第三节频率合成器优秀PPT.ppt

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1、第三节频率合成器第三节频率合成器第一页，本课件共有53页教学要求教学要求了解了解反馈控制电路的三种基本形式及工作原理。反馈控制电路的三种基本形式及工作原理。掌握掌握锁相环路的系统组成、电路模型、环路方程和工锁相环路的系统组成、电路模型、环路方程和工作原理。作原理。掌握掌握环路跟踪特性的分析方法和结论。环路跟踪特性的分析方法和结论。了解了解集成锁相环路的电路原理及其应用。集成锁相环路的电路原理及其应用。掌握掌握频率合成器的概念、电路组成、工作原理和性能频率合成器的概念、电路组成、工作原理和性能指标。指标。了解了解DDS频率合成器的工作原理和性能特点。频率合成器的工作原理和性能特点。第二页，本课件

2、共有53页10.1 概述概述为了提高通信和电子系统的性能指标，或者实现某些特定的要为了提高通信和电子系统的性能指标，或者实现某些特定的要求，必须采用自动控制方式。由此，各种类型的反馈控制电路求，必须采用自动控制方式。由此，各种类型的反馈控制电路便应运而生了。便应运而生了。反馈控制电路可分为三类：反馈控制电路可分为三类：自动增益控制自动增益控制(Automatic Gain Control，简称，简称AGC)自动频率控制自动频率控制(Automatic Frequency Control，简称，简称AFC)自动相位控制自动相位控制(Automatie Phase Control，简称，简称APC

3、)自动相位控制电路又称为自动相位控制电路又称为锁相环路锁相环路(Phase Locked Loop，简称，简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路。，是应用最广的一种反馈控制电路。第三页，本课件共有53页基本原理与分析方法基本原理与分析方法 在反馈控制电路里，在反馈控制电路里，比较器、控制信号发生器、可控器件、反馈网络比较器、控制信号发生器、可控器件、反馈网络四四部分构成了一个负反馈闭合环路。部分构成了一个负反馈闭合环路。可控器件可控器件比较器比较器反馈网络反馈网络 控制信控制信号发生器号发生器参考信号参考信号xr(t)反馈信号反馈信号xf(t)误差信号误差信号xe(t)控制信号控制信号xc

4、(t)输出信号输出信号xy(t)输入信号输入信号xi(t)根据参考信号的不同情况，反馈控制电路的工作情况有两种。根据参考信号的不同情况，反馈控制电路的工作情况有两种。(1)参考信号参考信号xr(t)不变，恒定为不变，恒定为xro(2)参考信号参考信号xr(t)变化变化第四页，本课件共有53页数学模型数学模型 将将反反馈馈控控制制电电路路近近似似作作为为一一个个线线性性系系统统分分析析。由由于于直直接接采采用用时时域域分分析析法法比比较较复复杂杂，所所以以采采用用复复频频域域分分析析法法，根根据据反反馈馈控控制制电电路路的的组组成成方方框框图图，可可画出用拉氏变换表示的数学模型画出用拉氏变换表示

5、的数学模型 图中图中Xr(s)，Xe(s)，Xc(s)，Xi(s)，Xy(s)和和Xf(s)分别是，分别是，xr(t)，xe(t)，xc(t)，xi(t)，xy(t)和和xf(t)的拉氏变换。的拉氏变换。比比较较器器输输出出的的误误差差信信号号xe(t)通通常常与与xr(t)和和xf(t)的的差差值值成成正正比比，设设比比例例系系数数为为kp，则有，则有 xe(t)=kpxr(t)-xf(t)比较器比较器 控制信控制信号发生器号发生器可控器件可控器件反馈网络反馈网络参考信号参考信号 Xr(s)反馈信号反馈信号 Xf(s)误差信号误差信号 Xe(s)控制信号控制信号 Xc(s)输出信号输出信号

6、Xy(s)输入信号输入信号 Xi(s)kpH1(s)kcH2(s)写成拉氏变换式，有写成拉氏变换式，有Xe(s)=kpXr(s)-Xf(s)可控器件作为线性器件，有可控器件作为线性器件，有 xy(t)=kc xc(t)，kc是比例系数。是比例系数。写成拉氏变换式，有写成拉氏变换式，有Xy(s)=kc Xc(s)实实际际电电路路中中一一般般都都包包括括滤滤波波器器，其其位位置置可可归归纳纳在在控控制制信信号号发发生生器器或或反反馈馈网网络络中中，所所以将这两个环节看作线性网络。其传递函数分别为以将这两个环节看作线性网络。其传递函数分别为 闭环传递函数闭环传递函数 误差传递函数误差传递函数 第五页

