锁相技术与频率合成器(讲座复习资料)

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1、锁相技术与频率合成器第一节教学主要内容一、反馈控制电路(一)基本概念1．采用反馈控制电路的目的是提高通信系统的技术性能，或者实现某些特殊的高指标要求。2．通信系统中常用的有自动振幅控制、自动频率控制和自动相位控制。3．反馈控制电路是由被控对象和反馈控制器两部分组成。图10-1　反馈控制电路的组成方框图4．反馈控制电路中Xo为系统的输出量，XR为系统的输入量，是反馈控制器的比较标准。5．根据实际工作的需要，每个反馈控制电路的Xo和XR之间都具有确定的关系，例如Xo=g(XR)。若这一关系受到破坏，则反馈控制器就能够检测出输出量与输入量

2、的关系偏离Xo=g(XR)的程度，产生相应的误差量Xe,加到被控对象上对输出量Xo进行调整，使Xo与XR之间的关系接近或恢复到预定的关系Xo=g(XR)。(二)自动相位控制电路(锁相环路)1．用途：在通信系统中能实现频率合成、频率跟踪等许多功能。2.锁相环路的被控量是相位，被控对象是压控振荡器(VCO)。在反馈控制器中对振荡相位进行比较。利用误差量对VCO的输出相位进行调整。图10-4　自动相位控制方框图2373.VCO输出电压的相位受uc控制。而uc是VCO的输出电压的相位θV与环路输入相位θR经鉴相器产生的误差电压ue经环路滤波

3、器后得到的控制电压。4．控制环路的输入量为θR，输出量为θV。二、自动相位控制电路(锁相环路)(一)锁相环路的基本原理1．鉴相器及其相位模型(1)功能：比较输入信号相位和VCO输出信号的相位，其输出电压与两信号的相位差成正比。(2)实现电路：模拟乘法器图10-5　等效鉴相器(3)鉴相特性鉴相器的输入信号分别为uV(t)=UVmcos［ωot+θV(t)］uR(t)=URmsin［ωRt+θR(t)］=URmsin［ωot+(ωR-ωo)t+θR(t)］=URmsin［ωot+θ1(t)］式中，θ1(t)=(ωR-ωo)t+θR(t)

4、称为输入信号以相位ωot为参考的瞬时相位。经相乘器，其输出电压为KMuR(t)uV(t)=KMURmsin［ωot+θ1(t)］UVmcos［ωot+θV(t)］=KMURmUVmsin［2ωot+θ1(t)+θV(t)］+KMURmUVmsin［θ1(t)-θV(t)］式中，KM为乘积系数，单位1/V。由于环路有低通滤波，起作用的是低频分量，即ud(t)=KMURmUVmsin［θ1(t)-θV(t)］=Kdsinθe(t)式中，Kd=KMURmUVm/2为鉴相器的最大输出电压。θe(t)=θ1(t)-θV(t)为鉴相器输入信号的

5、瞬时相差。可见，乘法器作为鉴相器的鉴相特性是正弦特性。(4)鉴相器的相位模型237图10-6　鉴相器的相位模型2．VCO及其相位模型(1)功能：它是一种电压--频率变换器，振荡频率ωV(t)受电压uc(t)的控制。(2)VCO的频率与电压的关系图10-7　压控振荡器调频特性在一定范围内，ωV与uc的关系可认为是线性的，即ωV(t)=ωo+KVuc(t)式中，ωo是uc(t)=0时，压控振荡器的固有振荡频率,KV是压控振荡器调频特性的斜率。称为压控灵敏度(rad/s·V)。(3)VCO输出电压相位与uc(t)的关系VCO输出电压的瞬时

6、总相位为dt=ωot+KVdt而以ωot为参考相位的瞬时相位为θV(t)=KVdt=式中，微分算子p=d/dt。(4)VCO的相位模型237图10-8　VCO的相位模型3．环路滤波器及其相位模型(1)功能：滤除鉴相器输出的高频部分，并抑制噪声，提高环路的稳定性。(2)电路形式：常用有RC滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器等。(3)环路滤波器输出与输入的关系uc(t)=KF(p)ud(t)(4)环路滤波器的数学模型图10-9环路滤波器数学模型4．锁相环路的相位模型图10-10　锁相环路的相位模型5．锁相环路的基本方程（相位

7、控制方程）θe(t)=θ1(t)-θV(t)=θ1(t)-KdKVKF(p)sinθe(t)(1)θe(t)是鉴相器的输入信号与VCO输出信号（即鉴相器的另一输入信号）之间的瞬时相位差；(2)KdKVKF(p)sinθe(t)是控制相位差；(3)任何时候环路的瞬时相位差和控制相位差之代数和等于输入信号以相位ωot为参考的瞬时相位。6．锁相环路的频率动态平衡关系将相位控制方程对时间微分，可得频率动态平衡关系。因为p=d/dt，可得pθe(t)+KdKVKF(p)sinθe(t)=pθ1(t)(1)pθe(t)是VCO的振荡角频率偏离输

8、入信号角频率的数值，称为瞬时角频差；(2)KdKVKF(p)sinθe(t)是VCO在控制电压uc(t)=KdKF(p)sinθe(t)作用下的振荡角频率偏离的数值，称为控制角频差；(3)pθ1(t)是输入信号角频率偏离的数值，称为输