四川信息职业技术学乾 《高颜电子技本》拜品费源共享评 任务5.2 自动频率控制电路 5.2.1e 资讯准备 任毒描逃 1,了解白动频率控制电路的概念及特点： 2,理解白动频率腔制的腔制原理和典型应用。 9贵讯指南 海讯内客 铁重方式 1.自动频控制电留的瓶念及特点是什丝？ 阅减资料 上网 2.自动领平控制的控制®理是什么？ 直阅图书 3,白动频率控制建重应用于喜些场合7 丸问相关工作人员 5导学村料 自动顿率控制电路也称为自动频率微调电路（蔺称C),是用来自动调整叛荡器的振荡坝率，使 振荡器的國荡顿率稳定在某个标准频率用近的反黄控制电路。 AFC与AGC电路的区别在于控制对象不同，AGC电路的控制对象是信号电平，而C电路的挖 制对象则是信号的颜率。AC的主要作用是自动调整振荡器的振荡颜率，从而推持振高器的振荡颜 率基本不变。如在短外差式接收机中利用（电路的调节作用自动地控制本振频率，使其与外米信 号的频率之差推持近乎中频的数值。在调频发射机中如果振泻频率潭移，用AC电路可适当减少我 频的变化，提高载频的稳定度。在调坝接收机中，用风电路的限容特性构成调规解调器，即所谓 调频负反衡解调器，可有效政善调须解调的门限效应。 一，自动频率控制的控制原理 自动颠率控制电路由颜率比较器、低通滤被器和压控振荡器三部分组成，其原理方框图如图 521所示. 之率比较低通波 压拉振器 图521自动频率控制系线的组成方框图 A比电路的挖制参量是领率。环路的输入信号h的须率为，输出信号山的顿率为方，它们之 www.scitc.com.cn 1/16 (高顿电子技术》精品资禅共享课建设项口组
www.scitc.com.cn 1 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 任务 5.2 自动频率控制电路 5.2.1 资讯准备 任务描述 1．了解自动频率控制电路的概念及特点； 2．理解自动频率控制的控制原理和典型应用。 资讯指南 资讯内容 获取方式 1．自动频率控制电路的概念及特点是什么？ 阅读资料 上网 查阅图书 询问相关工作人员 2．自动频率控制的控制原理是什么？ 3．自动频率控制主要应用于哪些场合？ 导学材料 自动频率控制电路也称为自动频率微调电路(简称 AFC)，是用来自动调整振荡器的振荡频率，使 振荡器的振荡频率稳定在某个标准频率附近的反馈控制电路。 AFC 与 AGC 电路的区别在于控制对象不同，AGC 电路的控制对象是信号电平，而 AFC 电路的控 制对象则是信号的频率。AFC 的主要作用是自动调整振荡器的振荡频率，从而维持振荡器的振荡频 率基本不变。如在超外差式接收机中利用 AFC 电路的调节作用自动地控制本振频率，使其与外来信 号的频率之差维持近乎中频的数值。在调频发射机中如果振荡频率漂移，用 AFC 电路可适当减少载 频的变化，提高载频的稳定度。在调频接收机中，用 AFC 电路的跟踪特性构成调频解调器，即所谓 调频负反馈解调器，可有效改善调频解调的门限效应。 一、自动频率控制的控制原理 自动频率控制电路由频率比较器、低通滤波器和压控振荡器三部分组成，其原理方框图如图 5-2-1 所示。 d d c o o o R R u u u u f f f f 频率比较器 低通滤波器 压控振荡器 图 5-2-1 自动频率控制系统的组成方框图 AFC 电路的控制参量是频率。环路的输入信号 uR的频率为 fR，输出信号 uo的频率为 f0，它们之
心四川信息职业技求学院 《高频电子技术》将品贵源共享课 何的关系可根据顿率比较器的类型而定。颜率比较器通常有两种，一种是鉴频器，另一种是混颜 签频器。類率比较器输出的误差电压山电压经低通滤波器后取出缓变拉制信号山，拉制医控叛荡器 工作。输出信号的领率可写为 Llt)5g+kut) 5-2-10 式中，是控制信号（小0时的振荡频率，称为VC0的因有根荡频率，k是压控灵敏度。 当频率比较器是鉴频器时，输出信号直接与输入信号透行整频。输出误差电压为 dt中=*f) 522刘 式中，是鉴频灵敏度。若输出信号類率方与输入信号频率不相等时，误差电压0，经低通滤 被器后运出控制电压4，调节V心0的根荡顿率，使之稳定在无上， 当频率比较器是混螟-鉴频器时，输出信号频率为先与本振信号（坝率为混频。输出差规信 频率为=)再与（顿率为）遇行鉴频。鉴频器输出误差电压为 -k) 5-2-3 可见，若差频环时，误差电压0，经低通滤波器后送出控制电压，调节C口的渐荡顾 率：使之与九的差值稳定在。上。若九是变化的，则角将限随变化，并保持其差频基本不变。 鉴频墨和压控振福器均是非线性器件，但在一定条件下，可工作在近蚁线性状态，则k与k 均可视为常数 二、白动频率控制电路的应用 FC广泛应用于发射机和接收机中，现简单介绍如下。 1.在调幅接收机中用干稳定中频频率 超外差式接收机是一种主要的现代接收系统，它是利用混器将不月载频的高频己调波信号先 变成因定中频的己调波信号，再进行中频放大和解调。其整机增益和选释性主要取决于中频放大器 的性能，所以，常采用AFC电路稳定中频频率。 采用AFC电路的调幅接收机的AFC电路方框图如图52-2所示。正常情况下，接牧机输入调幅 被信号载顿为，相应的本据信号顿率为五，混顾后输出中顿信号顿率为付乐。如果由干某种原因， 本振顾率发生偏移△天而变成+△五，则混频后的中顾将变成什△天.此中顾信号经中顿放大后送至 婆频器，鉴频器将产生相应的误差电压：经纸通滤波、直流政大后控制本振類率人，使其向相反 方向变化，从而使混疑后的中频也向相反方向变化，经过不断陆循环反馈，系统达到新的稳定状态， 实际中频的偏离值将远小于△：从而实现了稳定中频的目的。 中顿破大怎 图52-2果用MC的调幅接收机组规方框图 2.在调频发射机中用于稳定中心频率 www.scitc.com.cn 2/16 《高顿电子技术》精品资源共享课建设项目组