7、，本课件共有53页自动增益控制电路自动增益控制电路 自动增益控制自动增益控制(AGC)电路的主要作用：电路的主要作用：使设备的输出电平保持为一定的数值使设备的输出电平保持为一定的数值。因。因此也称自动电平控制此也称自动电平控制(ALC)电路。电路。输入电压输入电压Ui控制信控制信号发生号发生器器k1 可控增可控增益放大益放大器器Ag比较器比较器kp低通低通滤波滤波参考电压参考电压Ur反馈电压反馈电压Uf误差电压误差电压ue控制电压控制电压uc输出电压输出电压Uy电平检电平检测测k2直流放直流放大大k3设设输输入入信信号号振振幅幅为为Ui，输输出出信信号号振振幅幅为为Uy，可可控控增增益益放放大

8、大器器增增益益为为Ag(uc)，是是控控制信号制信号uc的函数，则有的函数，则有 Uy=Ag(uc)Ui 第六页，本课件共有53页自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路）电路 AFC电路也是一种反馈控制电路，控制对象是压控振荡器。其主要作用是电路也是一种反馈控制电路，控制对象是压控振荡器。其主要作用是自动控制自动控制振荡器的振荡频率，保证振荡器的振荡频率稳定。振荡器的振荡频率，保证振荡器的振荡频率稳定。可控频率可控频率电路电路kc频率频率比较器比较器kp滤波器滤波器H(s)r r(s)yy(s)yue Ue(s)UcUc(s)频频率率比比较较器器的的输输出出误误差差电电压压ue与与两两个个输

9、输入入信信号号的的频频率率差差有有关关，而而与与这这两两个个信信号号的的幅度无关幅度无关，ue为为ue=kp(r-y)式中，式中，kp在一定的频率范围内为常数，实际上就是在一定的频率范围内为常数，实际上就是鉴频跨导鉴频跨导。常用的频率比较电路有两种形式：一是鉴频器，二是混频常用的频率比较电路有两种形式：一是鉴频器，二是混频-鉴频器。鉴频器。第七页，本课件共有53页锁相环路（锁相环路（PLL）锁相环路（锁相环路（Phase locked loop缩写缩写PLL）是一种相位自动控制电路，被控量）是一种相位自动控制电路，被控量为相位，被控对象为压控振荡器。为相位，被控对象为压控振荡器。其其作用作用是

10、实现环路输出信号与输入信号是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。PLL电路广泛应用于：电路广泛应用于：第八页，本课件共有53页一、锁相环的组成部件一、锁相环的组成部件 PLL是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实施跟踪。是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实施跟踪。三个基本部分构成一个负反馈环：三个基本部分构成一个负反馈环：PD LFVCOvi(t)vd(t)vc(t)vo(t)i(t)o(t)e(t)vo(t)PD LFVCO10.2 自动相位控制电路（锁相环）自动相位控制电路（锁相环）第九

11、页，本课件共有53页1.鉴相器（鉴相器（PD）即即 PDvi(t)/i(t)vo(t)/o(t)vd(t)/e(t)鉴相器是一个相位比较器，鉴相器是一个相位比较器，输出信号输出信号 是两个输入信号是两个输入信号 与与的相位差的相位差 的函数，的函数，vi(t)vo(t)正弦特性，三角波特性，锯齿波特正弦特性，三角波特性，锯齿波特性等性等，其中最基本的是，其中最基本的是正弦波特性正弦波特性，它可用一个模拟乘法器与低通滤波它可用一个模拟乘法器与低通滤波器串接而成。器串接而成。e(t)vd(t)鉴相特性的形式有许多种，鉴相特性的形式有许多种，如如:乘法器乘法器低通滤低通滤波波PDvi(t)vo(t)

