《反馈控制电路》PPT课件

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
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
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。
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
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1 、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
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
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。
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
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
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
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
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；
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。
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。
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
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。
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。
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
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)
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