而输入信号为小信号。要求本振信号功率足够大，而输入信号为小信号。实际应用时，输入输出端口均接滤波实际应用时，输入输出端口均接滤波50 匹配网络。匹配网络。输入信号源、输入信号源、小信号小信号。本振信号源、本振信号源、功率足够大功率足够大。二极管工作于二极管工作于开关状态开关状态。MC1496双差分对集成模拟相乘器构成的混频电路双差分对集成模拟相乘器构成的混频电路输入信号输入信号本振信号本振信号输入输入。形滤波器输出混频形滤波器输出混频后的中频电压后的中频电压。平衡调节平衡调节作业：作业：5.5.3 晶体管混频电路晶体管混频电路一、晶体管混频电路一、晶体管混频电路输入信号输入信号本振信号本振信号输出回路输出回路调谐在调谐在fIuBE =VBB +us + u Lus 为小信号，为小信号， uL 为大信号，使工作于线性时变状态。为大信号，使工作于线性时变状态。fI = fL fc或或 fI = fL+ fc 中波调幅收音机变频电路中波调幅收音机变频电路输入回路从天线接收到的无线电波中选出所需频率输入回路从天线接收到的无线电波中选出所需频率的信号，经的信号，经L1、L2 的互感耦合加到三极管基极。的互感耦合加到三极管基极。本振回路本振回路输出中频输出中频电路，选电路，选出混频后出混频后的中频信的中频信号号465 kHz电路混频和本振都由晶体电路混频和本振都由晶体管管V 完成。发射极注入本完成。发射极注入本振电压，基极输入信号。振电压，基极输入信号。构成振荡电路构成振荡电路L2很小，对本振很小，对本振信号近似短路信号近似短路对本振信号严重对本振信号严重失谐，呈短路失谐，呈短路 中波调幅收音机变频电路中波调幅收音机变频电路 中波调幅收音机变频电路中波调幅收音机变频电路L3电感量很小，对中频近于短路，电感量很小，对中频近于短路，因此，变频器的负载仍然可以看因此，变频器的负载仍然可以看作是由中频回路所组成。作是由中频回路所组成。对于输入信号频率来说，本地振荡回路的阻抗很小，而对于输入信号频率来说，本地振荡回路的阻抗很小，而且发射极是部分地接在线圈且发射极是部分地接在线圈L4上，所以发射极对输入高上，所以发射极对输入高频信号来说相当于接地。频信号来说相当于接地。双连电容双连电容调谐调谐二、双栅二、双栅MOS 场效应管混频电路场效应管混频电路输入信号输入信号小信号小信号本振信号本振信号大信号大信号iD同时受同时受uL、uS 的的控制，实控制，实现混频。现混频。场效应管工场效应管工作在线性时作在线性时变状态变状态双栅双栅MOS 场效应管混频电路输出信号中的组合频率分量比晶场效应管混频电路输出信号中的组合频率分量比晶体管的少，体管的少，动态范围大、工作效率高。动态范围大、工作效率高。5.5.4 混频干扰混频干扰 信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号与本振信号之间、干扰信号与信号之间以及信号与本振信号之间、干扰信号与信号之间以及干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很多的频率分量。在接收机中，多的频率分量。在接收机中，当其中某些频率等当其中某些频率等于或接近于中频时，就能够须利地通过中频放大于或接近于中频时，就能够须利地通过中频放大器，经解调后器，经解调后，在输出级引起串音、哨叫和各种，在输出级引起串音、哨叫和各种干扰，影响有用信号的正常接收。干扰，影响有用信号的正常接收。一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰P、q 为任意正整数为任意正整数 当当 P = q =1时，可得中频时，可得中频 fI = fL- fc 除此以外的组合频率分量均为无用分量，当其中的某除此以外的组合频率分量均为无用分量，当其中的某些频率分量接近于中频，并落入中频通频带范围内时，就些频率分量接近于中频，并落入中频通频带范围内时，就能与有用中频信号一道须利地通过中放加到检波器，并与能与有用中频信号一道须利地通过中放加到检波器，并与有用中频信号在检波器中产生差拍，形成低频干扰，使得有用中频信号在检波器中产生差拍，形成低频干扰，使得收听者在听到有用信号的同时还听到差拍哨声。这种组合收听者在听到有用信号的同时还听到差拍哨声。这种组合频率干扰也称为频率干扰也称为哨声干扰。哨声干扰。 当转动接收机调谐旋钮时，哨声音调也跟随变化，当转动接收机调谐旋钮时，哨声音调也跟随变化，这是哨声干扰区分其他干扰的标志。这是哨声干扰区分其他干扰的标志。 例如对中波广播：例如对中波广播： 则在接收机输出端产生则在接收机输出端产生1kHz的哨叫声的哨叫声 一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰p、q 为任意正整数为任意正整数 理论上，产生干扰的哨声的信号频率有无限个，但理论上，产生干扰的哨声的信号频率有无限个，但实际上只有实际上只有p、q较小时，才会产生明显的干扰哨声；又较小时，才会产生明显的干扰哨声；又由于接收机的接收频段是有限的，所以产生干扰哨声的由于接收机的接收频段是有限的，所以产生干扰哨声的组合频率并不多。对于具有理想相乘特性的混频器，则组合频率并不多。对于具有理想相乘特性的混频器，则不可能产生哨叫干扰，所以，不可能产生哨叫干扰，所以，实用上应尽量减小混频器实用上应尽量减小混频器的非理想相乘特性。的非理想相乘特性。把有用信号与本振信号变换为中频的通道，称为主通道，把有用信号与本振信号变换为中频的通道，称为主通道，而把同时存在的其余变换通道称为寄生通道。而把同时存在的其余变换通道称为寄生通道。只有对应于只有对应于p、q值较小的干扰信号，才会形成较强的寄生通道值较小的干扰信号，才会形成较强的寄生通道干扰，其中干扰，其中最强寄生通道干扰为中频干扰和镜像干扰最强寄生通道干扰为中频干扰和镜像干扰。外来干扰与本振电压产生的组合频率干扰称为外来干扰与本振电压产生的组合频率干扰称为寄生通道干扰寄生通道干扰。二、干扰与本振产生的组合频率干扰二、干扰与本振产生的组合频率干扰二、干扰与本振产生的组合频率干扰二、干扰与本振产生的组合频率干扰称为中频干扰称为中频干扰当当 p=0 、q=1 时，时，抑制中频干扰措施抑制中频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性提高混频器前端电路的选择性 或在前级增加一个中频陷波器。或在前级增加一个中频陷波器。称为镜频干扰称为镜频干扰当当 p=q=1 时，时，抑制镜频干扰措施抑制镜频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性提高混频器前端电路的选择性 。 三、交叉调制干扰和互相调制干扰三、交叉调制干扰和互相调制干扰1. 交调干扰交调干扰 当接收机对有用信号频率调谐时，在输出端当接收机对有用信号频率调谐时，在输出端不仅可收听不仅可收听到有用信号的声音，同时还清楚地听到干扰台调制声音到有用信号的声音，同时还清楚地听到干扰台调制声音；若；若接收机对有用信号频率失谐，则干扰台的调制声也随之减弱，接收机对有用信号频率失谐，则干扰台的调制声也随之减弱，并并随着有用信号的消失而消失随着有用信号的消失而消失，好像干扰台声音调制在有用好像干扰台声音调制在有用信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。原因原因： 当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输 入端时，由于混频器非线性作用，使干扰信号的包入端时，由于混频器非线性作用，使干扰信号的包 络转移到中频信号上络转移到中频信号上 。 