12、vd(t)如果设环路输入信号：如果设环路输入信号：PLL环输出的反馈信号：环输出的反馈信号：经过相乘，并滤除和频分量，可得输出的误差电压为：经过相乘，并滤除和频分量，可得输出的误差电压为：其中其中 e(t)为输入信号的瞬时相位差。为输入信号的瞬时相位差。可得鉴相器的数学模型可得鉴相器的数学模型:1(t)-2(t)另外可看出：当另外可看出：当eR2 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器如果将如果将F(s)中的中的s用微分算子用微分算子p替代，可写出滤波器的输出电压替代，可写出滤波器的输出电压vc(t)与与输入信号输入信号vd(t)之间的微分方程：之间的微分方程：其中其中 为微分算子，为微分算子，

13、由由上上式式可可得得环环路路滤滤波波器器的的电电路路模模型如右图所示。型如右图所示。F(p)vd（t）vc（t）有源比例积分有源比例积分滤波器滤波器R1R2C-+综上：综上：第十二页，本课件共有53页3.压控振荡器（压控振荡器（VCO）压控振荡器：压控振荡器：是瞬时频率是瞬时频率 控制的振荡器控制的振荡器。其控制特性可。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。用压控特性曲线来描述，如右图所示。ovc(t)c其中：其中：时的固有振荡频率：时的固有振荡频率：K0：压控灵敏度：压控灵敏度 由于由于VCO的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，

14、VCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位对鉴相器起作用的不是其频率而是相位，故对上式积分即可求，故对上式积分即可求出相位：出相位：上式中：上式中：为积分算子为积分算子 压控振荡器数学模型如右图所示。压控振荡器数学模型如右图所示。K0/p第十三页，本课件共有53页 F(p)1(t)e(t)KO/p2(t)二、锁相环路相位模型和基本方程二、锁相环路相位模型和基本方程1.相位模型相位模型 将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：相环路相位模型，如下图所示：2.基本方程基本方程 根据

15、锁相环路相位模型，可得以相位形式表示的基本微分方程：根据锁相环路相位模型，可得以相位形式表示的基本微分方程：环路的微分方程为：环路的微分方程为：物理物理意义意义（1）是鉴相器的输入信号与是鉴相器的输入信号与VCO输出信号之间的瞬时相位差；输出信号之间的瞬时相位差；（2）是控制相位差。它是是控制相位差。它是 通过闭环逐级处理得到的相位控制量；通过闭环逐级处理得到的相位控制量；（3）相位控制方程描述了环路相位的动态平衡关系，即任何时刻，环路的瞬）相位控制方程描述了环路相位的动态平衡关系，即任何时刻，环路的瞬时相位差和控制相位差的代数和等于输入信号以相位时相位差和控制相位差的代数和等于输入信号以相位

16、 为参考的瞬时相位。为参考的瞬时相位。第十四页，本课件共有53页3.环路工作的定性分析环路工作的定性分析 设输入信号为固定频率的正弦信号（即设输入信号为固定频率的正弦信号（即 均为常量）均为常量）由于由于 有：有：固有角频差固有角频差 代入环路的微分方程可得：代入环路的微分方程可得：上式左边第一项上式左边第一项环路的环路的瞬时角频差瞬时角频差。左边第二项：左边第二项：是是VCO受控制电压受控制电压Vc(t)的作用后输出的瞬时角频率的作用后输出的瞬时角频率 与固有振荡频率与固有振荡频率 之差，称为之差，称为控制角频差控制角频差。由以上分析可得：由以上分析可得：结论：闭合环路中任何时刻满足：结论：

17、闭合环路中任何时刻满足：瞬时频差瞬时频差+控制频差控制频差=输入的固有频差输入的固有频差 第十五页，本课件共有53页4.环路环路“锁定锁定”的基本概念的基本概念（一）环路进入锁定状态的过程（一）环路进入锁定状态的过程 当环路输入一个频率和相位不变的信号当环路输入一个频率和相位不变的信号 时，根据以时，根据以 为参考相为参考相位可得位可得 根据环路方程可得根据环路方程可得 1、当环路闭合瞬间、当环路闭合瞬间 ，则，则 ，无控制角频差，此时环路的，无控制角频差，此时环路的瞬时角频差等于输入固有角频差。瞬时角频差等于输入固有角频差。2、随着时间、随着时间t的增加，有控制电压产生，控制角频差就产生。的

