通信电子线路课件：反馈控制电路
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▪ 鉴相器的输出信号 vd (t)是输入信号 vi (t) 和压控振荡器输出
信 ▪量 ▪ 在v号后dv，(Ptv成)o(t(为经t))压环的之控路作间振滤用相荡波下位器器，差的滤压的控波控函制（振数电也荡。压可器能输vP包出(括信t)放号。大的）频，率滤将除发高生频相分应变
化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。
电压的关系可表示为：
o
o (t) o0 g[vP (t)]
式中， o0 称压控振荡器的中心
角频率或自由振荡频率，即控制
o0
电压 vP = 0时的振荡频率。
g[ ] 表示频率随电压
变化的函数关系。
0
vP
2020年11月7日
11
▪ 在一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制
电压呈线性关系，即： o (t) o0 K vp (t)
的正弦波，则 i (t) i0 是一常数， 即 vi (t) 的初始相位。
▪ 假设输出信号为：
vo (t) Vom cos[o0t o (t)] Vom cos[o (t)]
V 式 频 瞬中时率，相，位oo(m。t)为是余输弦出信信号号的以振其幅自，由振o荡0为相环位路VCo0Ot自为由参振考荡的角
▪ 不同点：一是调节对象不同。（有频率F与相位P） 二是分析方法不同。
▼ 负反馈放大器有放大器与 线性反馈电路； ▼ 反馈控制系统除有放大器外，还有非线性部件， 要用非线性分析方法。
（3）反馈控制系统的特点 ▪ AFC的特点是：误差信号是频率，所以稳定时有频差。 ▪ APC的特点是：误差信号是相位，所以稳定时只有相差。
反馈控制电路
6.1 反馈控制电路概 述 6.2 PLL基本原理
6.2.1 PLL各部件的特性与数学模型 6.2.2 PLL的环路方程与相位模型 6.3 集成锁相环介绍
2020年11月7日
1
6.1 反馈控制电路概 述
（1）三种反馈控制系统分类
▪ 自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路。
2020年11月7日
6
▪ 锁相环路具有两种工作状态：
(1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程；
(2)锁定状态──VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制 变化的过程。
▼ 当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入信号 频率的方向变化，这就是捕获状态。
▼ 当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦 波，则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们
2020年11月7日
9
▪ 正弦鉴相器的数学模型 vd (t) Kd sin (t)
2020年11月7日
10
二 压控振荡器 (VCO)
▪ 在PLL中，压控振荡器是在外加控制电压 vP (t) 的作用下，
输出信号频率按一定规律变化的振荡电路。它的工作原理与 电路和前面所讲的调频电路基本相同。
▪ 压控振荡器的一般特性如下图 所示。它的振荡频率与控制
之间的相位差为一ຫໍສະໝຸດ Baidu值，这种状态称为环路的锁定状态。
▪ 锁相环通常有两种不同的跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。
▼ 压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态 就是调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪
环路可实现高质量的调角信号的解调。
▼ 压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就
▪ VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。基本要求是：
频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度要好；
线性区域要宽；噪声尽可能低 。
而这些要求之间往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。
2020年11月7日
12
t
o (t) o0t k 0 vp (t)dt o0t 2 (t)
▼ 时域模型：
式中，i (t) 为输入信号 vi (t) 的瞬时相位； o (t) 为压控振荡器输出信号 vo (t) 的瞬时相位。
2020年11月7日
8
▪ 设相乘器的相乘系数为 k，单位为1/V。输入信号为：
vi (t) Vim sin[ i0t i (t)] Vim sin[ i (t)]
V 式以中载，波相i位m 为正i0弦t 信为号参的考振的幅瞬，时相i位0 为。中若心输角入频信率号，为i一(t固) 是定
K 其单中位,为（ra是d 曲/ S线V的斜）率。，也称压控振荡器的调制灵敏度。
▪ 在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬 时角频率而是它的瞬时相位。
t
o (t) o0t k 0 vp (t)dt o0t 2 (t)
由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称为 环路中的固有积分环节。
vP (t) K
1 2 (t)
p
▼ 频域模型：
vP (s) K
1 2(s)
s
2020年11月7日
13
三 环路滤波器 （LF ）
▪ 锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能： 第一，滤除误差信号中的高频分量； 第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪 声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。
2020年11月7日
3
自动电平控制电路
比较放大器
可控增益放大器
直流放大器
2020年11月7日
振幅检波器
4
自动频率控制电路
混频器
差频放大器
限幅鉴频器
压控振荡器 VCO
2020年11月7日
放大器
5
6.2 PLL基本原理： 6.2.1 PLL的方框原理图
（1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。 （2）基本原理：
▪ 自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统， AFC电路控制的是信号的频率。
▪ 自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。 (Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位反馈控制系统， 锁相环路控制的是信号的相位。
2020年11月7日
2
（2）反馈控制系统的原理（与负反馈放大器比较） ▪ 相同点：皆是自动调节系统。
称之为载波跟踪状态，这叫载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。
2020年11月7日
7
6.2.2 PLL各部件的特性与数学模型： 一 鉴相器 （PD）
▪ 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样 鉴相器和鉴频鉴相器等。 ▪ 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。