交叉调制的产生与干扰台的频率无关，任何频率较强的干交叉调制的产生与干扰台的频率无关，任何频率较强的干扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉调制干扰。扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉调制干扰。抑制交调干扰措施：抑制交调干扰措施：提高混频器前端电路的选择性，尽量减小干扰的幅度，是抑提高混频器前端电路的选择性，尽量减小干扰的幅度，是抑制交叉调制干扰的有效措施。制交叉调制干扰的有效措施。选用合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次选用合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次方项尽可能减小。方项尽可能减小。采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟相乘器混频电路。采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟相乘器混频电路。2. 互调干扰互调干扰 两个（或多个）干扰信号，同时加到混频器输入端，由于两个（或多个）干扰信号，同时加到混频器输入端，由于混频器的非线性作用，混频器的非线性作用，两干扰信号与本振信号相互混频，产生两干扰信号与本振信号相互混频，产生的组合频率分量若接近于中频的组合频率分量若接近于中频，它就能须利地通过中频放大器，它就能须利地通过中频放大器，经检波器检波后产生干扰。经检波器检波后产生干扰。把这种把这种与两个（或多个）干扰信号与两个（或多个）干扰信号有关有关的干扰，称为互调干扰的干扰，称为互调干扰。 例：例：则则可得组合频率：可得组合频率：抑制互调干扰措施与抑制交调干扰的措施相同。抑制互调干扰措施与抑制交调干扰的措施相同。作业：作业：振幅调制是用调制信号去改变高频载波振幅的过程，而从振幅调制是用调制信号去改变高频载波振幅的过程，而从已调信号中还原出原调制信号的过程称为振幅解调，也称已调信号中还原出原调制信号的过程称为振幅解调，也称振幅检波；把已调波的载频变为另一载频已调波的过程称振幅检波；把已调波的载频变为另一载频已调波的过程称为混频。为混频。振幅调制、解调和混频电路都属于频谱搬移电路，它们都振幅调制、解调和混频电路都属于频谱搬移电路，它们都可以用相乘器和滤波器组成的电路模型来实现。可以用相乘器和滤波器组成的电路模型来实现。其中相乘其中相乘器的作用是将输入信号频率不失真地搬移到参考信号频率器的作用是将输入信号频率不失真地搬移到参考信号频率两边，滤波器用来取出有用频率分量，抑制无用频率分量。两边，滤波器用来取出有用频率分量，抑制无用频率分量。调幅电路的输入信号是低频调制信号，参考信号为等幅载调幅电路的输入信号是低频调制信号，参考信号为等幅载波信号，采用中心频率为载频的带通滤波器，输出为已调波信号，采用中心频率为载频的带通滤波器，输出为已调高频波；检波电路的输入信号是高频已调波，而参考信号高频波；检波电路的输入信号是高频已调波，而参考信号是与已调信号的载波同频同相的等幅同步信号，采用低通是与已调信号的载波同频同相的等幅同步信号，采用低通滤波器，输出为低频信号；混频电路输入信号是已调波，滤波器，输出为低频信号；混频电路输入信号是已调波，参考信号为等幅本振信号，采用中心频率为中频的带通滤参考信号为等幅本振信号，采用中心频率为中频的带通滤波器，输出为中频已调信号。波器，输出为中频已调信号。本章小结本章小结振幅调制有普通调幅信号（振幅调制有普通调幅信号（AM）、双边带调幅信号）、双边带调幅信号（DSB）和单边带调幅信号（）和单边带调幅信号（SSB） 。 AM 信号频谱中含有载频、上边带和下边带，信号频谱中含有载频、上边带和下边带，其中，上下边其中，上下边带频谱结构均反映调制信号频谱的结构（下边带频谱与调制带频谱结构均反映调制信号频谱的结构（下边带频谱与调制信号频谱成倒置关系），其表示式为信号频谱成倒置关系），其表示式为uo(t)=Um0+kau(t)cos(ct)，其振幅在载波振幅，其振幅在载波振幅Um0上下按调制信号上下按调制信号u(t)的规律变的规律变化，即化，即已调波的包络直接反映调制信号的变化规律。已调波的包络直接反映调制信号的变化规律。DSB 信号频谱中只含有上、下边带，没有载频分量，信号频谱中只含有上、下边带，没有载频分量，其表示其表示式为式为uo(t)=kau(t)cos(ct)，其振幅在零值上下按调制信号的，其振幅在零值上下按调制信号的规律变化。规律变化。其包络不再反映原调制信号的形状。其包络不再反映原调制信号的形状。SSB 信号频谱中只含有上边带或下边带分量，已调波包络也信号频谱中只含有上边带或下边带分量，已调波包络也不直接反映调制信号的变化规律。不直接反映调制信号的变化规律。 SSB信号一般由双边带信信号一般由双边带信号经除去一个边带而获得，采用的方法有滤波法和移相法。号经除去一个边带而获得，采用的方法有滤波法和移相法。非线性器件具有频率变换作用，非线性器件具有频率变换作用，其频率变换特性与器件的工其频率变换特性与器件的工作状态有关。当两个输入信号中的一个足够小时，非线性器作状态有关。当两个输入信号中的一个足够小时，非线性器件工作在线性时变状态，如果另一个输入信号幅度足够大，件工作在线性时变状态，如果另一个输入信号幅度足够大，则非线性器件工作在开关状态。非线性器件工作在线性时变则非线性器件工作在开关状态。非线性器件工作在线性时变状态和开关状态（它是线性时变工作状态的一个特例），可状态和开关状态（它是线性时变工作状态的一个特例），可减小无用组合频率分量，适宜作为频谱搬移电路。减小无用组合频率分量，适宜作为频谱搬移电路。相乘器是频谱搬移电路的重要组成部分，相乘器是频谱搬移电路的重要组成部分，目前在通信设备和其目前在通信设备和其他电子设备中广泛采用二极管环形相乘器和双差分对集成模拟他电子设备中广泛采用二极管环形相乘器和双差分对集成模拟相乘器，它们利用电路的对称性进一步减少了无用组合频率分相乘器，它们利用电路的对称性进一步减少了无用组合频率分量而获得理想的相乘结果。量而获得理想的相乘结果。常用的调幅电路有低电平调幅电路和高电平调幅电路。在低电常用的调幅电路有低电平调幅电路和高电平调幅电路。在低电平级实现的调幅称为低电平调幅，它主要用来实现双边带和单平级实现的调幅称为低电平调幅，它主要用来实现双边带和单边带调幅，广泛采用二极管环形相乘器和双差分对集成模拟相边带调幅，广泛采用二极管环形相乘器和双差分对集成模拟相乘器。在高电平级实现的调幅称为高电平调幅，常采用丙类谐乘器。在高电平级实现的调幅称为高电平调幅，常采用丙类谐振功率放大器产生大功率的普通调幅波。振功率放大器产生大功率的普通调幅波。常用的振幅检波电路有二极管峰值包络检波电路和同步常用的振幅检波电路有二极管峰值包络检波电路和同步检波电路。检波电路。由于由于AM信号的包络能直接反映调制信号的变信号的包络能直接反映调制信号的变化规律，所以化规律，所以AM信号可采用电路很简单的二极管包络检信号可采用电路很简单的二极管包络检波电路。由于波电路。由于SSB和和DSB信号的包络不能直接反映调制信信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以必须采用同步检波电路。为获得良号的变化规律，所以必须采用同步检波电路。为获得良好的检波效果，要求同步信号与载波信号严格同频、同好的检波效果，要求同步信号与载波信号严格同频、同相。相。混频电路是超外差接收机的重要组成部分。目前高质量通混频电路是超外差接收机的重要组成部分。目前高质量通信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分对模拟相乘信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分对模拟相乘器，而在简易接收机中，常采用简单的晶体管混频电路。