锁相环路与频率合成技术

第7章锁相环路与频率合成技术通信电子设备中，为了提高性能满足某些特殊要求广泛采用各类型反馈控制电路。引言：反馈控制对象XiXeXoXo自动控制增益(AGC—AutomaticGainControl)自动控制增益(AFC—AutomaticFrequencyControl)自动控制增益(APC—AutomaticPhaseControl)比较和调节参量Xi、XvAGCAFCAPC作用电流、电压控制Uom频率稳定f相位锁定相位7.1自动增益与频率控制电路一、AGC的作用用途举例：收音机、电台声音变化、接收机环境变化反馈控制器比较器直流放大器振幅检波器uoUCuiUR可控增益放大器Au高频放大器混频器中频放大器检波器低频信号RCAGC电压UCUomUim无AGC简单AGC控制特性低通低频信号电压（反映包络变化规律），随输入载波幅度作相应变化的信号与输出低频信号相比，反映载波幅度的输出电压的变化，是极为缓慢的，低通滤波把直流电压取出来回到各被控级（高放、中放级）问题：有输入信号，AGC就起控制作用，对接收弱信号不利改进：延迟式AGC电路高频放大器混频器中频放大器检波器低频信号AGC电压UR中频放大器AGC检波器OUomUimUR无AGC延迟式AGC控制特性二、增益控制电路举例：１、控制晶体管发射极电流实现增益控制-UC+VCCAu与gm有关gm与IE有关当信号电压↑,使-UC↓，则IE↓,gm↓,Au↓２.差分放大器增益控制电路V2V3差分电路V4V5射极跟随ui0.01μFUC0.01μF2111101.5kΩ360Ω5.1kΩV1V2V3ic1ic2ic31kΩ100ΩV4V51kΩ390Ω0.01μF0.01μF56789+6V-6VuoV1V3共射共基形式ic1=ic2+ic3uo由ic2R(1kΩ)决定若ui↑，ic1↑|uo|↑→uc↑ic2↑→ic3↓→|uo|↓７.1.2自动频率控制电路一、工作原理鉴频器UPFVCOuD(t)uC(t)frfo标准频率fo压控振荡器输出当fr=fo时，uo(t)=0，fo不变（?）当fr≠fo时，uD(t)正比于（fo–fr)→uc(t)→fo↑设fofr,使（fo–fr)↓，起到振荡频率保持在?二、应用举例调幅波输入混频器中频放大器包络检波器限幅鉴频器低通和放大压控振荡器至低放中心频率＝fi１、调幅收音机中的AFC系统调频振荡器缓冲放大器晶体振荡器混频器限幅鉴频器窄带低通uΩfcfr调制信号调频信号输出２、具有AFC电路的调频发射机框图7.2锁相环路（PLL-PhaseLockLoop)7.2.1PLL的基本原理－利用相位误差信号去消除频率误差。１、相位和频率的关系正弦信号：频率相等相位差恒定iioio.iU.oU.oU）（to２、锁相环路工作原理PDLFVCOuD(t)uC(t)输出uo(t)输入信号ui(t)iuo(t)oPD(PhaseDetector)鉴相器：比较ui、uo的相位输出uD(t)LF(LoopFilter)环路滤波器：滤除高频分量和噪声VCO(VoltageControlOscillater)压控振荡器：产生输出振荡频率o稳定频率过程：当i≠o→D(t)变化→uc(t)变化→o最终使io---锁定(|i-o|常数)7.2.3锁相环路的捕捉与跟踪过程捕捉过程：失锁=锁定跟踪过程：锁定=维持锁定当i从低频至高频缓慢变化时uD(t)Oiba0op(捕捉带)失锁a开始锁定，到b后又失锁，o0--未加控制电压时的VCO振荡频率（即uD(t)=0)当i从高频至低频缓慢变化时uD(t)Oid0ocH(同步带)失锁要到c才开始锁定，但i降到a才又失锁同步带捕捉带7.2.4集成锁相环路集成PLL分类：电路构成全模拟：模拟PDLFVCO全数字：数字PDLFVCO模拟+数字：数字PD模拟LFVCO用途通用PLL专用PLLVCO电压控制变容二极各电容→振荡频率射极耦合多谐振荡器频率高积分—施密特触发器多谐振荡频率低图-7.2.10射极耦合多谐振荡器分析初始V1通，C充电，VE2↓V3+VCC（18V）V2V1V4CR1R2u0-+uC(t)I01I0217.3V通16.8V17.3V截16.8V↓V2通，V1截止一、通用型单片集成锁相环路L562最高工作频率—30MHzA1A3A2VCO限幅器鉴相器VCO输出VCO输入偏压