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222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X o 为系统的输出量，X R 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X o 和X R 之间都具有确定的关系，例如X o =g (X R )。
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的关系偏离X o =g (X R )的程度，产生相应的误差量X e , 加到被控对象上对输出量X o 进行调整，使X o 与X R 之间的关系接近或恢复到预定的关系X o =g (X R )。
(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2233. VCO 输出电压的相位受u c 控制。
而u c 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u e 经环路滤波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u V (t )=U Vm cos ［ωo t +θV (t )］u R (t )=U Rm sin ［ωR t +θR (t )］=U Rm sin ［ωo t +(ωR -ωo )t +θR (t )］=U Rm sin ［ωo t +θ1(t )］ 式中，θ1(t )=(ωR -ωo )t +θR (t )称为输入信号以相位ωo t 为参考的瞬时相位。
锁相与频率合成技术实验讲义桂林电子科技大学通信实验中心实验一锁相环实验一、实验原理锁相环路实质是一个负反馈的相位差自动调节系统。
1、锁相环路的构成图1 锁相环基本框图1（1）鉴相器鉴相器是相位差转换成电压的变换器（θe / V变换器、相差/电压变换器），它把两个信号U2（t）和U1（t）的相位进行比较，产主对应于两个信号相位差θe的误差电Ud（t）。
图2(a) 鉴相器模型23图2（b ）异或门鉴相曲线 图2（c ）数字比相器的鉴频鉴相曲线4如图2（c ）的数字比相器，其特性可以理解为：① 对于相位跳变信号，如f1输入已调2PSK 信号，f2输入载波信号，则鉴相器的输入输出信号为：图3 f 1 ：PSK 信号图4 f 0： 载波信号图5 f 1 与f 0 的相差θe图6 鉴相器的输出电压Ud②对于频率跳变信号，如f1输入已调2FSK信号，由高低频率f H、f L组成，f2输入f L信号，则鉴相器的输入输出信号为：图7 f1：FSK信号图8 f0：FSK的f L信号图9 f1与f0 的相差θe5（2）环路滤波器环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud（t）中的进行积分，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。
环路滤波器常用的类型有RC积分滤波器，无源比例积分滤波器，有源比例积分滤波器。
（3）压控振荡器VCO的技术指标：中心频率、频率变化范围、频率稳定度、相位噪声、压控线性度、压控灵敏度。
图11 压控振荡器控制电压/ 输出频率（Uc－ωO）特性曲线6同步带与捕获带同步带的测量方法：环路锁定之后，缓慢提高信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出Δωh H ；用同样方法测量Δωh L ，环路锁定之后，降低信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出ΔωL 。
图20 PLL同步带范围78同步带的测量方法：由于频率太低引起环路失锁之后，缓慢提高信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出Δωp H ；用同样方法测量Δωp L 。
锁相与频率合成技术南京理工大学编（高纲号 0552）Ⅰ、课程性质与设置目的要求“锁相与频率合成技术”课程是江苏省高等教育自学考试电子信息工程专业的必修课，主要内容为锁相技术的基本原理、电路与应用。
锁相与频率合成技术是实现相位自动控制的一门科学，是专门研究系统相位关系的技术。
随着科学技术的发展，人们对各种设备的控制精度要求越来越高，在无线电技术中自动控制技术的应用已经进入了第三代。