器，而在简易接收机中，常采用简单的晶体管混频电路。混频干扰是混频电路中要注意的重要问题，混频干扰是混频电路中要注意的重要问题，常见的有哨声常见的有哨声干扰、寄生通道干扰（主要是中频干扰、镜频干扰）、交干扰、寄生通道干扰（主要是中频干扰、镜频干扰）、交调干扰和互调干扰等。调干扰和互调干扰等。必须采取措施，选择合适的电路和必须采取措施，选择合适的电路和工作状态，尽量减小混频干扰。工作状态，尽量减小混频干扰。 6.1 调角信号的基本特性 6.2 调频电路 6.3 鉴频电路 本章小结用待传输的低频信号去控制高频载波信号的频率，使其随调制信号线性变化，称为频率调制，简称调频，用FM表示。用待传输的低频信号去控制高频载波信号的相位，使其随调制信号线性变化，称为相位调制，简称调相，用PM表示。频率调制和相位调制都使载波信号的瞬时相位受到调变，统称为角度调制。角度调制电路是频谱的非线性变换电路。引言引言由于模拟通信系统中，调频比调相应用广泛，而在数字通信中，调相比调频应用广泛，所以本章重点讨论调频信号的基本特性、调频与鉴频电路。6.1 调角信号的基本特性调角信号的基本特性主要要求： 掌握瞬时角频率与瞬时相位的关系。掌握调频的基本概念，调频信号的数学表达式、主要参数、频谱带宽和特点。了解调相信号的特点、表达式及主要参数。了解调频与调相的关系。6.1.1 瞬时频率与瞬时相位概念瞬时频率与瞬时相位概念实轴(t) 0t = 0Um瞬时相位O可用长度Um 、与实轴夹角(t)的旋转矢量表示矢量初始相位为0，以 (t)的角速度绕O反时针旋转。t = t当 = c 时：瞬时角频率(t)6.1.2 调频信号与调相信号调频信号与调相信号一、 调频信号载波信号：调制信号：调频波瞬时角频率：(t) = c+ kf u(t)rad /（sV）= c + （t）瞬时相位：附加相位为分析方便，通常令 0 = 0,则FM信号为角频偏设 u(t) = U m cos ( t )(t) = c+ kf U m cos( t )= c+ m cos( t )调频指数最大角频偏单频调制时：则 u(t) = U m cos ( t )(t) = c+ m cos( t )调制信号瞬时角频率变化附加相移调频信号附加相移与调制信号相位相差90o瞬时角频率与调制信号变化规律一致。二、 调相信号载波信号：调制信号：故单频调制时的调相信号为：(t) = ct + kp u(t)= ct + (t) 比例常数rad / V瞬时相位：附加相位偏移mp=kpUm是调相指数，代表调相波的最大相位偏移，相位摆动的幅度。单位：rad。是随调制信号而变的附加相位偏移。调制信号瞬时角频率变化附加相移调相信号 u(t) = U m cos ( t )附加相移与调制信号变化规律一致。三、调频信号与调相信号的比较调制信号u(t) = U m cos ( t )载波信号 uc(t) = Um cos (c t )调 频调相瞬时角频率 (t) c+ kf u(t) = c+ m cos ( t )= c m sin ( t ) 瞬时相位 (t)=ct + kp u(t)= ct + mpcos ( t ) 最大角频偏 m= kf U m= mf =kpU m = mp 最大附加相移 mp = kpU m 三、调频信号与调相信号的比较调制信号u(t) = U m cos ( t )载波信号 uc(t) = Um cos (c t )调 频调相瞬时角频率 (t) c+ kf u(t) = c+ m cos ( t )= c m sin ( t ) 瞬时相位 (t)=ct + kp u(t)= ct + mpcos ( t ) 最大角频偏 m= kf U m= mf =kpU m = mp 最大附加相移 mp = kpU m 可见： 调制前后载波振幅均保持不变。 将调制信号先微分，然后再对载波调频，则得调相信号； 将调制信号先积分，再对载波进行调相，则得调频信号。 即调频与调相可互相转换。调频信号调相信号最大角频偏不变最大相位偏移成反比减小最大相位偏移不变最大角频偏成正比增大Um一定，m和mf（mp）随 变化的规律例6.1.1已知u(t) = 5 cos (2 103 t)V ，调角信号表达式为uo(t) =10 cos (2 106 t ) +10cos (2 103 t)V试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频偏、载波频率和载波振幅。解：=2 106 t + 10cos (2 103 t)附加相移位正比于调制信号，故为调相信号。调相指数 mp = 10 rad载波频率 fc = 106 Hz fm = mpF最大频偏振幅 Um = 10V= 10 103 Hz= 10 kHz例6.1.2一组频率为300 3000Hz 的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频偏为 75 kHz，调相时最大相移为 2 rad，试求调制信号频率范围内：(1) 调频时mf 的变化范围;(2) 调相时 fm的范围; 解：(1) 调频时， fm 与调制频率无关，恒为75 kHz 。故 说明：调频时 fm 不随调制频率而变；但mf随着调制信号频率的不同而变化。(2) 调相时， mP 与调制频率无关，恒为2 rad 。故 说明：调相时mp不随调制频率而变；但 fm随着调制信号频率的不同而变化。6.1.3 调角信号的频谱和带宽调角信号的频谱和带宽一、 调角信号的频谱 FM 信号和PM 信号的数学表达式的差别仅仅在于附加相移的不同，当单频余弦调制时，前者的附加相位按正弦规律变化，而后者的按余弦规律变化。按正弦变化还是余弦变化只是在相位上相差/2 而已，所以这两种信号的频谱结构是类似的。 分析时可将调制指数mf 或mp 用m 代替，从而把它们写成统一的调角信号表示式 根据贝塞尔函数理论有： Jn(m) 称为以m 为宗数的n 阶第一类贝塞尔函数。上边频下边频可见：调角信号频谱不是调制信号频谱的线性搬移。 而是由载频分量和角频率为（cn）的无限对上、 下边频分量构成。这些边频分量和载频分量的角频率 相差n。 当n为奇数时，上、下边频分量的振幅相同但极性相反； 当n为偶数时，上、下两边频分量的振幅和极性都相同。 而且载频分量和各边频分量的振幅均随Jn (m) 而变化 。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13mJn(m)Jn(m) 随m、n 变化的规律 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 00.2 0.4n=0n=1n=2n=3n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。 调角前后高频信号的振幅未变，故功率也不变。 由于n增大时，总趋势使边频分量振幅减小，所以离开载频较远的边频振幅都很小，在传送和放大过程中，舍去这些边频分量，不会使调角信号产生明显的失真，因此，调角信号实际所占的有效频带宽度是有限的。 通常取BW = 2 (m + 1) F若 m 1,则BW 2 m F= 2 fm 称为宽带调角信号 复杂信号调制时二、 调角信号的频谱宽度 角度调制具有抗干扰能力强和设备利用率高等优点，但调角信号的有效频谱带宽比调幅信号大得多。作业：6.2 调频电路调频电路主要要求： 了解实现调频的方法及调频电路的主要性能指标。理解变容管直接调频电路的组成和工作原理。了解间接调频电路的组成和工作原理。了解实现调相的基本方法。理解扩展最大频偏的方法。6.2.1 概述概述实现方法：直接调频和间接调频。