基准同步带调节地输入环路滤波器去加重解调输出CVOCVCC12345678910111213141516PD0.01μF解调输出PDA1A2A3VCO限幅器0.01μ0.01μF0.1μ0.01μF0.01μF51Ω51Ω15kΩ11kΩ12kΩ1kΩ1kΩ(10.7MHz)1kΩc4VDD(+18V)c3Ui(t)VCO30pFC5~30pF同步带调节123456789101112151314偏压16外接电路（调频解调）C4提高解调电路抗干扰性二、CMOS锁相环CD4046A1A2VCOPDIIPDI÷N信号输入+VDD(5~15V)禁止R1R2VSSCR8R5R4VDDC2VZ+-1213346711125891015特点：１、两个鉴相器（选其一工作）PDI：有三角形鉴相特性要求：两输入信号占空比为50%方波无输入时，输出电压VDD/2o鉴相特性输入信噪比及固有频差较小时采用PDII:数字式鉴频鉴相器只对上升沿起作用ouD(t))(te鉴相区鉴频区鉴频区Udm-Udm22fifofifofi=fo输出与uD(t)无关鉴相特性输入信噪比大或捕捉固有频差较大时采用7.2.5PLL的应用一、锁相鉴频电路PDLF)(teVCO输入调频信号输出解调信号uＣ(t))(to要求：捕捉带＞输入调频信号的最大频偏环路带宽＞输入调频信号中调制信号的频谱宽度二、调幅波的同步检波AMXYLPFuO(t)ur(t)us(t)复习同步检波解调电压输出同步信号ui(t)PDLFVCO/2移相器同步检波器同步信号提取电路有/2固定相移三、锁相接收机（窄带跟踪环路）本地标准中频信号混频器中频放大器PD输入信号VCOLF中频信号输出PLL+混频器+中频放大io7.3频率合成技术频率合成目的：利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列间隔的离散频率信号用途：通信系统的载波，步一供应关系实现频道转换频率合成方式直接合成间接合成（锁相环路法）混频f1f2f2f1+优：转换时间短缺：离散频率不能太多，电路复杂7.3.1评价频率合成性能的主要技术指标1、频率范围最低~最高输出频率2、频率间隔（分辩力）－相邻频率之间的最小间隔3、频率转换时间从一个（离散频率）转换到另一个频率达到稳定工作所需时间4、频率准确度和稳定度5、频谱纯度输出信号接近正弦波的程度f0选定频率理想：-120-100-80-60-100-20选定频率寄生频率相位噪声谐波ff02fo3fo0相对幅度（dB)实际：来自混频器的高次组合频率7.3.2锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器晶体振荡器参考分频器÷RPDLFVCO分频器÷Nfsfrfofo/Nfs/Rfr=fs/R锁定时fr=fs/R=fo/N所以fo=Nfs/R=NfrCD4046应用实例：1024kCC404013CD4046CC40103÷N4kHzfo可编程分频器N=2912级二进制计数器取R=28=256fr=1024k/256=4kHz频率间隔fo=Nfr二、简单频率合成器存在的问题1、减小频率间隔与提高频率转换速度相矛盾解释：减小fr，因(BWfr)则BW减小，LF滤除fo，当一个输出频率转换到另一个频率时，环路的捕捉时间或跟踪时间就加强，使频率转换时间加长2、接入分频器后，环路增益下降为原来的1/N，影响环路的动态工作性能。3、可编程分频器工作频率低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求改进思想：减小频率间隔fr，而不影响BW三、多环式锁相频率合成器例：三环鉴相环路滤波VCO÷M÷NA鉴相÷NB混频（一）环路滤波带通VCO环路滤波VCO鉴相固定分频程序分频M=100fr=100kHZfAfBfO程序分频BCfA=(NA/100)frfB=NBfr已知：由300=NA=399推出300kHz=fA=399kHz由351=NB=397推出35.1MHz=fB=39.7MHzfA=fo-fB即：fo=fA+fB35.4MHz=fo=40.09MHz如果将fA、fB直接加入混频器,因fA+fB和fA－fB很接近，故带通滤波器很难将它们分离（且fB大，fA小）而采用了锁相环路就能很好地加以分离。