《反馈控制电路》PPT课件

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按电路构成分类 模拟PLL:模拟PD LF VCO 数字PLL:全数字:数字PD 数字LF 数字VCO
模拟+ 数字:数字PD 模拟 LF 模拟VCO
按用途分类 通用 PLL 专用 PLL
一、通用型单片集成锁相环路L562
内部结构
工作频率达30MHz
引脚
L562内部VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路
7.3 锁相环路(PLL) 主要要求:
掌握PLL的作用、基本组成和工作原理 了解PLL的数学模型 了解PLL的捕捉与跟踪 了解集成PLL及其应用
7.3.1 锁相环路基本 原理
鉴相器(PD):用以比较ui、 uo相位, 输出反映相位误差
的电压uD(t)。 环路滤波器(LF):用以滤除误差信号中的高频分量和噪 声,提高系统稳定性。
内部VCO 产生50% 占空比的方波。输出 电平可与TTL电平或CMOS 电平兼容。
具有相位锁定状态指示
信号输入端:允许输 入0.1V左右的小信号 或方波,经A1放大和 整形,提供满足PD要 求的方波。 PDⅠ由异或门构成, 具有三角形鉴相特性。
它要求两个输入信号 均为50%占空比的方波。 当无输入信号时,其 输出电压为VDD/2,用 以确定VCO的自由振 荡频率。
振荡频率为
f0
I0 4CU D
gm uc (t) 4CU D
Ao uc (t )
式中I 0 gm uc (t )
Ao
gm 4CU D
是VCO的控制灵敏度
二、CMOS锁相环路CD4046
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲 放大器、输入信号放大与整形电路、内 部稳压器等。
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1MHz
压控振荡器(VCO):在uC(t) 控制下输出相应频率 fo。
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 这两个信号的频率必相等。
若wi ≠wo,则ui(t) 和uo(t) 之间产生相位变化 ,鉴相器输出误
差电压uD(t) ,它与瞬时误差相位成正比,经过环路滤波,滤 除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t) ,控制VCO
通过改变对管的 电流分配比、负 反馈深度、恒流
源电流等来实现 对增益的控制。
ic1 = ic2 + ic3
Ui一定时,则 ic1 一定。 若Uc↑,则 ic2↑→ ic3↓→输出电压↓,Au↓。
利用Uc控制ic2 和 ic3的分配比来实现增益控制
7.2 自动频率控制电路 主要要求:
了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。
是高性能接收机的重要辅助电路
具有简单AGC 的调幅接收机框图 可控增益放大器
反馈控制器
LPF
简单AGC 缺点: 只要有输入信号,AGC 就起控制作用,对接收弱信号不利。
具有延迟式AGC 的调幅接收机框图
当AGC检波器输 入信号幅度小于 UR时,AGC检波 器不工作,AGC 电压为零,AGC 不起控制作用。
设鉴相器具有正弦鉴相特性,则
uD (t) Ad sine (t)
二、压控振荡器(VCO)
在uc = 0 附近,控制特性近似线性:
wo (t) wo0 Aouc (t)
Ao是控制灵敏度(增益系数),
单位 rad /(s V )
t
t
(t ) 0 w o (t )dt w o0 Ao 0 uc (t )dt
以ωo0为参考的瞬时相位o(t) 为
VCO的控制特性
o (t ) Ao
t
0 uc (t )dt
可见压控振荡器是一个理想的积分器
VCO的相位模型
将积分符号用微分算子p=d/dt 的 倒数表示,则得
o (t)
Ao p
uc (t)
三、环路滤波器(LF)
RC 积分滤波器 RC 比例积分滤波器
有源比例积分滤波器
7.3.5 锁相环路的应用
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, 没有频率误差。
(2) 频率跟踪特性:环路锁定时,VCO 输出频率能 在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。
(3) 窄带滤波特性:可以实现高频窄带带通滤波。
二、锁相鉴频电路
工作原理: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 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uc(t) 就是输入调频信号的原 调制信号。 要求:捕捉带 > 输入调频信号的最大频偏
7.2.2 应用举 例
广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路 具有AFC 的调幅接收机框图
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 等,并将本机振荡器改为VCO 。 AFC 保证了混频器输出频率接近fI ,从而提高接收机灵敏度 和选择性。
具有AFC 的调频发射机框图
鉴频器的中心频率调整在( fr - fc )上。当调频振荡器的中 心频率发生漂移时,混频器输出的频差也跟随变化,使鉴频 器输出电压发生变化,经窄带LPF 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, 调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。由于fr 稳定度很高, 因此可提高中心频率稳定度。
o(t) 是以ωo0为参考的瞬时相位。
以ωo0为参考的输入
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信号瞬时相位。
环路输入电压ui(t)为 ui (t ) U im s in(w i t )
其相位可改写为
w i t w o0t (w i w o0 )t w o0t i (t )
则ui(t)与uo(t) 之间的瞬时相位差为
e (t) i (t) o (t)
锁相环路相位模型
环路的基本方程式为
e (t)
i (t)
o (t)
i (t)
Ad AF ( p)
Ao p
sine (t)
两边对t 求导数并移项,得
pe (t) Ad Ao AF ( p) sine (t) pi (t)
pe (t) Ad Ao AF ( p) sine (t) pi (t)
7.1 自动增益控制电路
主要要求:
了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。 了解常用增益控制电路。
7.1.1 自动增益控制电路 的作用
一、AGC的组成、工作原理与作用