直接调频：用调制信号直接控制振荡器振荡回路元件的参量，使振荡器的振荡频率受到控制，使它在载频的上、下按调制信号的规律变化。间接调频：将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而获得调频信号。特点：原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。特点：调制不在振荡器中进行，易于保持中心频率的稳定，但不易获得大的频偏。主要性能指标：中心频率及稳定度、最大频偏、非线形失真和调制灵敏度。中心频率：调频信号的载波频率fc。保持中心频率高稳定度是保证接收机正常接收所必需的。最大频偏：正常调制电压作用下所能产生的最大频率偏移fm调制信号的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，实际调频电路中调制特性不可能呈线性，而会产生非线形失真。调制灵敏度：调制特性曲线的斜率称为调制灵敏度，调制灵敏度越高，单位调制电压所产生的频率偏移就越大。6.2.2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路一、基本原理提供变容管的反向偏压隔直电容高频扼流圈，对高频开路、对调制信号短路调制信号基本电路高频通路直流和调制信号通路变容管结电容振荡回路由电感L和变容管结电容Cj组成振荡角频率为：变容管结电容Cj与外加电压u的关系为：Cj0是u=0时的结电容。是电容变化指数，在1/3到6之间。加在变容二极管两端的电压为：调制信号u(t)变容二极管结电容随调制电压变化的规律为：在偏压UQ作用下所呈现出的电容。称为电容调制度，它反映Cj受调制信号电压调变的程度。 Cj 2，然后适当调节C1、C2，可使调制特性接近于线性。 C2 串接Cj然后再并接接C1，降低Cj 对振荡频率的影响。二、电路实例变容管全部接入回路振荡部分交流通路变容二极管的直流通路调制信号通路中心频率 fc = 70 MHz，最大频偏 fm = 6 MHz晶体振荡器直接调频电路三极管集电极回路调谐于晶体的三次谐波上串接的L1用于增大频偏6.2.3 间接调频电路间接调频电路一、间接调频基本原理晶振缓冲Umcos(ct)积分器u (t)u(t)调相器uo (t)调制信号u (t) =Umcos(t)间接调频的关键是调相二、变容二极管调相电路+uo(t)RPis(t)CjL未加u(t) 时，Cj上加u(t)， 使Cj 变化，则回路谐振频率随之改变cZ 01029090可见：当载波频率保持为c 不变， Cj随调制信号变化而变化时，输出电压的幅度和相位也随之变化，实现调相。设 is(t)=Ismcosc t则当| (c) | 1 ，从而使RC电路对调制信号构成积分电路。i (t)u (t) / R 实际加到变容二极管的调制电压为当 u(t) = U mcos （ t ） 时可得输出调频信号调频指数：最大角频偏：由于R 1/C ，故得利用混频器： 利用倍频器：通常先用倍频器增大调频信号的最大频偏，然后再用混频器将调频信号的载波频率降低到规定的数值。 6.2.4 扩展最大频偏的方法扩展最大频偏的方法可将载波频率和最大频偏同时扩展n 倍。可在不改变最大频偏的情况下，将载波频率改变为所需值。例6.2.1下图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100 kHz，最大频偏fm1= 24.41 Hz，混频器的本振信号频率fL=25.45 MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo (t)的中心频率fc和最大频偏fm 。 解：fc2 = 4443fc1 =192100 kHz = 19.2 MHz fm2 = 4443fm1 = 19224.41 Hz = 4.687 kHz fc3 = fL- fc2 = (25.45-19.2) MHz = 6.25 MHz fm3 = fm2 = 4.687 kHz fc = 44fc3 =166.25 MHz = 100 MHz fm = 44fm3 = 164.687 kHz=75 kHz 作业：6.3 鉴频电路鉴频电路主要要求： 了解鉴频的实现方法及鉴频电路的主要性能指标。了解斜率鉴频器和相位鉴频器的工作原理。了解限幅器在接收机中的作用和常用限幅电路。6.3.1 鉴频特性及鉴频的实现方法鉴频特性及鉴频的实现方法鉴频电路输出电压uo与输入调频信号瞬时频率f之间的关系曲线称为鉴频特性曲线。调频信号中心fc频率上，输出电压为0。当信号频率偏离中心fc频率升高、下降时，输出电压将分别向正、负极性方向变化（或相反）。在信号频率fc附近， uo与f 近似为线性关系。为了获得理想的鉴频效果，希望鉴频特性曲线要陡峭且线性范围大。一、鉴频特性鉴频灵敏度 (也称鉴频跨导) SD线性范围 2fmax (也称鉴频电路带宽) 应使 fmax fm非线性失真：指由于鉴频特性的非线性所产生的失真。 通常要求在满足线性范围和非线性失真的条件下，提高SD。主要性能指标二、鉴频的实现方法1.斜率鉴频器2.相位鉴频器3.脉冲计数式鉴频器4.锁相鉴频器在第7章锁相环路中介绍。6.3.2 斜率鉴频器斜率鉴频器一、基本原理频率-振幅变换调频变为调幅-调频单失谐回路鉴频器LC并联谐振回路谐振频率f0调离调频波的中心fc。当加到LC并联回路的调频信号频率随时间变化时，回路两端电压的振幅也随时间产生相应的变化。利用LC并联回路谐振曲线的下降（上升）部分，使等幅的调频信号变成调幅-调频信号。采用振幅检波器，可得到原调制信号uo(t)。二、双失谐回路斜率鉴频器C1= C2R1= R2两个回路的谐振特性相同V1 、V2特性相同uo= uo1 uo2f01 fc /2 时，鉴相特性向两侧周期性重复，为一条三角形特性 。三角形鉴相特性2.单谐振回路频相变换网络电压传输系数当失谐不太大时 式中 单谐振回路的频率特性曲线由于当失谐量很小，使 时设输入调频信号的瞬时角频率(t)= c+(t)，且0= c，则得可见：当m很小使失谐量很小时，该变换网络可不失真地完成频率-相位转换。二、叠加型相位鉴频器1.叠加型鉴相器固定相位差使鉴频特性过原点。组成：将两个输入信号叠加后加到包络检波器为获得较大的线性鉴相范围，通常采用叠加型平衡鉴相器。叠加型平衡鉴相器（a） =0 时，鉴相器输出电压 uo=uo1-uo2=0（b） 0 时，鉴相器输出电压 uo=uo1-uo20（c） 0 时，鉴相器输出电压 uo=uo1-uo2R ，V1、V2 特性完全相同，二极管正向 电阻尽量小，反向电阻趋于无穷大。优点： 电路简单、工作频带宽二、差分对限幅器us大于100 mV时，电流波形的上、下顶部被削平 。通过谐振回路取出幅度恒定的基波电压。本章小结本章小结调频和调相都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，故统称角度调制。调频信号与调相信号有类似的表示式和基本特性，但调频信号是由调制信号去改变载波信号的频率，使其瞬时角频率(t)在载波角频率c上下按调制信号的规律而变化， 即(t)= c +kfu(t) ，而调相是用调制信号去改变载波信号的相位，使其瞬时相位(t)在c t上叠加按调制信号规律变化的附加相移， 即(t)= c +kpu(t)。 角度调制具有抗干扰能力强和设备利用率高等优点，但调角信号的有效频谱带宽比调幅信号大得多。产生调频信号的方法有很多，通常可分为直接调频和间接调频两类。直接调频是用调制信号直接控制振荡器振荡回路元件的参量而获得调频信号，其优点是能获得大的频偏，但中心频率的稳定度低；间接调频是先将调制信号积分，然后对载波信号进行调相而获得调频信号，其优点是中心频率稳定度高，缺点是难以获得大的频偏。