vd (t) f [i (t) o (t)]
信 ▪量 ▪ 在v号后dv，(Ptv成)o(t(为经t))压环的之控路作间振滤用相荡波下位器器，差的滤压的控波控函制（振数电也荡。压可器能输vP包出(括信t)放号。大的）频，率滤将除发高生频相分应变
化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。
电压的关系可表示为：
o
o (t) o0 g[vP (t)]
式中， o0 称压控振荡器的中心
角频率或自由振荡频率，即控制
o0
电压 vP = 0时的振荡频率。
g[ ] 表示频率随电压
变化的函数关系。
0
vP
2020年11月7日
11
▪ 在一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制
电压呈线性关系，即： o (t) o0 K vp (t)
的正弦波，则 i (t) i0 是一常数， 即 vi (t) 的初始相位。
▪ 假设输出信号为：
vo (t) Vom cos[o0t o (t)] Vom cos[o (t)]
V 式 频 瞬中时率，相，位oo(m。t)为是余输弦出信信号号的以振其幅自，由振o荡0为相环位路VCo0Ot自为由参振考荡的角
▪ 不同点：一是调节对象不同。（有频率F与相位P） 二是分析方法不同。
▼ 负反馈放大器有放大器与 线性反馈电路； ▼ 反馈控制系统除有放大器外，还有非线性部件， 要用非线性分析方法。
（3）反馈控制系统的特点 ▪ AFC的特点是：误差信号是频率，所以稳定时有频差。 ▪ APC的特点是：误差信号是相位，所以稳定时只有相差。
反馈控制电路
6.1 反馈控制电路概 述 6.2 PLL基本原理
6.2.1 PLL各部件的特性与数学模型 6.2.2 PLL的环路方程与相位模型 6.3 集成锁相环介绍
2020年11月7日
1
6.1 反馈控制电路概 述
（1）三种反馈控制系统分类
▪ 自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路。
2020年11月7日
6
▪ 锁相环路具有两种工作状态：
(1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程；
(2)锁定状态──VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制 变化的过程。
▼ 当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入信号 频率的方向变化，这就是捕获状态。
▼ 当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦 波，则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们
2020年11月7日
9
▪ 正弦鉴相器的数学模型 vd (t) Kd sin (t)
2020年11月7日
10
二 压控振荡器 (VCO)
▪ 在PLL中，压控振荡器是在外加控制电压 vP (t) 的作用下，
输出信号频率按一定规律变化的振荡电路。它的工作原理与 电路和前面所讲的调频电路基本相同。
▪ 压控振荡器的一般特性如下图 所示。它的振荡频率与控制
之间的相位差为一ຫໍສະໝຸດ Baidu值，这种状态称为环路的锁定状态。
▪ 锁相环通常有两种不同的跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。
▼ 压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态 就是调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪
环路可实现高质量的调角信号的解调。
▼ 压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就
▪ VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。基本要求是：
频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度要好；
线性区域要宽；噪声尽可能低 。
而这些要求之间往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。
2020年11月7日
12
t
o (t) o0t k 0 vp (t)dt o0t 2 (t)
▼ 时域模型：
式中，i (t) 为输入信号 vi (t) 的瞬时相位； o (t) 为压控振荡器输出信号 vo (t) 的瞬时相位。
2020年11月7日
8
▪ 设相乘器的相乘系数为 k，单位为1/V。输入信号为：
vi (t) Vim sin[ i0t i (t)] Vim sin[ i (t)]
V 式以中载，波相i位m 为正i0弦t 信为号参的考振的幅瞬，时相i位0 为。中若心输角入频信率号，为i一(t固) 是定
K 其单中位,为（ra是d 曲/ S线V的斜）率。，也称压控振荡器的调制灵敏度。
▪ 在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬 时角频率而是它的瞬时相位。
t
o (t) o0t k 0 vp (t)dt o0t 2 (t)
由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称为 环路中的固有积分环节。
vP (t) K
1 2 (t)
p
▼ 频域模型：
vP (s) K
1 2(s)
s
2020年11月7日
13
三 环路滤波器 （LF ）
▪ 锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能： 第一，滤除误差信号中的高频分量； 第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪 声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。
2020年11月7日
3
自动电平控制电路
比较放大器
可控增益放大器
直流放大器
2020年11月7日
振幅检波器
4
自动频率控制电路
混频器
差频放大器
限幅鉴频器
压控振荡器 VCO
2020年11月7日
放大器
5
6.2 PLL基本原理： 6.2.1 PLL的方框原理图
（1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。 （2）基本原理：
▪ 自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统， AFC电路控制的是信号的频率。
▪ 自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。 (Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位反馈控制系统， 锁相环路控制的是信号的相位。
2020年11月7日
2
（2）反馈控制系统的原理（与负反馈放大器比较） ▪ 相同点：皆是自动调节系统。
称之为载波跟踪状态，这叫载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。
2020年11月7日
7
6.2.2 PLL各部件的特性与数学模型： 一 鉴相器 （PD）
▪ 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样 鉴相器和鉴频鉴相器等。 ▪ 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。
vd (t) f [i (t) o (t)]