www.scitc.com.cn 2 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 间的关系可根据频率比较器的类型而定。频率比较器通常有两种，一种是鉴频器，另一种是混频- 鉴频器。频率比较器输出的误差电压 ud电压经低通滤波器后取出缓变控制信号 uc，控制压控振荡器 工作。输出信号的频率可写为 fo(t)=f00+kcuc(t) (5-2-1) 式中，f00 是控制信号 uc(t)=0 时的振荡频率，称为 VCO 的固有振荡频率，kc是压控灵敏度。 当频率比较器是鉴频器时，输出信号直接与输入信号进行鉴频，输出误差电压为 ud(t)=kb(fR-f0) (5-2-2) 式中，kb是鉴频灵敏度。若输出信号频率 f0 与输入信号频率 fR不相等时，误差电压 ud≠0，经低通滤 波器后送出控制电压 uc，调节 VCO 的振荡频率，使之稳定在 fR上。 当频率比较器是混频-鉴频器时，输出信号(频率为 f0)先与本振信号(频率为 fL)混频，输出差频信 号(频率为 fd= f0-fL)再与 uR (频率为 fR)进行鉴频。鉴频器输出误差电压为 ud(t)=kb(fR-fd) (5-2-3) 可见，若差频 fd≠fR时，误差电压 ud≠0，经低通滤波器后送出控制电压 uc，调节 VCO 的振荡频 率 f0，使之与 fL的差值稳定在 fR上。若 fL是变化的，则 f0 将跟随 fL变化，并保持其差频 fd基本不变。 鉴频器和压控振荡器均是非线性器件，但在一定条件下，可工作在近似线性状态，则 kb 与 kc 均可视为常数。 二、自动频率控制电路的应用 AFC 广泛应用于发射机和接收机中，现简单介绍如下。 1．在调幅接收机中用于稳定中频频率 超外差式接收机是一种主要的现代接收系统，它是利用混频器将不同载频的高频已调波信号先 变成固定中频的已调波信号，再进行中频放大和解调。其整机增益和选择性主要取决于中频放大器 的性能，所以，常采用 AFC 电路稳定中频频率。 采用 AFC 电路的调幅接收机的 AFC 电路方框图如图 5-2-2 所示。正常情况下，接收机输入调幅 波信号载频为 fc，相应的本振信号频率为 fL，混频后输出中频信号频率为 fI=fc-fL。如果由于某种原因， 本振频率发生偏移△fL而变成 fL+△fL，则混频后的中频将变成 fI+△fI。此中频信号经中频放大后送至 鉴频器，鉴频器将产生相应的误差电压 ud，经低通滤波、直流放大后控制本振频率 fL，使其向相反 方向变化，从而使混频后的中频也向相反方向变化，经过不断地循环反馈，系统达到新的稳定状态， 实际中频 fI的偏离值将远小于△fI，从而实现了稳定中频的目的。 混 频 器 中频放大器 压控振荡器 直流放大器 低通滤波器 包络检波器 鉴 频 器 f 去低放 f f f f fS I L L C 输入 C 调幅波 = 图 5-2-2 采用 AFC 的调幅接收机组成方框图 2．在调频发射机中用于稳定中心频率
四川信息职业技求学乾 《高颜电手技本》籍品资源共享漂 图5-2-3所示为采用AFC的调频器的组成框图。采用AFC的目的在于稳定调规振薄器的中心频 半，即稳定输出调颜波山的中心频半。图中，调颜振荡器是颠率可控的压控振，器(VC0),一般 采用振篱回路含有变容管的C显荡器。而不直接使用石莫品体振荡酒。虽然石英品体振焉器具有更 高的顾率稳定度，但其顿率变化范围很窄，无法满足调颜波领偏的要求，面且其振荡颜半不易调节， 不一定能符合调频所雷的中心频率，因此一般使用【C振璃器做压控振药器。甄然C振离器具有更 宽的可调顿偏，但其顿率稳定度差，因此常用一个石英品体据高器对调顿振荡器的中心顿率进行控 制，从而张得中心频率秘定度高而频偏又足够宽的调频信号。 词频展等器 直流政大恶一 品修制清西 图52-3采用FC的再狮器组成框图 设调颜信号山。的额定中心颜率为无，面实际的中心顿率为接近兵的，品体据荡器的振荡顿率 为人。理想情况下。混频墨的输出，是与品，频偏相同的调频波，其中心频率丘水人，而实际上陶 的中心频率为水E。显然，%中心频串的偏移与品。中心频率的偏移相同： 若鉴频器的中心频率为，则c经鉴频后输出的误差电压如与山，的類偏、。中心频率的偏移 二者之和成正比。若低通滤被器的通带截止须率足够低，则山经花波后，其中随出须偏变化的分 量技滤除，随以中心频率偏移变化的分量由于变化极其缓慢而成为滤波器的输出电压，并被直流故 大器收大为控制电压业：因此业只反映了品中心频率的偏移。