常采用变容二极管构成直接调频和间接调频电路。变容二极管调频电路的最大频偏受到调频信号非线性失真的限制，通常较小。在实际调频设备中，通常采用倍频器和混频器来获得所需的载波频率和最大线性频偏：用倍频器同时扩大中心频率和频偏，用混频器改变载波频率的大小，使之达到所需值。调频信号的解调电路称为鉴频电路。能够检出两输入信号之间相位差的电路称为鉴相电路。鉴频电路的输出电压与输入调频信号频率之间的关系曲线称为鉴频特性，通常希望鉴频特性曲线要陡峭，线性范围要大。常用的鉴频电路有斜率鉴频器、相位鉴频器和脉冲计数式鉴频器等。斜率鉴频器通常是先利用LC并联谐振回路谐振曲线的下降(或上升)部分，将等幅调频信号变成调幅调频信号，然后用包络检波器进行解调。相位鉴频器是先将等幅的调频信号送入频相变换网络，变换成调相调频信号，然后用鉴相器进行解调。采用乘积型鉴相器的称为乘积型相位鉴频器，它通常由单谐振回路频相变换网络、相乘器和低通滤波器等组成。采用叠加型鉴相器的称为叠加型相位鉴频器，它可由耦合回路频相变换网络和二极管包络检波电路组成。 调频信号在鉴频之前，需用限幅器将调频信号中的寄生调幅消除。限幅器通常由非线性元器 件和谐振回路组成。 7.1 自动增益控制电路自动增益控制电路 7.2 自动频率控制电路自动频率控制电路 7.3 锁相环路（锁相环路（PLL） 7.4 频率合成器频率合成器 本章小结本章小结 根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有：根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有： 自动增益控制电路自动增益控制电路 自动频率控制电路自动频率控制电路 自动相位控制电路自动相位控制电路 简称简称APC，用于锁定相位，故又称锁相，用于锁定相位，故又称锁相环路，简称环路，简称PLL。简称简称AFC，用于维持工作频率稳定。，用于维持工作频率稳定。又称自动电平控制电路，简称又称自动电平控制电路，简称AGC，用，用于控制输出信号大小。于控制输出信号大小。引言引言7.1 自动增益控制电路自动增益控制电路主要要求：主要要求： 了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。了解常用增益控制电路。了解常用增益控制电路。7.1.1 自动增益控制电路的作用自动增益控制电路的作用作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号ui 幅度增幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化一、一、AGC的组成、工作原理与作用的组成、工作原理与作用具有简单具有简单AGC 的调幅接收机框图的调幅接收机框图 可控增益放大器可控增益放大器反馈控制器反馈控制器 LPF简单简单AGC 缺点：缺点： 只要有输入信号，只要有输入信号，AGC 就起控制作用，对接收弱信号不利。就起控制作用，对接收弱信号不利。二、二、AGC的应用的应用是高性能接收机的重要辅助电路是高性能接收机的重要辅助电路具有延迟式具有延迟式AGC 的调幅接收机框图的调幅接收机框图当当AGC检波器输检波器输入信号幅度小于入信号幅度小于UR时，时，AGC检波检波器不工作，器不工作，AGC 电压为零，电压为零，AGC不起控制作用。不起控制作用。当当AGC检波器输入检波器输入信号幅度大于信号幅度大于UR时，时， AGC 电路才起控电路才起控制作用。制作用。7.1.2 增益控制电路增益控制电路1. 控制晶体管发射极电流实现增益控制控制晶体管发射极电流实现增益控制AGC 放大电路放大电路Au gmgm IE / UT当信号电压当信号电压, ,使使 - -UC，则则IE , gm , Au 通常将控制电压通常将控制电压加至基极或发射极加至基极或发射极2. 差分放大器增益控制电路差分放大器增益控制电路通过改变对管的通过改变对管的电流分配比、负电流分配比、负反馈深度、恒流反馈深度、恒流源电流源电流等来实现等来实现对增益的控制。对增益的控制。ic1 = ic2 + ic3Ui一定时，则一定时，则 ic1 一定。一定。若若Uc，则，则 ic2 ic3输出电压输出电压，Au。利用利用Uc控制控制ic2 和和 ic3的分配比来实现增益控制的分配比来实现增益控制7.2 自动频率控制电路自动频率控制电路主要要求：主要要求： 了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。7.2.1 工作原理工作原理当当 fr = fo时，时， uD(t) = 0 ，fo不变不变当当 fr fo时时，uD(t) 正比于正比于 （ fo fr )，得，得uc c( (t t) )控制控制 fo o向向 fr r 接近接近有剩余频差是有剩余频差是AFC 的缺点。的缺点。鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则 f 越小。越小。经若干调节周期，环路最后锁定在经若干调节周期，环路最后锁定在 fo = fr + f 这个这个 f 称为剩余频率误差，简称剩余频差。称为剩余频率误差，简称剩余频差。7.2.2 应用举例应用举例广泛用作接收机和发射机中的广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路自动频率微调电路比之普通调幅接收机多了比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通滤波和放大电路限幅鉴频器、低通滤波和放大电路等，并将本机振荡器改为等，并将本机振荡器改为VCO 。AFC 保证了混频器输出频率接近保证了混频器输出频率接近fI ，从而提高接收机灵敏度，从而提高接收机灵敏度和选择性。和选择性。具有具有AFC 的调幅接收机框图的调幅接收机框图具有具有AFC 的调频发射机框图的调频发射机框图鉴频器的中心频率调整在（鉴频器的中心频率调整在（ fr fc ）上。当）上。当调频振荡器的中调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化，经窄带器输出电压发生变化，经窄带LPF 滤除调制频率分量后，将滤除调制频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。由于由于fr 稳定度很高，稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。因此可提高中心频率稳定度。7.3 锁相环路（锁相环路（PLL）主要要求：主要要求： 掌握掌握PLLPLL的作用、基本组成和工作原理的作用、基本组成和工作原理了解了解PLLPLL的数学模型的数学模型了解了解PLLPLL的捕捉与跟踪的捕捉与跟踪了解集成了解集成PLLPLL及其应用及其应用7.3.1 锁相环路基本原理锁相环路基本原理鉴相器（鉴相器（PD）：用以比较用以比较ui、 uo相位，相位， 输出反映相位误差输出反映相位误差 的的电压电压uD(t)。环路滤波器（环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。声，提高系统稳定性。压控振荡器（压控振荡器（VCO）：在在uC(t) 控制下输出相应频率控制下输出相应频率 fo o。两个正弦信号的频率和相位之间的关系两个正弦信号的频率和相位之间的关系若能保证两个信号之间的相位差恒定，则若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。这两个信号的频率必相等。