18、增加，有控制电压产生，控制角频差就产生。随着控制角频差随着控制角频差的增大，瞬时角频差就减小，二者之和等于输入固有角频差的增大，瞬时角频差就减小，二者之和等于输入固有角频差。3、当控制角频差随着时间、当控制角频差随着时间 t 的增加到等于输入固有角频差时，瞬时角频差的增加到等于输入固有角频差时，瞬时角频差为零，即为零，即 。这时。这时 是一固定值，不随时间变化。若能一直保持下去，是一固定值，不随时间变化。若能一直保持下去，则则认为进入锁定状态认为进入锁定状态。第十六页，本课件共有53页（二）环路进入锁定状态的特点（二）环路进入锁定状态的特点 1、压控振荡器输出电压的角频率、压控振荡器输出电压的

19、角频率 等于输入信号角频率等于输入信号角频率 ，即无剩余频差，即无剩余频差，。2、环路锁定后，压控振荡器输出信号与输入信号之间只存在一个固定的稳态相位差，、环路锁定后，压控振荡器输出信号与输入信号之间只存在一个固定的稳态相位差，即剩余相位差即剩余相位差 为一固定值。为一固定值。3、环路处于锁定状态时，鉴相器的输出电压为直流、环路处于锁定状态时，鉴相器的输出电压为直流 4、环路处于锁定状态时，因为、环路处于锁定状态时，因为 为直流，则为直流，则 式中，式中，为环路的直流总增益，单位为环路的直流总增益，单位 。第十七页，本课件共有53页三、锁相环路的工作原理三、锁相环路的工作原理设设压压控控振振荡

20、荡器器的的固固有有振振荡荡频频率率为为0，而而当当环环路路闭闭合合瞬瞬间间外外输输入入信信号号角角频频率率i与与0即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：失锁状态失锁状态 如果如果:环路固有角频差环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带环路低通滤波器的通频带 则差拍电压则差拍电压 将被滤除，而不能形成控制电压将被滤除，而不能形成控制电压 压控振荡器输出角频率压控振荡器输出角频率 不变化即不变化即则则 即：即：环路的瞬时频差环路的瞬时频差=固有频差固有频差环路此时处于失锁状态。环路此时处于失锁状态。第十八页，本课件共有53页锁定状态锁定状态 由于由于

21、 很接近很接近，所以，所以 很可能摆动到很可能摆动到 上，当上，当 时：相位差时：相位差 如果如果 十分接近十分接近 ，即固有频差，即固有频差 ，则差拍电压，则差拍电压 不会被环路滤波器滤除而形成控制电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 ，去控制压，去控制压控振荡器，控振荡器，VCO产生中心频率为产生中心频率为 的调频信号的调频信号VCO的瞬时振荡频率的瞬时振荡频率 将以将以 为中心在一定范围内来回摆动，为中心在一定范围内来回摆动，即环路产生了控制频差即环路产生了控制频差 此此时时鉴鉴相相器器输输出出电电压压是是一一个个较较小小的的直直流流电电压压，环环路路进进入入锁锁定定状态。状态。第十九

22、页，本课件共有53页牵引捕捉状态牵引捕捉状态 当当 介于上述两者之间时，如果介于上述两者之间时，如果VCO的瞬时频率的瞬时频率 围绕围绕 为中心摆动的范围小，至使为中心摆动的范围小，至使 不可能摆动到不可能摆动到 处处时，环路不能立即入锁。此时时，环路不能立即入锁。此时VCO输出的调频波，其调制输出的调频波，其调制频率就是差拍频率，与输入信号频率就是差拍频率，与输入信号 经鉴相器经鉴相器PD 鉴相，输出鉴相，输出一个正弦波与调频波的差拍电压：一个正弦波与调频波的差拍电压：如果令如果令:另有另有 其中其中 显然显然 不再是一个正弦电压，而是一个上下不对称的不再是一个正弦电压，而是一个上下不对称的

23、差拍电压；经环路滤波后有直流电压差拍电压；经环路滤波后有直流电压 加到加到VCO的的 控制端，从而使控制端，从而使 的偏移增大，使的偏移增大，使 更接更接,上述过程持续直上述过程持续直到到，环路进入锁定状态。，环路进入锁定状态。vdt第二十页，本课件共有53页跟踪状态跟踪状态当环路已处于锁定状态后，如果当环路已处于锁定状态后，如果 的频率和相位的频率和相位有稍变化时，有稍变化时，例如：例如：则则 直到直到，状态锁定为止。，状态锁定为止。evd同理同理:如果如果 则则 直到直到，状态锁定为止。，状态锁定为止。cvc第二十一页，本课件共有53页四、锁相环性能分析四、锁相环性能分析 锁相环性能主要指

