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任务 5.2 自动频率控制电路. 任务 5.2 自动频率控制电路. § 5.2 自动频率控制. 本讲导航. 5.1 自动频率控制电路. 教学目的. 1 .理解 AFC 电路的组成、工作原理及性能分析. 2 . 了解 AFC 电路的应用. 教学重点及难点. 自动频率控制电路的作用、组成 及工作原理. § 5.2 自动频率控制 ( AFC). 一 . 定义、作用及应用. 1 . 定义: 自动频率控制也叫自动频率微调,它利用反馈控制量 自动调节振荡器的振荡频率,使振荡频率稳定在某一预期的 标准频率附近 。. 2 . 作用 - PowerPoint PPT Presentation
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任务任务 5.25.2
自动频率控制电路
2
任务任务 5.2 5.2 自动频率控制电路自动频率控制电路
§§ 5.2 自动频率控制
3
本讲导航
教学目的
5.1 自动频率控制电路
1 .理解 AFC 电路的组成、工作原理及性能分析
2 .了解 AFC 电路的应用
4
教学重点及难点
自动频率控制电路的作用、组成 及工作原理
5
1 . 定义:自动频率控制也叫自动频率微调,它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率,使振荡频率稳定在某一预期的标准频率附近。
一 . 定义、作用及应用
2 . 作用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。
§ 5.2 § 5.2 自动频率控制自动频率控制 ((AFC)AFC)
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3 . 应用 (1) 调幅接收机:稳定本振频率。 (2) 调频接收机:稳定中心频率。
7
1 . 系统框图二 . AFC 的工作原理
2 . 工作原理 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 fO ,它们之间的
关系可根据频率比较器的类型而定。
d
d
c
o
o
oR
R
u u u ufff
f
频率比较器 低通滤波器 压控振荡器
8
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信号 ud 是电
压信号,送入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) =fO0 +kcuC(t)
式中, fO0 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。
d
d
c
o
o
oR
R
u u u ufff
f
频率比较器 低通滤波器 压控振荡器
9
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-fO)
式中, kb 是鉴频灵敏度。若输出信号频率 fO 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 附近上。
d
d
c
o
o
oR
R
u u u ufff
f
频率比较器 低通滤波器 压控振荡器
10
当频率比较器的混频 - 鉴频器时,输出信号 ( 频率为 fO
先与本振信号 ( 频率为 fL) 混频,输出差频信号 ( 频率为 fd
=fO-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)
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 fO ,使之与 fL 的差值稳定在 fR 上。若 fL 是变化的,则 fO 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。
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1 . 在调幅接收机中用于稳定中频频率
三 . AFC 的应用(发射机和接收机)
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
去低放f
f
f f f
fS
I
L
LCC输入
调幅波=
图 9-10 采用 AFC的调幅接收机组成方框图
12
2 . 在调频发射机中用于稳定中心频率
加 法 器 调频振荡器
直流放大器 低通滤波器 鉴频器 晶体振荡器 混 频 器 fi
u
u
u u
uΩ
C
D G
o
f 'c
f 'g
fg
图 9-11 采用 AFC的调频器组成框图
13
调频振荡器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。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。
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本节小结:1 . 1 . 自动频率控制的自动频率控制的定义、作用及应用2 .2 . 自动频率控制的工作原理自动频率控制的工作原理3. 自动频率控制的应用自动频率控制的应用
1 )在调幅接收机中用于稳定中频频率
2 )在调频发射机中用于稳定中心频率
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本讲作业
1. 简述自动频率控制的功能。
2. 简述自动频率控制的控制原理。
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任务任务 5.35.3
锁相环路
17
任务任务 5.3 5.3 锁相环路锁相环路
§§ 5.3 锁相环路
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本讲导航
教学目的
5.3 锁相环路
1 .理解 PLL 电路的组成、工作原理及性能分析
2 .了解 PLL 电路的应用
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教学重点及难点
锁相环路的作用、组成 及工作原理
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锁相环电路的提出: 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。
§ 5.§ 5.33 锁相环路锁相环路 ((PLL)PLL)
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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: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。 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。