若若 i o，则则ui(t) 和和uo(t) 之间产生相位变化之间产生相位变化 ，鉴相器输出误，鉴相器输出误差电压差电压uD(t) ，它与瞬时误差相位成正比，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，经过环路滤波，滤，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t) ，控制，控制VCO 的角频率的角频率 o ，去接近，去接近 i 。最终使最终使 i = o ，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。差称为剩余相位误差或稳态相位误差。7.3.2 锁相环路的数学模型锁相环路的数学模型一、鉴相器一、鉴相器(PD)设压控振荡器的输出电压为设压控振荡器的输出电压为o0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率；是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率； o(t) 是以是以o0为参考的瞬时相位。为参考的瞬时相位。环路输入电压环路输入电压ui(t)为为其相位可改写为其相位可改写为则则ui(t)与与uo(t) 之间的瞬时相位差之间的瞬时相位差为为以以o0为参考的输入为参考的输入信号瞬时相位。信号瞬时相位。设鉴相器具有正弦鉴相特性，则设鉴相器具有正弦鉴相特性，则二、压控振荡器二、压控振荡器(VCO)在在uc = 0 附近，附近，控制特性近似线性：控制特性近似线性：以以o0为参考的瞬时相位为参考的瞬时相位 o(t) 为为可见可见压控振荡器是一个理想的积分器压控振荡器是一个理想的积分器将积分符号用将积分符号用微分算子微分算子p=d/dt 的的 倒数表示，则得倒数表示，则得VCO的控制特性的控制特性VCO的相位模型的相位模型环路滤波器的电路模型环路滤波器的电路模型三、环路滤波器三、环路滤波器(LF)RC 积分滤波器积分滤波器RC 比例积分滤波器比例积分滤波器有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器图（图（b）电路的传递函数为）电路的传递函数为将将AF(s) 中的复频率中的复频率s 用用微分算子微分算子p 替换，可得替换，可得四、四、PLL的相位模型和基本方程的相位模型和基本方程环路的基本方程式为环路的基本方程式为两边对两边对t 求导数并移项，得求导数并移项，得锁相环路相位模型锁相环路相位模型称瞬时角频差，表示称瞬时角频差，表示VCO 角频率角频率o 偏离输入角频率偏离输入角频率i 的数值的数值称控制角频差，表示压控振荡器在称控制角频差，表示压控振荡器在 uc(t)=AdAF(p)sin e(t) 的的作用下，产生振荡角频率作用下，产生振荡角频率o 偏离偏离o0的数值。的数值。称输入固有角频差，表示输入信号角频率称输入固有角频差，表示输入信号角频率i 偏离偏离o0的数值。的数值。可见：可见：锁相环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差锁相环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差e(t)与控制与控制 角频差角频差o(t)之和恒等于输入固有角频差之和恒等于输入固有角频差i(t)若输入固有角频差若输入固有角频差i(t) =i为常数，即为常数，即ui(t) 为恒定频率的输为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差瞬时角频差e(t)不断减小，不断减小，而而控制角频差控制角频差o(t)不断增大，两者之和恒等于不断增大，两者之和恒等于i，直到瞬时，直到瞬时角频差减小到零，控制角频差增大到角频差减小到零，控制角频差增大到i ，压控振荡器的振荡角，压控振荡器的振荡角频率频率o等于输入信号角频率等于输入信号角频率i 时，环路进入锁定。时，环路进入锁定。环路锁定时的相位误差环路锁定时的相位误差 e(t) 是一个固定值，用是一个固定值，用 e 表示，称为剩表示，称为剩余相位误差或稳态相位误差。正是这个稳态相位误差，才使鉴余相位误差或稳态相位误差。正是这个稳态相位误差，才使鉴相器输出一个直流电压，控制压控振荡器的振荡角频率，使之相器输出一个直流电压，控制压控振荡器的振荡角频率，使之等于输入信号角频率。等于输入信号角频率。环路锁定时，环路锁定时，i 增大，增大， e 也相应增大。说明也相应增大。说明i 越大，将越大，将VCO 振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越大，因而产生这个控制电压的大，因而产生这个控制电压的 e 也就越大。但也就越大。但i 过大，环路过大，环路将无法锁定，此时环路将不存在使它锁定的将无法锁定，此时环路将不存在使它锁定的 e 。7.3.3 锁相环路捕捉与跟踪锁相环路捕捉与跟踪由失锁进入锁定的过程称为由失锁进入锁定的过程称为捕捉捕捉过程。能够由失锁进入锁定过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用p表示表示。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪跟踪过程。能够保过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用同步带（又称跟踪带），用H表示。表示。捕捉过程：捕捉过程：失锁失锁 锁定锁定 跟踪过程：跟踪过程：锁定锁定 维持锁定维持锁定当当 i 从低频至从低频至高频缓慢变化时高频缓慢变化时未加控制电压未加控制电压(即即uD(t) = 0)时的时的VCO振荡频率振荡频率uD(t)O o0o0 a i失锁失锁锁锁定定 b失锁失锁当当 i 从高频至从高频至低频缓慢变化时低频缓慢变化时 c锁锁定定 d捕捉带捕捉带同步带同步带 P H通常捕捉带小于通常捕捉带小于同步带同步带7.3.4 集成锁相环路集成锁相环路模拟模拟PLL：模拟：模拟PD LF VCO数字数字PLL：全数字：数字：全数字：数字PD 数字数字LF 数字数字VCO模拟模拟+ 数字：数字数字：数字PD 模拟模拟 LF 模拟模拟VCO按电路构成分类按电路构成分类通用通用 PLL专用专用 PLL按用途分类按用途分类一、通用型单片集成锁相环路一、通用型单片集成锁相环路L562内部结构内部结构引脚引脚工作频率达工作频率达30MHzL562内部内部VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路采用射极耦合多谐振荡器电路振荡频率为振荡频率为设起始时设起始时V1导通、导通、 V2截止，则截止，则VCC通通过过V3 、 V1向向C充电，充电电流为充电，充电电流为I02 。由于由于V1导通时导通时UE1 VCC UBE(on) ，故，故C充电使充电使UE2下降，当其下降到（下降，当其下降到（ VCC UDUBE(on) ）时，）时， V2导通导通,使使UC2由由VCC下降为下降为 （ VCC UD），致使），致使V1截截止，止， VCC通过通过V4、 V2向向C反向充电，反向充电，充电电流为充电电流为I01 ，使，使UE1下降，直到引下降，直到引起起V1重新导通、重新导通、 V2又截止。如此循环又截止。如此循环二、二、CMOS锁相环路锁相环路CD4046为数字为数字PLL。内有两个。内有两个PD、VCO、缓冲、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。部稳压器等。具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率达高等优点。