第一代是自动增益控制（AGC）；第二代是自动频率控制（AFC）；第三代是自动相位控制（APC）。
而锁相技术就是第三代的控制技术。
锁相技术的核心是锁相环路，所谓的锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统。
锁相环路具有两个突出的特性：第一是窄带滤波特性；第二是宽带跟踪特性。
这两个特性使得锁相技术在电子技术领域得到了广泛的应用，特别是随着集成电路技术、数字技术以及通讯和计算机技术的发展，极大地推动了锁相技术的发展和应用。
目前，锁相技术已经形成一门比较系统的理论科学，锁相技术的应用主要包含以下几个方面：跟踪滤波、频率合成与频率变换、模拟和数字信号的相干解调、数字通讯、调制与解调、检波、稳频和位频等。
设置本课程的目的和要求：通过本课程的学习，使自学应考者掌握锁相技术的原理和锁相环路的性能，熟悉锁相环路的分析方法，了解锁相技术在电子技术领域中的应用。
锁相技术是理论性与工程性都很强的一门课程，学生应具备必要的数学、电子线路、数字电路、信号与系统等课程的知识，在掌握环路原理和性能的基础上领会应用，在学习应用中进一步深化和理解环路的原理和性能，理论联系实际，为在今后的工程实践中灵活应用锁相环路打下基础。
Ⅱ、考试目标（考核知识点、考核要点）第一章锁相环路的基本工作原理一、考核知识点（一）锁相环路的基本工作原理；（二）锁相环路的相位数字模型及其微分方程；（三）锁相环路的基本性能。
二、考核要求（一）锁定与跟踪的概念1、识记：（1）相位的概念；（2）锁相环路的定义；（3）环路的捕获带（4）环路的同步带。
2、领会：（1）锁相环路是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号瞬时相位与输入信号瞬时相位的控制关系（2）几个重要参数：载波相位、瞬时相位、自由振荡角频率、瞬时相差、移稳态相差；（3）环路的两种基本工作状态：捕获过程、锁定状态。
3、应用：（1）环路是处于锁定状态的判定依据；（2）一阶环稳态相差的计算。
（二）环路组成1、识记：（1）环路的基本部件；（2）鉴相器的作用与数学模型；（3）鉴相器的分类：模拟乘法器鉴相器、序列电路（数字鉴相器）；（4）环路滤波器的作用与数学模型；（5）压控振荡器的作用与数学模型；（6）压控灵敏度；（7）压控振荡器的种类。
2、领会：（1）锁相环路的组成及框图；（2）正弦鉴相器及数学模型；（3）几种常用的环路滤波器及传递函数；（4）锁相环路的相位数学模型。
3、应用；（1）理想积分滤波器分析；（2）非常用环路滤波器的传递函数求解。
（三）环路的动态方程1、识记：（1）瞬时频差；（2）控制频差；（3）固有频差；（4）环路增益K。
2、领会：（1）锁相环路动态方程3、应用：（1）锁相环路动态方程的含意；（2）稳态相差的求解。
（四）一阶环路的捕获、锁定与失锁。
1、识记：（1）一阶环路；（2）相点；（3）相轨迹（4）相平面。
2、领会：（1）一阶环路的非线性微分方程；（2）相轨迹上相点的含义。
3、应用：（1）频率牵引现象；（2）一阶环路的捕获带、同步带、快捕带。
第二章环路跟踪性能一、考核知识点（一）锁相环路的线性相位模型及传递函数；（二）锁相环路的性能指标；（三）二阶环路在典型输入下的响应；（四）环路的频率响应。
二、考核要求（一）线性相位模型与传递函数1、识记：（1）环路传递函数的概念；（2）讨论传递函数的含义。
2、领会：（1）锁相环路的线性相位模型；（2）环路的线性动态方程；（3）环路开环传递函数；（4）环路闭环传递函数；（5）环路误差传递函数：（6）采用三种常用滤波器环路的传递函数。
（二）二阶线性系统的一般性能1、识记：（1）环路自然角频率ωn；（2）环路阴尼系数ζ；（3）环路的主要性能指标：延迟时间、上升时间、峰值时间、暂态时间、最大过冲量。
2、领会：（1）三种典型环路的ωn、ζ表示方法；（2）环路的频率响当当应及特性。
（三）环路对输入暂态信号的响应1、识记：（1）环路的暂态相差；（2）相位阶跃；（3）频率阶跃；（4）频率斜升；（5）稳态相差。
2、领会：（1）分析二阶环路对输入暂态响应的方法；（2）采用无源比例积分滤波器的二阶环路对三种暂态信号输入的响应；（3）采用理想积分滤波器的二阶环路对三种暂态信号输入的响应。
3、应用：（1）环路暂态相差与稳态相差的计算。
（四）环路对输入正弦相位信号的响应1、识记：（1）环路频率响应的概念；（2）环路输入相位的调制频率Ω；（3）调制跟踪环；（4）载波跟踪的概念。