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1 . 组成框图
一 . 基本工作原理
组成 :
(1) 鉴相器 PD(Phase Detector);
(2) 环路滤波器 LF(Loop Filter): 低通滤波器 ;
(3) 压控振荡器 VCO 。
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基本概念 :
(1)失锁:如果 ui(t) 和 uO(t) 的频率不相等,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 ;
(2) 锁定:锁相环路工作过程中,如果信号 ui(t)
和 uO(t) 的相位差不断减小,最终可能等于某一较小的恒定值,就称锁相环路处于“锁定”状态 。
PD LF VCOu (t) u (t) u (t) u (t)
u (t)
i d c o
oo
oiω
ω
ω
24
2 . 工作原理
(1) “失锁”状态时, ui(t)和 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 ud(t) ;
(2) ud(t)经 LF 滤波,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 ;
(3) uc(t)加到 VCO 上,控制 VCO 的振荡频率,
使 ui(t)和 uo(t) 的相位差不断减小,直至进入“锁
定”状态。 最终实现 Wi=W o
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3 . 锁相环路 PLL 与自动频率控制 AFC 的区别
(1)PLL :利用相位差实现反馈控制,有相差,无频差 (2)AFC :利用频率差实现反馈控制,有相差,有频差
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二 . 锁相环路的性能分析
(一 ) . 捕捉过程
与捕捉带
1 、捕捉过程概念 : 环路由”失锁”状态进入”锁定”状态的过程
27
(一 ) . 捕捉过程
与捕捉带
2 、捕捉带 :环路由失锁进入锁定状态所允许信号频率偏离 的最大值。 3 、捕捉时间 :环路由失锁进入锁定状态所需的时间。
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(二 ) . 跟踪过程
与跟踪带
1 、跟踪过程或同步过程:如果输入信号频率 或 VCO
振荡频率 发生变化,则 VCO 振荡频率 跟踪 而变化,维持 的锁定状态,称为跟踪过程或同步过程。 2 、跟踪带或同步带:能够维持环路锁定所允许的最大固有频差 ,称为锁相环路的跟踪带或同步带。
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(三 ) . 锁相环路
的基本特性
1、自动跟踪特性 2、良好的窄带特性 3、锁定后无剩余频差
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三 . 锁相环路的应用
因锁相环路具有良好的跟踪和窄带滤波特性,并且易于集成化、体积小、可靠性高、功能强大,因此在倍频器、分频器、混频器及调制解调器等电路中得以广泛的应用。
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三 . 锁相环路的应用
1 . 锁相倍频电路
PD LF VCOu (t)d u (t)ou (t)i u (t)c
÷ n
ωi ωo
ωo
u (t)o
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锁相倍频器与普通倍频器相比较,其优点是:(1) 锁相环路具有良好的窄带滤波特性,容易得到高纯度的频率输出,而在普通倍频器(如采用丙类谐振功率放大器构成的倍频器)的输出中,谐波干扰是经常出现的。(2) 锁相环路具有良好的跟踪特性和滤波特性,锁相倍频器特别适用于输入信号频率在较大范围内漂移,并同时伴随着有噪声干扰的情况,这样的环路兼有倍频和跟踪滤波的双重作用。
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三 . 锁相环路的应用 2 . 锁相分频电路
PD LF VCOu (t)d u (t)ou (t)i u (t)c
n
ωi ωo
ωo
u (t)o ×
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3 . 锁相混频电路
PD LF VCOu (t)d u (t)ou (t)i u (t)c
中频放大器
ωi ωo
ω -ωo
u (t)o混频器
L
ω -ωo L
u (t)LωL
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设输入信号 ui(t) 的角频率为 wi ,输出信号 uo(t) 的
角频率为 wo ,送给混频器的本振信号的角频率为 wL ,
则其输出信号角频率为 |wo±wL| (具体取加还是减视
混频器的类型而定)。环路锁定时,若图中所示混频器为差频混频,有 wi=|wo-wL|
即当 wo> wL 时, wo=wi+wL;当 wo<wL 时, wo=wi-
wL 。
PD LF VCOu (t)d u (t)ou (t)i u (t)c
中频放大器
ωi ωo
ω -ωo
u (t)o混频器
L
ω -ωo L
u (t)LωL
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4 . 锁相调频电路
采用锁相环路调频,能够得到中频频率稳定度极高的调频信号,锁相环使 VCO 的中心频率稳定在晶振频率上,同时调制信号也加至 VCO 上,从而实现调频。
PD LF
VCO
u (t)d
u (t)FM
晶振
调制信号
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5 . 锁相鉴频电路
相鉴频电路的方框图如图 9-24 所示。当输入调频波的频率发生变化时,经 PD和 LF 后将得到一个与输入信号的频率变化相同的控制电压,即实现鉴频。
PD LF
VCO
u (t)du (t)FM
解调输出
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本节小结:1 . 1 . 锁相环路的工作原理锁相环路的工作原理2 .2 . 锁相环路的性能分析锁相环路的性能分析3. 锁相环路的应用锁相环路的应用
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本讲作业
1.画出锁相环路的组成框图并简述各部分的作用 ,分析系统的工作过程。
2.画出锁相环路的相位模型并写出其环路方程 。