24、标有：锁相环性能主要指标有：同同步步带带宽宽 捕捕捉捉带带宽宽 稳态相差稳态相差1.同步带宽同步带宽 设设环环路路已已处处于于锁锁定定状状态态，当当缓缓慢慢改改变变输输入入信信号号频频率率使使固固有有频频差差值值向向正正或或负负方方向向逐逐步步增增大大时时，由由于于环环路路的的自自身身调调节节作作用用，能够维持环路锁定的最大频差能够维持环路锁定的最大频差 称为环路同步带称为环路同步带，记作，记作。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于也是对称的。也是对称的。2.捕捉带宽捕捉带宽 设锁相环路处于失锁状态，改变设锁相环路处于失锁状态，改变

25、 使固有频差使固有频差 减少减少,环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值 称为环路称为环路捕捉带捕捉带 。通常。通常 。第二十二页，本课件共有53页3.稳态相差稳态相差e()环路处于锁定状态时，存在着的固定相差称为稳态相位误差环路处于锁定状态时，存在着的固定相差称为稳态相位误差e()。由方程：由方程：环路锁定意味着瞬时频差为零，即环路锁定意味着瞬时频差为零，即 此时此时 式中，式中，为环路直流总增益，其值增大可使为环路直流总增益，其值增大可使 减少。减少。第二十三页，本课件共有53页4锁相环性能特点锁相环性能特点锁锁相相环环路路用用作作调调频频信信号号

26、解解调调时时，与与普普通通鉴鉴频频器器相相比比较较，有有低低门门限限信信噪噪比比特特性性。这这是是因因为为环环路路有有反反馈馈控控制制作作用用，跟跟踪踪相相位位差差小小，降降低低了了鉴鉴相相特特性性的的非非线线形形影响，从而改善了门限效应。影响，从而改善了门限效应。（1）环路在锁定状态下无剩余频差）环路在锁定状态下无剩余频差锁相环路对输入的固定基准频率锁定后，锁相环路对输入的固定基准频率锁定后，压控振荡器输出频率与基准压控振荡器输出频率与基准频率的频差为零。环路输出可做到无剩余频差存在频率的频差为零。环路输出可做到无剩余频差存在，是一个理想的频率控制，是一个理想的频率控制系统。系统。（2）锁相

27、环有良好的窄带特性）锁相环有良好的窄带特性锁相环具有窄带特性，锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在输入频率上时，仅位当压控振荡器频率锁定在输入频率上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形式进入环路，而绝于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形式进入环路，而绝大多数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制大多数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制，从而减少了对压控振，从而减少了对压控振荡器的影响。荡器的影响。（3）良好的跟踪特性）良好的跟踪特性VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现出良好的跟踪特性的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现出良好的跟踪特性。在接收。在接收有多普勒频移

28、的动目标时，这种特性尤为重要。有多普勒频移的动目标时，这种特性尤为重要。(4)低门限特性低门限特性第二十四页，本课件共有53页锁相环的典型应用锁相环的典型应用1.锁相倍频锁相倍频 在在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路。如图：。如图：i(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：式中：式中：N为分频器的倍频比。为分频器的倍频比。第二十五页，本课件共有53页2.锁相分频锁相分频在在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路锁相

29、环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路。如图所示：。如图所示：i(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)当环路锁定时当环路锁定时：式中：式中：N为倍频器的倍频次数。为倍频器的倍频次数。第二十六页，本课件共有53页3.锁相混频器锁相混频器 设混频器的本振信号频率为设混频器的本振信号频率为L，在，在Lo时混频器的输出频率为（时混频器的输出频率为（L-o），经差频放大器后加到鉴相器上。），经差频放大器后加到鉴相器上。当环路锁定时当环路锁定时 o(t)i(t)L(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混频混频差频放大差频放大第二十七页，本课件共有53页4.频率合成

30、器频率合成器 频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。锁相锁相环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一个标准频率进行加、减、环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号乘、除运算而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频率纯度频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频率纯度，如果结合单，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。锁相式单环频率

31、合成器基本组成如下图所示：锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：PD LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：即：当当N 改变时，输出信号频率相应为改变时，输出信号频率相应为fi 的整数倍变化。的整数倍变化。第二十八页，本课件共有53页 环环C例：下图为三环式频率合成器方框图例：下图为三环式频率合成器方框图已知：已知：求输出信号频率范围及频率间隔。求输出信号频率范围及频率间隔。环环A环环BPDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLFLFVCOfi

32、(t)fB(t)fB(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频 带通带通fo(t)fc(t)fo-fB第二十九页，本课件共有53页解：解：而而 而环路而环路C为混频环，为混频环，即当环路锁定时：即当环路锁定时：有有 当当NA=300，NB=351时，时，当当NA=301，NB=351时，时，因此频率间隔：因此频率间隔：PDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDLFVCO混频混频带通带通fo(t)fc(t)fo-fB而当而当 =399，=397时输出频率最高。时输出频率最高。所以，合成器的频率范围为：（所以，合成器的频率范围为：（35

33、.440.099）MHz第三十页，本课件共有53页5.锁相环调频电路锁相环调频电路 普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而锁相调普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而锁相调频电路能得到中心频率稳定度很高的调频信号，锁相环调频电路如频电路能得到中心频率稳定度很高的调频信号，锁相环调频电路如下图所示。环路滤波器的带宽必须很窄，截至频率应小于调制信号下图所示。环路滤波器的带宽必须很窄，截至频率应小于调制信号的频率。的频率。fi(t)晶晶振振PDLFVCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制信号调制信号+当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉冲时，可当调制

34、信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉冲时，可产生移频键控调制（产生移频键控调制（FSK信号）。信号）。调制信号作为调制信号作为VCO控制电压的一部分控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。输出端得到已调频信号。第三十一页，本课件共有53页6.锁相解调电路锁相解调电路(1)调频波解调调频波解调用锁相环实现调频波解调用锁相环实现调频波解调如如果果将将环环路路的的频频带带设设计计的的足足够够宽宽，使使环环路路捕捕捉捉带带大大于于调调频频波波的的最最大大频频偏偏，利利用用锁锁相相环环的的跟跟踪踪特特性性，可可以以使使VCO的的振振

35、荡荡频频率率跟跟踪踪输输入入调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率。如如果果VCO的的电电压压-频频率率特特性性是是线线形形的的，则则加加到到VCO的的控控制制电电压压的的变变化化规规律律必必与与调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率变变化化规规律律相相同同，因因此此在在LF的的输输出出端端可可获获得得不不失失真真的的解解调调输输出出。调调频频波波锁锁相相解解调调的的优点是解调门限值比普通鉴相器低优点是解调门限值比普通鉴相器低45dB。PDLFVCOVFM(t)调频波调频波V(t)调制信号调制信号第三十二页，本课件共有53页(2)AM信号的同步检波信号的同步检波 用锁相环实现用锁相环实现AM信号同步检波信

36、号同步检波 PDLFVCOVAM(t)调幅波调幅波V(t)调制信号调制信号/2移项移项同步检波同步检波当环路工作在载波跟踪状态时，当环路工作在载波跟踪状态时，VCO输出频率与环路输入已调信号的输出频率与环路输入已调信号的载波相同，但存在载波相同，但存在/2的固定相移。的固定相移。因此，经过因此，经过/2移项后变成与输入已调信号的载频相同的信号。移项后变成与输入已调信号的载频相同的信号。将它与输入已调信号共同加到同步检波器就能得到解调信号输将它与输入已调信号共同加到同步检波器就能得到解调信号输出。出。第三十三页，本课件共有53页BG322、X38、CD4046、MC1404b。单片集成锁相环电路

37、单片集成锁相环电路模拟锁相环路：模拟锁相环路：NE560、NE561、562、565、L562、L564、SL565、KD801、KD802、KD8041等。等。数字锁相环路：数字锁相环路：一、一、NE562 NE562（国国内内同同类类产产品品L562、KD801、KD8041）是是目目前前广广泛泛应应用的一种多功能单片锁相环路。用的一种多功能单片锁相环路。1NE562组成框图组成框图 NE562是最高工作频率可达是最高工作频率可达30MHz的通用型集成锁相环。的通用型集成锁相环。第三十四页，本课件共有53页定时电容定时电容CrPDLF限幅限幅VCOA1A2A3121115234156789