，与调制信号通过加法器相加后， 一齐送到调频振药器中变容管的两端。调节调频振药器的振荡频率。其中，调频振荡器的中心频率 在4的控制下趋于付：调频振荡器的频偏就是“作用下振荡器频率的变化量，即山，的频偏。 实际上，当如-0。即未加入调制信号时，调频振荡器的频率就是出，的中心频率载频，这时振等器 贝受以控制， 由上述分析可知，调颜振荡器中心频半的稳定度除了与品体叛荡器无的稳定度有关外，还取决 于鉴领器中心顿率无的稳定度。因此应精心选择整顿器谐振回路的有关元牛， 5.2.2计划决策 通过任务分析和对相关货讯的了解，讨论学习的计划并选定最优方案。 计划和决策〔参考】 第一步 了解白动频率控制电的瓶念及特点： 第二步 理解白慰频李控制的控制原理和典型应用 www.scitc.com.cn 3/16 (高頓电子技术》精品隆潭源共享要建设项目组
www.scitc.com.cn 3 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 图 5-2-3 所示为采用 AFC 的调频器的组成框图。采用 AFC 的目的在于稳定调频振荡器的中心频 率，即稳定输出调频波 uo 的中心频率。图中，调频振荡器是频率可控的压控振荡器（VCO），一般 采用振荡回路含有变容管的 LC 振荡器，而不直接使用石英晶体振荡器。虽然石英晶体振荡器具有更 高的频率稳定度，但其频率变化范围很窄，无法满足调频波频偏的要求，而且其振荡频率不易调节， 不一定能符合调频所需的中心频率，因此一般使用 LC 振荡器做压控振荡器。虽然 LC 振荡器具有更 宽的可调频偏，但其频率稳定度差，因此常用一个石英晶体振荡器对调频振荡器的中心频率进行控 制，从而获得中心频率稳定度高而频偏又足够宽的调频信号。 加 法 器 调频振荡器 直流放大器 低通滤波器 鉴频器 混 频 器 f 晶体振荡器 i u u u u u Ω C D G o f ' c f ' g fg 图 5-2-3 采用 AFC 的调频器组成框图 设调频信号 uo的额定中心频率为 fc，而实际的中心频率为接近 fc的 fc ’，晶体振荡器的振荡频率 为 fi。理想情况下，混频器的输出 uG是与 uo频偏相同的调频波，其中心频率 fg =fi- fc，而实际上 uG 的中心频率为 fg ’=fi- fc ’。显然，uG中心频率的偏移与 uo中心频率的偏移相同。 若鉴频器的中心频率为 fg，则 uG经鉴频后输出的误差电压 uD 与 uo的频偏、uo中心频率的偏移 二者之和成正比。若低通滤波器的通带截止频率足够低，则 uD 经滤波后，其中随 uo 频偏变化的分 量被滤除，随 uo中心频率偏移变化的分量由于变化极其缓慢而成为滤波器的输出电压，并被直流放 大器放大为控制电压 uc。因此 uc只反映了 uo中心频率的偏移。uc与调制信号 uΩ通过加法器相加后， 一齐送到调频振荡器中变容管的两端，调节调频振荡器的振荡频率。其中，调频振荡器的中心频率 在 uc的控制下趋于 fc=fi-fg，调频振荡器的频偏就是 uΩ作用下振荡器频率的变化量，即 uo的频偏。 实际上，当 uΩ=0，即未加入调制信号时，调频振荡器的频率就是 uo的中心频率(载频)，这时振荡器 只受 uc控制。 由上述分析可知，调频振荡器中心频率的稳定度除了与晶体振荡器 fi 的稳定度有关外，还取决 于鉴频器中心频率 fg的稳定度，因此应精心选择鉴频器谐振回路的有关元件。 5.2.2 计划决策 通过任务分析和对相关资讯的了解，讨论学习的计划并选定最优方案。 计划和决策（参考） 第一步 了解自动频率控制电路的概念及特点； 第二步 理解自动频率控制的控制原理和典型应用
四川信息职业技术学乾 《高颜电子技本》拜品费源共享评 5.2.3任务实施 学习型工作任务单 学习领域 高网纯子技术 学时 72(参考) 学习顷目 领目5让电踏白助阀整性整认识反模腔制电路 学闲 10 工作任务 52白动率控材纯路 学时 1 班 级 小组编号 成员名单 任务牌速 1.了解自功频华控制电路的据念及特点： 2,解白动镇率控制的控制原理和肉型应用 1,自动懒率控制电路的据念及特点是什么？ 工作内容 2.白动率控制的2谢理是什么？ 3.白动源率控制生业应用于影些场合7 提交成果 1,自动嫩率控制的摄念组成、原理。特点、应用领城对解表： 和文件等 2.学写过程记录表及教学汗价表（学生用表1 完成时间 及签名 5.2.40展示评价 1.数师及其他组负责人根据小组展示汇报整体情况进行小组评价 2,学生展示汇报中，教师可针对小组成员的分工，对个别成黄进行提问，给出个人评价 3.组内成员自评表及互评表打分： 4,本学习溪目成城汇总： 5.评选今日之星. 5.2.50试-试 1,C电路是指以消除为 目的的反陵控制电路。 2.自动顿率控制电路由」 和 三部分组成。 3。自动顿率控制电路主要应用于 等领域， 4,反馈控制电路主要有三种，分别是 www.scitc.com.cn 4/16 《高顿电子技术》精品资潭共享课建设项口组