工作频率达1MHz内部内部VCO 产生产生50% 占空比的方波。输出电占空比的方波。输出电平可与平可与TTL电平或电平或CMOS 电平兼容。电平兼容。具有相位锁定状态指示具有相位锁定状态指示PD由异或门构成，具由异或门构成，具有三角形鉴相特性。有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号它要求两个输入信号均为均为50%占空比占空比的方的方波。当无输入信号时，波。当无输入信号时，其输出电压为其输出电压为VDD/2，用以确定，用以确定VCO的自的自由振荡频率由振荡频率。信号输入端：允许输信号输入端：允许输入入0.1V左右的小信号左右的小信号或方波，经或方波，经A1放大和放大和整形，提供满足整形，提供满足PD要要求的方波。求的方波。 PD采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，故该故该PD能处理非常窄的脉冲。能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。便于快速锁定。通常输入信噪比以及固有频差较小时采用通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD ，输入信噪比较高或固有频差较大时，采用输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PD 。R1 、R2、C 确定确定VCO 频率范围。频率范围。R1 控制最高频率，控制最高频率，R2 控制控制最低频率。最低频率。 R2= 时，最低频率为零。无输入信号时，时，最低频率为零。无输入信号时， PD 将将VCO 调整到最低频率调整到最低频率接低电平时才接低电平时才允许允许VCO工作工作7.3.5 锁相环路的应用锁相环路的应用一、锁相环路的基本特性一、锁相环路的基本特性（1） 环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等， 没有频率误差没有频率误差。（2） 频率跟踪特性频率跟踪特性：环路锁定时，环路锁定时，VCO 输出频率能输出频率能 在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。（3） 窄带滤波特性窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。可以实现高频窄带带通滤波。二、锁相鉴频电路二、锁相鉴频电路工作原理工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t) 就是输入调频信号的原就是输入调频信号的原调制信号。调制信号。环路带宽大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。环路带宽大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。要求要求：捕捉带捕捉带 输入调频信号的最大频偏输入调频信号的最大频偏三、调幅波的同步检波三、调幅波的同步检波有有/2固定相移固定相移工作原理工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。注意注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有 /2的固定相移，因此须经过的固定相移，因此须经过 /2的移相器加到同步检波器上，的移相器加到同步检波器上，这样才能使这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相。输出电压与已调信号的载波电压同相。四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号。这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号。采用锁相接收机，利用采用锁相接收机，利用PLL 的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信号频率进行接收，有效提高输出信噪比。号频率进行接收，有效提高输出信噪比。7.4 频率合成器频率合成器为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。定度和精度很高的载波信号频率。晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调。很小范围内微调。频率合成器作用频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短。率的相同，且频率转换的时间很短。主要要求：主要要求： 掌握频率合成器的作用。掌握频率合成器的作用。了解频率合成器的种类与主要性能指标。了解频率合成器的种类与主要性能指标。掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理。掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理。了解提高锁相频率合成器输出频率的方法。了解提高锁相频率合成器输出频率的方法。7.4 频率合成器频率合成器7.4.1 频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标1. . 频率范围频率范围2. . 频率间隔（又称分辨率）频率间隔（又称分辨率）频率稳定度指：频率稳定度指：在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。频率准频率准确度指：确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。3. . 频率转换时间频率转换时间4. . 频率稳定度和准确度频率稳定度和准确度相邻频率之间的最小间隔。相邻频率之间的最小间隔。从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和需要的时间。它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间。的捕捉时间。频率合成器的工作频率范围。频率合成器的工作频率范围。5. . 频谱纯度频谱纯度5. . 频谱纯度频谱纯度指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各寄生频指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。率分量总电平之比的分贝值表示。多数来自混频器，多数来自混频器，对称分布于有用对称分布于有用信号两侧。信号两侧。7.4.2 锁相频率合成器锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器环路锁定时环路锁定时fr = fs / R = fo / N故得故得 fo = N fs/ R = N fr改变改变N可得不同输出频率。可得不同输出频率。 频率分辨率为频率分辨率为fr。参考分频器由参考分频器由12级二进制计数器构成。取分频比级二进制计数器构成。取分频比 R = 28 = 256，则得，则得频率间隔为：频率间隔为：fr = 1024kHz/256 = 4kHz。CD4046组成的频率合成器实例组成的频率合成器实例N分频器采用可编程分频器分频器采用可编程分频器CC40103构成。图中构成。图中N=29。改变改变N 可获得可获得不同频率的信不同频率的信号输出。号输出。作业：作业：二、简单频率合成器存在的问题二、简单频率合成器存在的问题1. 