38、10131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VCO输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入 NE562123456789101112131415 16PD（鉴相器）：采用双平衡模拟乘法器（鉴相器）：采用双平衡模拟乘法器 LF：13、14脚可外接脚可外接RC元件构成环路滤波器。元件构成环路滤波器。VCO：是射极定时的压控多谐振荡器，定时电容由：是射极定时的压控多谐振荡器，定时电容由5、6脚外接电容。脚外接电容。限限幅幅器器：是是与与VCO串串接接的的一一级级控控制制电电路路，7脚脚注注入入电电流流

39、的的大大 小小可可以以控制环路的跟踪范围。控制环路的跟踪范围。放放大大器器A1、A2、A3：作作为为隔隔离离，缓缓冲冲放放大大器器，10脚脚用用于于外外接接去去加加重重电电容容。当当环环路路用用于于解解调调时时，A1，A2的的放放大大作作用用可可以以提提高高9脚脚输输出出的的解解调调信信号号的的电电平平值值。既既可可以以保保证证VCO的的频频稳稳度度，又又放放大大了了VCO的的输输出出电电压压，使使3、4脚脚输输出出的的电电压压幅幅度度增增大大到到约约4.5V，以以满满足足PD对对VCO信号电压幅度的要求。信号电压幅度的要求。11，12脚：外接输入信号。脚：外接输入信号。VCO输输出出3、4脚

40、脚与与PD的的反反馈馈信信号号输输入入端端2、15脚脚之之间间，可可外外接接其它部件以发挥多功能作用。其它部件以发挥多功能作用。第三十五页，本课件共有53页2NE562的使用说明的使用说明(1)输输入入信信号号从从11、12脚脚输输入入时时，应应采采用用电电容容耦耦合合，以以避避免免影响输入端的直流电位，要求容抗影响输入端的直流电位，要求容抗 输入电阻（输入电阻（2K ）。）。可以双端输入，也可单端输入，单端输入时，另一端应可以双端输入，也可单端输入，单端输入时，另一端应交流接地，以提高交流接地，以提高PD增益。增益。(2)环路滤波的设计环路滤波的设计 NE562常用的环路滤波器有下图所示的四

41、种形式：常用的环路滤波器有下图所示的四种形式：NE562RCRCCfCf1314NE562RCRCCf1314CfNE562RCRCCf1314RfRfNE562RCRCCf1314RfPDLF限幅限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VCO输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入第三十六页，本课件共有53页13、14脚的外接电路与脚的外接电路与NE562内部的内部的PD负载电阻负载电阻Rc共同构成积分滤波共同构成积分滤波器。器。一般已知

42、一般已知Rc=6K，Rf通常选在通常选在50200之间，根据所要求设计的环之间，根据所要求设计的环路滤波器截至频率路滤波器截至频率c可计算出可计算出 Cf值：值：对图对图(a):对图对图(b):对图对图(c):对图对图(d):NE562RCRCCfCf1314NE562RCRCCf1314CfNE562RCRCCf1314RfRfNE562RCRCCf1314Rf第三十七页，本课件共有53页(3)VCO的输出方式与频率调整的输出方式与频率调整1VCO信信号号输输出出端端3、4脚脚与与地地之之间间应应当当接接上上数数值值相相等等的的射射极极电电阻阻，阻值一般为阻值一般为2-12K，使内部射极输出

43、器的平均电流不超过，使内部射极输出器的平均电流不超过4mA.2当当VCO输输出出需需与与逻逻辑辑电电路路连连接接时时，必必须须外外接接电电平平移移动动电电路路，使使VCO输输出出端端12V的的直直流流电电平平移移到到某某一一低低电电平平值值上上，并并使使输输出出方方波符合逻辑电平要求，工作频率可达到波符合逻辑电平要求，工作频率可达到20MHz。图（图（a）为实用的单端输出）为实用的单端输出图（图（b）为实用的双端驱动的电）为实用的双端驱动的电平移动电路平移动电路NE56234图（图（a）5v输出到输出到逻辑电逻辑电平平NE5623416图（图（b）5v18v输出到输出到逻辑电逻辑电平平第三十八

44、页，本课件共有53页3VCO的的频频率率及及其其跟跟踪踪范范围围能能调调整整与与控控制制。VCO频频率率的的调调整整，除除采采用用直直接接调调节节与与定定时时电电容容并并联联的的微微变变电电容容外外，还还有有如如下下图图所所示示的的方法：方法：NE562568RRCTEA图图(a)图图(a)电电路路的的VCO的的工工作频率为：作频率为：其中其中 时时VCO的的为为 固固有有振振荡荡频频率率，改改变变 值值，振振荡频率相对变化。荡频率相对变化。NE56256810K10KCT图图(b)NE56256810K10KCT5K图图(c)图图(b)、(c)，可可将将VCO频频率率扩扩展展到到30MHz以