www.scitc.com.cn 4 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 5.2.3 任务实施 学习型工作任务单 学习领域 高频电子技术 学时 72（参考） 学习项目 项目 5 让电路自动调整性能---认识反馈控制电路 学时 10 工作任务 5.2 自动频率控制电路 学时 1 班 级 小组编号 成员名单 任务描述 1．了解自动频率控制电路的概念及特点； 2．理解自动频率控制的控制原理和典型应用。 工作内容 1．自动频率控制电路的概念及特点是什么？ 2．自动频率控制的控制原理是什么？ 3．自动频率控制主要应用于哪些场合？ 提交成果 和文件等 1．自动频率控制的概念、组成、原理、特点、应用领域对照表； 2．学习过程记录表及教学评价表（学生用表）。 完成时间 及签名 5.2.4 展示评价 1．教师及其他组负责人根据小组展示汇报整体情况进行小组评价； 2．学生展示汇报中，教师可针对小组成员的分工，对个别成员进行提问，给出个人评价； 3．组内成员自评表及互评表打分； 4．本学习项目成绩汇总； 5．评选今日之星。 5.2.5 试一试 1．AFC 电路是指以消除为 目的的反馈控制电路。 2．自动频率控制电路由 、 和 三部分组成。 3．自动频率控制电路主要应用于 等领域。 4．反馈控制电路主要有三种，分别是 、 、
四川信息职业技孝学院 《高频电子技术》将品贵源共享漂 5.2.60练一练 1,调研分析：广耀发射机中有无反馈控制电路。若有，是事种类型的反镜控制电路。 www.scitc.com.cn 5/16 《高顿电子技术》精品资源共享课建设项目组
www.scitc.com.cn 5 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 5.2.6 练一练 1．调研分析：广播发射机中有无反馈控制电路，若有，是哪种类型的反馈控制电路
四川信息职业技求学乾 《高颜电子技本》籍品费源共享漂 任务5.3锁相环路 5.3.1资讯准备 5任移描逃 1,果解镜相环的构成及工作原理： 2.理解锁相环路各组成部分的分析及锁相环路的数学模型。 3。理解环路的镇定、捕获和跟踪过程，了解环路的同步带和捕捉蒂的假念： 4。理解镜相环路的特性及应用。 5,理解GC4046GQ0S单片镜相环路的工作原理以及应用： 8,理解NE54单片顿相环路的工作原理以及应用。 5资讯指有 资讯内客 铁取方式 1.处相环路的概念、特点及应用是什么？ 2.饮相环的构成及工作源理是什么子 读资料 3.相环路各组成部分的分析及膜相环路的数学授型？ 上网 4,林的物定.献和很踪过程，了解环搭的司修带和精醒带的念 直山图书 询问相关工作人员 5.CD06Q05单片锁相环路的工作理以及应用 6.N54单片软相环芭的工作真以及应用 。导学村料 AC电路是以消障频率误差为目的的反陵控制电路。由于其基本原理是利用频率误差电压去消 除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必燃有剩余顿率误差存在，即无法完全消除频差。这 也是FC电路无法克服的峡点. 领相环路P山，se0ckLo0p]也是一种以消除领率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本 原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存 在，但频率误差可以降低到琴，从而实现无频差的频率现踪和相位跟暮。而且镜相环还具有可以不 用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点，因此广泛应用于通信、雷达、制导、导标、仪表 和电机等方面。 www.scitc.com.cn 6/16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组
www.scitc.com.cn 6 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 任务 5.3 锁相环路 5.3.1 资讯准备 任务描述 1．理解锁相环的构成及工作原理； 2．理解锁相环路各组成部分的分析及锁相环路的数学模型。 3．理解环路的锁定、捕获和跟踪过程，了解环路的同步带和捕捉带的概念； 4．理解锁相环路的特性及应用。 5．理解 CD4046 CMOS 单片锁相环路的工作原理以及应用； 6．理解 NE564 单片锁相环路的工作原理以及应用。 资讯指南 资讯内容 获取方式 1．锁相环路的概念、特点及应用是什么？ 阅读资料 上网 查阅图书 询问相关工作人员 2．锁相环的构成及工作原理是什么？ 3．锁相环路各组成部分的分析及锁相环路的数学模型？ 4．环路的锁定、捕获和跟踪过程，了解环路的同步带和捕捉带的概念 5．CD4046 CMOS 单片锁相环路的工作原理以及应用 6．