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 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
二、AGC的应用
捕捉过程:失锁 锁定 跟踪过程:锁定 维持锁定
未加控制电压 (即uD(t) = 0) 时的VCO振荡频率
当 wi 从低频至uD(t)
高频缓慢变化时 O
wd wa
当 wi 从高频至
低频缓慢变化时
失锁 锁 定
wPwo0
捕捉带
wH
同步带
wi wc wb
锁 失锁 定
通常捕捉带小于同步带
7.3.4 集成锁相环路
图(b)电路的传递函数为
AF
(s)
UC UD
(s) (s)
R2
1 sC
R1
R2
1 sC
1 sτ 2 1 s(τ1 τ 2 )
τ1 R1C τ 2 R2C
环路滤波器的电路模型
将AF(s) 中的复频率s 用
微分算子p 替换,可得 uc (t ) AF ( p)uD (t )
四、PLL的相位模型和基本方程
p i (t)
d i (t)
dt
wi (t) wi
wo0
称输入固有角频差,表示输入信号角频率ωi 偏离ωo0的数值。
we (t) wo (t) wi (t)
可见:锁相环路闭合后的任何时刻,瞬时角频差Δωe(t)与控制 角频差Δωo(t)之和恒等于输入固有角频差Δωi(t)
若输入固有角频差Δωi(t) =Δωi为常数,即ui(t) 为恒定频率的输入 信号,则在环路进入锁定过程中,瞬时角频差Δωe(t)不断减小, 而控制角频差Δωo(t)不断增大,两者之和恒等于Δωi,直到瞬时 角频差减小到零,控制角频差增大到Δωi ,压控振荡器的振荡角 频率ωo等于输入信号角频率ωi 时,环路进入锁定。
PDⅡ采用数字式鉴频鉴相器,输入信号只在上。升沿起作用, 故该PD能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。
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PDⅡ 。
接低电平时才 允许VCO工作
R1 、R2、C 确定VCO 频率范围。R1 控制最高频率,R2 控制 最低频率。 R2=∞ 时,最低频率为零。无输入信号时, PDⅡ 将VCO 调整到最低频率
设起始时V1导通、 V2截止,则VCC通 过V3 、 V1向C充电,充电电流为I02 。 由于V1导通时UE1≡ VCC –UBE(on) ,故 C充电使UE2下降,当其下降到( VCC – UD–UBE(on) )时, V2导通,使UC2由 VCC下降为 ( VCC – UD),致使V1截 止, VCC通过V4、 V2向C反向充电, 充电电流为I01 ,使UE1下降,直到引 起V1重新导通、 V2又截止。如此循环
7.1 自动增益控制电路 7.2 自动频率控制电路 7.3 锁相环路(PLL) 7.4 频率合成器 本章小结
引言
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 又称自动电平控制电路,简称AGC,用
于控制输出信号大小。 自动频率控制电路 简称AFC,用于维持工作频率稳定。
自动相位控制电路 简称APC,用于锁定相位,故又称锁相 环路,简称PLL。
当AGC检波器输入 信号幅度大于UR时, AGC 电路才起控 制作用。
7.1.2 增益控制电路
1. 控制晶体管发射极电流实现增益控制 Au gm gm = IE / UT 通常将控制电压 加至基极或发射极
AGC 放大电路
当信号电压↑,使 -UC↓,则IE ↓, gm ↓, Au ↓
2. 差分放大器增益控制电路
环路带宽大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。
三、调幅波的同步检波
有p/2固定相移
工作原理:输入为调幅信号或带有导频的单边带信号,LF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。
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 p/2的固定相移,因此须经过p/2的移相器加到同步检波器上, 这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相。
p e (t )
de (t)
dt
we (t)
wi
wo
称瞬时角频差,表示VCO 角频率ωo 偏离输入角频率ωi 的数值
Ad Ao AF ( p) s in e (t ) wo (t ) wo wo0
称控制角频差,表示压控振荡器在 uc(t)=AdAF(p)sin[e(t)] 的作
用下,产生振荡角频率ωo 偏离ωo0的数值。
7.2.1 工作原理
当 fr = fo时, uD(t) = 0 ,fo不变
当 fr ≠ fo时,uD(t) 正比于 ( fo – fr ),得uc(t)控制 fo向 fr 接近
经若干调节周期,环路最后锁定在 fo = fr + f 这个 f 称为剩余频率误差,简称剩余频差。 有剩余频差是AFC 的缺点。 鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大,则 f 越小。
的角频率 wo ,去接近wi 。 最终使 wi = wo ,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。
7.3.2 锁相环路的数学
模型
一、鉴相器(PD)
设压控振荡器的输出电压为 uo (t ) Uom c oswo0t o (t )
ωo0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率;
环路锁定时的相位误差e(t) 是一个固定值,用e∝ 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。
环路锁定时,Δωi 增大,e∝ 也相应增大。说明Δωi 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
大,因而产生这个控制电压的e∝ 也就越大。但Δωi 过大,环路 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
由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。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Δωp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 路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。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 同步带(又称跟踪带),用ΔωH表示。
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