45、以上上，（c）可可用用外外接电位器接电位器 微调频率。微调频率。第三十九页，本课件共有53页(4)PD的反馈输入与环路增益控制方式的反馈输入与环路增益控制方式 PD的的反反馈馈输输入入方方式式一一般般采采用用单单端端输输入入工工作作方方式式，如如右右图图所所示示，1脚脚的的+7.7V电电压压经经R（2 K）分分别别加加到到反反馈馈输输入入端端2、15脚脚作作为为IC内内部部电电路路基基极极的的偏偏压压，而而且且1脚脚到到地地接接旁旁路路电电容容，反反馈馈信信号号从从VCO的的3脚脚输输出出，并并经经分分压压电电阻阻取取样样后后，通通过过耦耦合合电电容容加到加到2脚构成闭环系统。脚构成闭环系统。

46、环环路路增增益益还还普普遍遍采采用用在在13、14脚脚并并接接电电阻阻Rf的的方方式式，此此时时的的环环路总增益为：路总增益为：的单位为的单位为 可以抵消因可以抵消因 上升而使上升而使 过大造成过大造成的工作不稳定性。的工作不稳定性。NE56211523CCCB77VR2kR2kR111kR21k第四十页，本课件共有53页(5)解调输出方式解调输出方式 当当NE562用用作作FM信信号号的的解解调调时时，解解调调信信号号由由脚脚输输出出，此此时时脚脚需需外外接接一一个个电电阻阻到到地地（或或负负电电源源）作作为为NE562内内部部电电路路的的射射极极负负载载，电电阻阻数数值值要要合合适适（常常

47、取取15k）以以确确保保内内部部射射极极输输出出电电流不超过流不超过5mA，另外，另外脚应外加重电容。脚应外加重电容。PDLF限幅限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VCO输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入第四十一页，本课件共有53页3、NE562应用实例应用实例NE562内内部部限限幅幅器器集集电电极极电电流流受受7脚脚外外接接电电路路的的控控制制，一一般般7脚脚注注入入电电流流增增加加，则则内内部部限限幅幅器器集集电电流流减减

48、少少，VCO跟跟踪踪范范围围小小；反反之之则则跟跟踪踪范范围围增增大大。当当脚脚注注入入电电流流大大于于0.7mA时时，内内部部限限幅幅器器截截至至，VCO的控制被截断，的控制被截断，VCO处于失控自由振荡工作状态（系统失锁）。处于失控自由振荡工作状态（系统失锁）。跟踪范围跟踪范围控制控制RfRf11K1K 16 15 14 13 12 11 10 9 NE562 1 2 3 4 5 6 7 8 CTCCCCCBCfCfRLVCC12K1K1K0.10.10.1FM输入输入解调输出解调输出第四十二页，本课件共有53页10.3 频率合成器频率合成器一、频率合成器的分类及主要技术指标一、频率合成器

49、的分类及主要技术指标 1.1.概念概念工作频率范围工作频率范围频率间隔频率间隔频率转换时间频率转换时间频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度频谱纯度频谱纯度3.主要技术指标主要技术指标直接频率合成器直接频率合成器锁相频率合成器锁相频率合成器直接数字频率合成器直接数字频率合成器2.分类分类频率合成频率合成是利用一个（或几个）高准确度和高稳定度的基准频率，通过一定的变换是利用一个（或几个）高准确度和高稳定度的基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。这些离散频率的频率准确度和稳定度都与这些离散频率的频率准确度和稳定度都与基准频率相同，而且能在很

50、短的时间内，由某一频率切换到另一频率。基准频率相同，而且能在很短的时间内，由某一频率切换到另一频率。第四十三页，本课件共有53页二、直接频率合成器二、直接频率合成器 1.直接频率合成的基本原理直接频率合成的基本原理2.一个基准源的直接频率合成器一个基准源的直接频率合成器 直接式频率合成器之一直接式频率合成器之一 基准频率基准频率fR由晶体振荡器提供。由晶体振荡器提供。输出频率：输出频率：采用一个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源，经过具有加、减、乘、除采用一个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源，经过具有加、减、乘、除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组