NE564 单片锁相环路的工作原理以及应用 导学材料 AFC 电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于其基本原理是利用频率误差电压去消 除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在，即无法完全消除频差，这 也是 AFC 电路无法克服的缺点。 锁相环路(PLL，Phase Lock Loop )也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本 原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存 在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环还具有可以不 用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点，因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表 和电机等方面
A四川信息职业技术学乾 《高额电于技云》拜品费源共享评 顿相环路早期应用于电视机的同步系统。使电视图像的同步性能得到了很大的改鲁，0世纪 50年代后期，随看空间科学的发展。领相环在跟踪和接收来白宇宙飞行器《人透卫屋，字宙飞船) 的微写信号方面显示出了很大的优越性。普通的超外差接收机，频带做得相当魔，噪声大，同时信 暖比也大大降低。而在锁相环接收机中，由于中领信号可以领定，所以顿带可以做得很窄（几十林 装以下)，则修宽可以下降根多，所以输出信暖比也就大大提高了。只有果用镜相环路做成的窄梦 锁相微踪接收机才能把深埋在躁声中的信号提取出来。随着电子技术的发展，集成锁相环的出现， 在各种电子系统中广泛使用镜相环路。例如，领相接收机、微波镜相振荡源、镜相调频器，镜相鉴 频器等。在镜相频率合成器中，领相环落具有稳频作用，能够完成频的加、减、乘、除等运算， 可以作为频率的加减墨、倍频墨、分频器等使用。 一，锁相环路的工作原理 镜相环路的基本组成柜图如图531所示，可以看出，镜相环路是由鉴相器PDP%aseD©cto 环路滤波器LF刊Loop Fi信©r)和压控叛荡器VC0组成的，其中LF为低通滤波器。 o.rg PD N_(r) L 图5-31 硬相环路的基本组成框图 图中，鉴相器是一个相位比较器，将输入信号)与VC0输出信号的相位进行比较，输出 与二者相位误差◆，们-M中.)成线性关弱的误差电压u),环路滤波墨L月是一个低通滤波墨LP, 其作用是滤除误差电压u)中的高颜分量及干扰分量，输出控制电压。压控振荡器是一种电压 -频率变换器，其输出信号的角频率w)与控制电压们成对应关系。这样，当虫中)-中0 时，小、以、w都将随中，的变化面变化，其最终趋势是使与山，)的相位差不断碱小， 最后保转在某一预期值附近， 如果输入信号()的角频率州和输出信号)的频半形。不相等，则称锁相环路处子“失镜状 志，此时两个信号必然存在变动的相位差。此时，4)将与选行相位比较。由PD输出一个与相 位差成正比的误差电压)，经山F滤波后取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量此)作为控制电 压。控制灯0的振荡频率。使M。不斯改变，4)与M)的相位差不新减小，当减小到某一较小的恒 定值时，就称锁相环路处于“锁定“状态。领相一词由此而米。 倾相环路和FC电路都是用来实现频率罪路的自动控制电路。但控制原理不同，AFC电路利用 的是顿率误差信号实现顿半跟踪，而锁相环路利用的是相位误信号实现顿率跟踪，一旦相位镜定， 虽存在相位差，不存在频差，即可以实现无误差的频率果鉴：。 二、锁相环路的相位模型及性能分析 1,相位核型 (1)要相器 在镜相环路中，鉴相器用作相位比较，其原理框图如图5-3-2所示。由图可知，鉴相器的输入 www.scitc.com.cn 7/16 (高顿电子技术》精品资禅共享课建设项口组
www.scitc.com.cn 7 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 锁相环路早期应用于电视机的同步系统，使电视图像的同步性能得到了很大的改善。20 世纪 50 年代后期，随着空间科学的发展，锁相环在跟踪和接收来自宇宙飞行器（人造卫星、宇宙飞船） 的微弱信号方面显示出了很大的优越性。普通的超外差接收机，频带做得相当宽，噪声大，同时信 噪比也大大降低。而在锁相环接收机中，由于中频信号可以锁定，所以频带可以做得很窄（几十赫 兹以下），则带宽可以下降很多，所以输出信噪比也就大大提高了。只有采用锁相环路做成的窄带 锁相跟踪接收机才能把深埋在噪声中的信号提取出来。随着电子技术的发展，集成锁相环的出现， 在各种电子系统中广泛使用锁相环路。例如，锁相接收机、微波锁相振荡源、锁相调频器、锁相鉴 频器等。在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算， 可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。 一、锁相环路的工作原理 锁相环路的基本组成框图如图 5-3-1 所示。