频率间隔不能很小频率间隔不能很小2. 锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来1/N。对于输。对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N 的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能。响环路的动态性能。3. 输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。 fr 小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于fr ，以滤除，以滤除PD 输出信号中的参考频率及其谐波分量），这使频率转换时输出信号中的参考频率及其谐波分量），这使频率转换时的环路捕捉时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率的环路捕捉时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的。转换时间是矛盾的。另外，另外， fr 小不利于降低小不利于降低VCO 引入的噪声。引入的噪声。减小频率间隔而不降低参考频率减小频率间隔而不降低参考频率 fr 。采用多环式锁相频率合成器。采用多环式锁相频率合成器。解决问题的方法如下：解决问题的方法如下：由于固定分频器速度远比程序分频器由于固定分频器速度远比程序分频器的高，故采用由固定分频器与程序分的高，故采用由固定分频器与程序分频器组成的吞脉冲可变分频器，可既频器组成的吞脉冲可变分频器，可既获得小的频获得小的频 率间隔，又显著提高输出率间隔，又显著提高输出频率。频率。构成吞脉冲锁相频率合成器。构成吞脉冲锁相频率合成器。三、多环式锁相频率合成器三、多环式锁相频率合成器fA = (NA/100)frfB = NB frfo = fA + fBfA = fofB = ( NA /100 NB ) fr单环单环单环单环混频环混频环频率间隔为频率间隔为1kHz 四、吞脉冲锁相频率合成器四、吞脉冲锁相频率合成器两种计数模式的固两种计数模式的固定分频器：控制电定分频器：控制电平为高电平时，分平为高电平时，分频比为（频比为（P+1）；）；控制电平为低电平控制电平为低电平时，分频比为时，分频比为P。主计数器的模主计数器的模N必必须须大于辅助计数器大于辅助计数器的模的模A 。吞脉冲程序分频器的工作过程：吞脉冲程序分频器的工作过程：计数开始时，设模式控制电路输出为高电计数开始时，设模式控制电路输出为高电平平1，则双模分频器和主、辅计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助，则双模分频器和主、辅计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满计数器计满A个脉冲时，使模式控制电路输出低电平个脉冲时，使模式控制电路输出低电平0，使辅助计数器停止，使辅助计数器停止计数，同时使双模分频器分频比变为计数，同时使双模分频器分频比变为P，继续工作，主计数器也继续计数，继续工作，主计数器也继续计数，直至计满直至计满N个脉冲后，使模式控制电路输出恢复为高电平、双模分频器分个脉冲后，使模式控制电路输出恢复为高电平、双模分频器分频比恢复为（频比恢复为（P1），电路进入下一个计数周期。），电路进入下一个计数周期。1.吞脉冲程序分频器吞脉冲程序分频器在一个计数周期内，总计脉冲数量为在一个计数周期内，总计脉冲数量为n=(P+1)A + P (N-A) = PN+A吞脉冲可变分频器的分频比为吞脉冲可变分频器的分频比为 f0/ f0 =1/(PN+A)N、A 均为整数均为整数0、1、22. 吞脉冲集成锁相频率合成器吞脉冲集成锁相频率合成器吞脉冲程序分频器吞脉冲程序分频器吞脉冲程序分频器的分频比是吞脉冲程序分频器的分频比是PN+A，锁相环路锁定时，锁相环路锁定时可得可得f0 =(PN+A) fr12位可编程位可编程二进制计数二进制计数器。器。R: 34095（即（即212-1）。）。锁定时输出锁定时输出一脉宽极窄一脉宽极窄的脉冲；失的脉冲；失锁时，输出锁时，输出脉宽较宽且脉宽较宽且不时变化的不时变化的矩形脉冲。矩形脉冲。f0 = (PN+A) frN: 31027 （即（即210-1 ） A: 3127 （即（即27-1 ）3. MC145146吞脉冲集成锁相频率合成器吞脉冲集成锁相频率合成器MC145 系列集成频率合成器件，采用系列集成频率合成器件，采用CMOS 工艺。其中工艺。其中MC145200、MC145201工作频率可达工作频率可达2GHz。本章小结本章小结通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控制电路（制电路（AGC）、自动频率控制电路（）、自动频率控制电路（AFC）和自动相位）和自动相位控制电路（控制电路（APC），它们用来改善和提高整机的性能。），它们用来改善和提高整机的性能。AGC用来稳定输出电压或电流的幅度；用来稳定输出电压或电流的幅度；AFC 用于维持工作用于维持工作频率的稳定；频率的稳定；APC又称锁相环路（又称锁相环路（PLL），用于实现两个），用于实现两个电信号的相位同步。电信号的相位同步。锁相环路是利用相位的调节以消除频率误差的自动控制系统，锁相环路是利用相位的调节以消除频率误差的自动控制系统，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。当环路锁定时，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。当环路锁定时，环路输出信号频率与输入信号（参考信号）频率相等，但两环路输出信号频率与输入信号（参考信号）频率相等，但两信号之间保持一恒定的剩余相位误差。信号之间保持一恒定的剩余相位误差。锁相环路广泛应用于滤波、频率合成、调制与解调等方面。锁相环路广泛应用于滤波、频率合成、调制与解调等方面。在锁相环路中应搞清楚两种自动调节过程，若锁相环路的初在锁相环路中应搞清楚两种自动调节过程，若锁相环路的初始状态是失锁的，通过自身的调节，始状态是失锁的，通过自身的调节，由失锁进入锁定的过程由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频称为捕捉过程；若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程，称为率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程，称为跟踪过程。跟踪过程。捕捉特性用捕捉带表示，跟踪特性用同步带表示。捕捉特性用捕捉带表示，跟踪特性用同步带表示。锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路构成，锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路构成，基准频基准频率产生器为合成器提供高稳定的参考频率，锁相环路则利用率产生器为合成器提供高稳定的参考频率，锁相环路则利用其良好的窄带跟踪特性，使输出频率保持在参考频率的稳定其良好的窄带跟踪特性，使输出频率保持在参考频率的稳定度上。度上。采用多环锁相或吞脉冲可变分频器，可使锁相频率合成器的采用多环锁相或吞脉冲可变分频器，可使锁相频率合成器的工作频率提高，又可获得所需的频率间隔。工作频率提高，又可获得所需的频率间隔。感谢使用本高频电子线路电子教案感谢使用本高频电子线路电子教案欢迎提出宝贵意见欢迎提出宝贵意见