可以看出，锁相环路是由鉴相器 PD(Phase Detector)、 环路滤波器 LF(Loop Filter)和压控振荡器 VCO 组成的，其中 LF 为低通滤波器。 PD LF VCO u (t) u (t) u (t) u (t) u (t) i d c o o o ωi o ω ω 图 5-3-1 锁相环路的基本组成框图 图中，鉴相器是一个相位比较器，将输入信号 ui(t)与 VCO 输出信号 uo(t)的相位进行比较，输出 与二者相位误差φe(t)=φi(t)-φo(t)成线性关系的误差电压ud(t)。环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF)， 其作用是滤除误差电压 ud(t)中的高频分量及干扰分量，输出控制电压 uC(t)。压控振荡器是一种电压 -频率变换器，其输出信号的角频率 wo(t)与控制电压 uC(t)成对应关系。这样，当 φe(t)=φi(t)-φo(t)≠0 时，ud(t)、uC(t)、wo(t)都将随 φe(t)的变化而变化，其最终趋势是使 ui(t)与 uo(t)的相位差不断减小， 最后保持在某一预期值附近。 如果输入信号 ui(t)的角频率 wi 和输出信号 uo(t)的频率 wo 不相等，则称锁相环路处于“失锁”状 态，此时两个信号必然存在变动的相位差。此时，ui(t)将与 uo(t)进行相位比较，由 PD 输出一个与相 位差成正比的误差电压 u(t)，经 LF 滤波后取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量 uC(t)作为控制电 压，控制 VCO 的振荡频率，使 wo不断改变，ui(t)与 uo(t)的相位差不断减小，当减小到某一较小的恒 定值时，就称锁相环路处于“锁定”状态，锁相一词由此而来。 锁相环路和 AFC 电路都是用来实现频率跟踪的自动控制电路。但控制原理不同，AFC 电路利用 的是频率误差信号实现频率跟踪，而锁相环路利用的是相位误差信号实现频率跟踪，一旦相位锁定， 虽存在相位差，但不存在频差，即可以实现无误差的频率跟踪。 二、锁相环路的相位模型及性能分析 1．相位模型 (1)鉴相器 在锁相环路中，鉴相器用作相位比较，其原理框图如图 5-3-2 所示。由图可知，鉴相器的输入
A回川信息职业技孝李院 《高频电子技术》将品贵源共享课 信号分别为环路的输入信号)和压控叛荡器的输出信号，输出信号为与上述两个信号瞬时相 位差咸比例的误差信号。)的大小将依据鉴相器的类型而定，常见的墓相器有乘积型和叠加 型，前者一粮采用模拟乘法器实现。 (t PD M/1 +) 图5--2鉴相器的框图 设输入电压信号4)的角频率为，瞬时相位为：压控振药器输出信号“，)的规率为w。: 瞬时相位为中：环路的参考输出镜率即基准類率为w:鉴相暑应该满足下列条件： ①当镇相环路处千“镇定”状态时，ww。,鉴相器无输出电压。 ②当随相环路处于“失锁”状态时，ww+d种t优，w=w+冲W位。 因此，输入信号u)、输出信号)可表示为 ,0=U-cso,d)=U.oso,1+9,)+%】 5-31 (=U..cos(Jo.dr)=U...cos[o,!+( 5-3-2 式中，一般取为：/2。因此，输入信号可表示为 4,0=Us式，f+g,(月 53-3 .)=U.cos@+2,t 53-41 若紧用乘积型鉴相器，侧模瓶乘法器的输出信号为 )=4,)4,)=UUsi可m,+g,(toos,r+月 =U.sm2r+g)+p.+,U0-%明 5-3- 2 2 经过环路滤波器浅波后输出控制电压为 0=2g0-.1=sng0- 5-3 可见，鉴相器输出信号是一个关于与，)相位差的函数。 由式5-3-6)可得鉴相落的电路棱型如图53-3所示，这个模型表明，鉴相器具有把相位差转换为 误差电压输出的作用，其处理对象是单)和单，而不是信号u)与“，，这是电路模堂与组成框 图的区别。 图5-门-1麦相M的电路顿型 (2)环路滤波器 www.scitc.com.cn 8/16 《高顿电子技术》精品资源共享课建设项目组
www.scitc.com.cn 8 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 信号分别为环路的输入信号 ui(t)和压控振荡器的输出信号 uo(t)，输出信号为与上述两个信号瞬时相 位差成比例的误差信号 ud(t)。ud(t)的大小将依据鉴相器的类型而定，常见的鉴相器有乘积型和叠加 型，前者一般采用模拟乘法器实现。 u (t) d u (t) o u (t) i PD 图 5-3-2 鉴相器的框图 设输入电压信号 ui(t)的角频率为 wi，瞬时相位为 φi(t)；压控振荡器输出信号 uo(t)的频率为 wo， 瞬时相位为 φo(t)；环路的参考输出频率即基准频率为 wr。鉴相器应该满足下列条件： ①当锁相环路处于“锁定”状态时，wi=wo=wr，鉴相器无输出电压。 ②当锁相环路处于“失锁”状态时，wi=wr+dφi(t)/dt，wo=wr+dφo(t)/dt。 因此，输入信号 ui(t)、输出信号 uo(t)可表示为 ( ) cos( ) cos[ ( ) ] = = + +0 u t U dt U t t i i m i i m r i (5-3-1) u (t) U cos( dt) U cos[ t (t)] o = om o = om r +o (5-3-2) 式中， 0 一般取为 / 2 。因此，输入信号可表示为 u (t) U sin[ t (t)] i = im r +i (5-3-3) u (t) U cos[ t (t)] o = om r +o (5-3-4) 若采用乘积型鉴相器，则模拟乘法器的输出信号为 sin[ ( ) ( )] 2 1 sin[ 2 ( ) ( )] 2 1 ( ) ( ) ( ) sin[ ( )]cos[ ( )] U U t t t U U t t u t u t u t U U t t t t i m om r i o i m om i o i o i m om r i r o = + + + − = = + + (5-3-5) 经过环路滤波器滤波后输出控制电压为 sin[ ( ) ( )] sin[ ( ) ( )] 2 1 u (t) U U t t A t t d = i m om i −o = d i −o (5-3-6) 可见，鉴相器输出信号是一个关于 ui(t)与 uo(t)相位差的函数。 由式(5-3-6)可得鉴相器的电路模型如图 5-3-3 所示。这个模型表明，鉴相器具有把相位差转换为 误差电压输出的作用，其处理对象是 φi(t)和 φo(t)，而不是信号 ui(t)与 uo(t)，这是电路模型与组成框 图的区别。 u (t) d Ad φ (t) φ (t) φ (t) sin（） i e o 图 5-3-3 鉴相器的电路模型 (2)环路滤波器
A四川信息职业技求学乾 《高颜电手技本》籍品资源共享漂 环路滤波器实际上是一个低通滤波器，用于滤除室相器输出的误差“，)中的高频分量及干扰分 量，而让式中的低频分量或直流分量通过，得到控制电压)，以保证环路所要求的性能并提高环 路的稳定性，因此对镜相环路的性能有很大影响。 常用的环路滤波器有简单C积分花波器、RC比例积分浅波器和有源比例积分滤波器等，分别 如图534、小、所示。 图534环路鲨凌器 环路滤泼器输出信号与输入信号之间的关系为 u.(t]-F(p)udt) 537刀 式中，为环路滤波器的传遥角数，其值可根据电路推导面得。p=/位，称为微分算子。 根据公式537引可得环路波波器的电路模型如图535所示： W ) F(P) 图535坏蹈造凌器的电路模型 (3)压控振荡器 在镇相环路中，压控振高器的作用是产生颜率随控制电压以)面变化的振高电压： 图536压控根荡落的调频特性 压控叛荡器鲜时振荡频率w随控制电压变化的由线，称为压控餐荡器的调频特性由线。一 般情况下，调频特性自线是幸线性的。如图536所示。但是，在)的某一范围内，w与)之 何近似为线性关系， wow,+A从0 53-8 式中，%，表示头)0时压控振药落的固有振药频率：A。为比例系数。又叫压控灵敏度，单位为 rad/sV). www.scitc.com.cn 9/16 (高頓电子技术》精品隆潭源共享要建设项目组
www.scitc.com.cn 9 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 环路滤波器实际上是一个低通滤波器，用于滤除鉴相器输出的误差 ud(t)中的高频分量及干扰分 量，而让其中的低频分量或直流分量通过，得到控制电压 uC(t)，以保证环路所要求的性能并提高环 路的稳定性，因此对锁相环路的性能有很大影响。 常用的环路滤波器有简单 RC 积分滤波器、RC 比例积分滤波器和有源比例积分滤波器等，分别 如图 5-3-4(a)、(b)、(c)所示。 R u (t) C u (t) R R d c 1 2 C u (t) u (t) d c R R 1 2 C u (t) d u (t) c + - A ∞ △ (a) (b) (c) 图 5-3-4 环路滤波器 环路滤波器输出信号与输入信号之间的关系为 uc(t)=F(p)ud(t) (5-3-7) 式中，F(p)为环路滤波器的传递函数，其值可根据电路推导而得。p=d/dt，称为微分算子。 根据公式(5-3-7)可得环路滤波器的电路模型如图 5-3-5 所示。 u (t) c u (t) d F(P) 图 5-3-5 环路滤波器的电路模型 (3)压控振荡器 在锁相环路中，压控振荡器的作用是产生频率随控制电压 uc(t)而变化的振荡电压 uo(t)。 ω u ω o r c(t) O 图 5-3-6 压控振荡器的调频特性 压控振荡器瞬时振荡频率 wo随控制电压 uc(t)变化的曲线，称为压控振荡器的调频特性曲线。一 般情况下，调频特性曲线是非线性的，如图 5-3-6 所示。但是，在 uc(t)的某一范围内，wo与 uc (t)之 间近似为线性关系，即 wo=wr+Aouc(t) (5-3-8) 式中，wr 表示 uc(t)=0 时压控振荡器的固有振荡频率；Ao 为比例系数，又叫压控灵敏度，单位为 rad/(s•V)
A四川信息职业技术学院 《高颜电子技本》拜品费源共享评 由式5-38别和ww,+d种W由可得 )=A) 539 可见，就中阳与（的关系而言，压控振得器在镜相环路中的作用相当于一个积分器，故常称 为固有积分环节。将式539到中的机分用微分算子的倒数口表示，有 %0=44@ 53-101 根据公式(53-10)可得压控振荡器的电路模型，如图53-7所示。 0 图5？VC0的电路提型 (4)锁相环路的相位模型及环路方程 将上述得到的PO、F和C0的电路慎型按图5-31所示方框图连接起来，就得到图53-8所示 的镇相环路的相位柄型。 F(P 图5一3日馈相环的相位倾型 由图538所示相位棱型可以写出镇相环路的环路方程为 ,0=,0-0=,0-AAF(p)二sh.) 5-3-111 0 即 poe(t)+AaA.F(p)sn g.(1)=po,(r) 5-3-121 式中，左边第一项pmt个柳.tW仙-dmt,单tV-w。"△w,,称为瞬时规差，表征了yC0振 斋频率w,偏离输入信号频率w的大小：第二项A.A.Flp)sing,单，t=p中 d中/=ww=△w,(,称为控制颜差，表征了C0在控制电压作用下根荡频率w。偏离固有 其振荡顿率w,的大小：等式右边Pptd如Wt=ww=△w,称为因有颜差，表征了输入信号颍 率w偏离%，的大小。上式表明，环路闭合后任意时刻。瞬时频差与控制领差之和恒定等于固有频 差，即△w,H△w△w) 如果输入信号)为顿率W不变的基准信号，即固有频差w为常数，则在环路进入镇定的 过程中，控制频差△w)不新增大，瞬时频差△w,)不斯减小。当△w,减小到O,即ww。0时， △w)等于四有频差△w:环路进入使定状老。此时，吨小△w,)0,即输入输出信号解时相 位差为恒定值，鉴相器输出信号为直流电压。该直流电压通过LF加到VC0上，使其报薄频率 www.scitc.com.cn 10/16 《高频电子技术》精品贷豫共享课建设项口组
www.scitc.com.cn 10 / 16 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组 《高频电子技术》精品资源共享课 由式(5-3-8)和 wo=wr+dφo(t)/ dt 可得 = t o t Ao uc t dt 0 ( ) ( ) (5-3-9) 可见，就 φo(t)与 uc(t)的关系而言，压控振荡器在锁相环路中的作用相当于一个积分器，故常称 为固有积分环节。将式(5-3-9)中的积分用微分算子的倒数 p 表示，有 p u t t A c o o ( ) ( ) = (5-3-10) 根据公式(5-3-10)可得压控振荡器的电路模型，如图 5-3-7 所示。 u (t) c φ (t) Ao o P 图 5-3-7 VCO 的电路模型 (4)锁相环路的相位模型及环路方程 将上述得到的 PD、LF 和 VCO 的电路模型按图 5-3-1 所示方框图连接起来，就得到图 5-3-8 所示 的锁相环路的相位模型。 u (t) c φ (t) A o o P φ (t) φ (t) φ (t) i e o d A sin（） u (t) d F(P) ωi ωo 图 5-3-8 锁相环的相位模型 由图 5-3-8 所示相位模型可以写出锁相环路的环路方程为 sin ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) o i d o e t p e t = i t − t = t − A A F p (5-3-11) 即 ( ) ( )sin ( ) ( ) e d o e i p t + A A F p t = p t (5-3-12) 式中，左边第一项 pφe(t)= dφe(t)/dt=d[φi(t)- φo(t)]/dt=wi-wo=△we (t)，称为瞬时频差，表征了 VCO 振 荡频率 wo偏离输入信号频率 wi的大小；第二项 AdA0F(p)sinφe(t)=p[φi(t)-φe(t)]=pφo(t)= dφo(t)/dt=wo-wr=△wo (t)，称为控制频差，表征了 VCO 在控制电压 uc(t)作用下振荡频率 wo 偏离固有 其振荡频率 wr 的大小；等式右边 pφi(t)=dφi(t)/dt=wi-wr=△wi(t)，称为固有频差，表征了输入信号频 率 wi 偏离 wr 的大小。上式表明，环路闭合后任意时刻，瞬时频差与控制频差之和恒定等于固有频 差，即△we(t)+△wo(t)=△wi(t)。 如果输入信号 ui(t)为频率 wi 不变的基准信号，即固有频差△wi(t)为常数，则在环路进入锁定的 过程中，控制频差△wo(t)不断增大，瞬时频差△we(t)不断减小。当△we(t)减小到 0，即 wi-wo=0 时， △wo(t)等于固有频差△wi(t)，环路进入锁定状态。此时，pφe(t)=△we (t)=0，即输入输出信号瞬时相 位差为恒定值，鉴相器输出信号 ud(t)为直流电压，该直流电压通过 LF 加到 VCO 上，使其振荡频率