2、领会：（1）常用二阶环的闭环频率响应；（2）常用二阶环的误差频率响应；（3）二阶环路频率特性的特点：无论采用何种滤波器的二阶环路，其闭环频率响应具有低通的性质、共误差频率响应具有高通的性质。
3、应用：（1）调制跟踪环的特点和应用；（2）载波跟踪环的特点与应用。
（五）环路稳定性1、识记：（1）环路稳定性及判别方法；（2）稳定余量；（3）相位余量；（4）增益余量。
2、领会：（1）伯德准则；（2）采用伯德准则或稳定余量判断环路的稳定性。
（六）非线性跟踪1、识记：（1）最大同步扫描速率的概念；（2）最大频率阶跃量的概念。
2、领会：（1）非线性跟踪的稳态相差。
第三章环路噪声性能一、考核知识点（一）环路存在噪声时的相位数学模型（仅含输入噪声及仅含VCO噪声两种情况）；（二）环路噪声带宽B L及含义；（三）跳周、平均跳周时间、跳周概率。
二、考核要求（一）环路噪声相位模型1、识记：（1）噪声与干扰的来源；（2）分析有噪声环路的方法。
2、领会：（1）环路存在噪声时的相位数学模型（仅含输入噪声及仅含VCO噪声两种情况）。
（二）环路对输入白高斯噪声的线性过滤特性1、识记：（1）环路的噪声带宽B L；（2）环路的信噪比。
2、领会：（1）仅含输入噪声的相位数学模型；（2）环路输出噪声相位方差；（3）环路的噪声带宽B L的含义；（4）环路对输入噪声的过滤特性。
3、应用：（1）环路噪声带宽的计算；（2）环路信噪比的计算。
（三）环路对压控振荡器相位噪声的线性过滤1、领会：（1）仅含VCO噪声的相位数学模型；（2）环路对VCO噪声的过滤特性。
（四）环路跳周与门限1、识记：（1）跳周的概念；（2）环路噪声门限。
2、领会：（1）平均跳周时间及其计算；（2）跳周概率的含义及其计算。
第四章环路捕获性能一、考核知识点（一）捕获的概念及捕获过程；（二）环路捕获的性能参数（捕获带、捕获时间）；（三）辅助捕获的方法。
二、考核要求（一）捕获的基本概念1、识记：（1）捕获的概念；（2）频率捕获；（3）相位捕获；（4）自捕获；（5）辅助捕获；（6）研究捕获过程的常用方法。
（二）捕获过程与捕获特性2、领会：（1）捕获过程；（2）捕获过程的特性。
（三）捕获带与捕获时间1、识记：（1）捕获带；（2）快捕带；（3）频率捕获时间；（4）快捕时间（相位捕获时间）。
2、领会：（1）二阶环的捕获带与捕获时间计算。
（四）辅助捕获方法1、识记：（1）辅助捕获的作用；（2）辅助捕获的基本出发点。
2、领会：（1）辅助捕获的方法；（2）辅助捕获的原理（辅助鉴频、变带宽、变增益）。
第五章集成锁相环路一、考核知识点（一）集成锁相环路的分类及特点；（二）数字式鉴频鉴相器的工作原理；（三）数字压控振荡器的工作原理；（四）集成频率合成器的工作原理。
二、考核要求（一）集成鉴相器1、识记：（1）集成鉴相器的类型。
2、领会：（1）模拟乘法器鉴相器的工作原理及鉴相特性；（2）门鉴相器的工作原理及鉴相特性；（3）数字式鉴频鉴相器的基本组成；（4）数字式鉴频鉴相器的工作原理；（5）数字式鉴频鉴相器的鉴相特性与鉴频特性。
（二）集成压控振荡器1、识记：（1）常用的集成压控振荡器类型。
2、领会：（1）LC负阴型压控振荡器的工作原理；（2）数字门电路型压控振荡器的工作原理。
（三）通用单片集成锁相环1、识记：（1）NE560、NE562的组成与特性；（2）XR-215的组成与特性；（3）L564的组成与特性；（4）NE567的组成与特性；（5）5G4046的组成与特性。
（四）集成频率合成器1、识记：（1）集成频率合成顺的主要部件；（2）MC145106的内部组成；（3）MC145145的内部组成；（4）MC145152的内部组成。
2、领会：（1）MC145106组成的组合式集成频率合成器框图及工作原理。
第六章锁相环路的应用一、考核知识点（一）锁相环路的特性及含义；（二）典型的锁相环路应用；（三）跟踪滤波器；（四）调制与解调；（五）频率合成。
二、考核要求（一）跟踪滤波器1、识记：（1）跟踪滤波器。
2、领会：（1）跟踪滤波器的跟踪特性；（2）跟踪滤波器频率特性。
3、应用：（1）相干解调的概念。
（二）调制器与解调器1、识记：（1）带载波的双边带调幅信号DSB-AM；（2）抑制载波的单边带调辐信号SSB-AM；（3）残留边带的调幅信号VSB-AM；（4）抑制载波的双边带调幅信号；（5）调频信号；（6）调相信号；（7）频移键控FSK；（8）相移键控PSK。
2、领会：（1）AM同步解调的工作原理；（2）调频信号与调相信号的相互转换；（3）调频信号解调的工作原理。
3、应用：（1）几种FM解调器电路；（2）FSK解调的应用。
（三）频率合成1、识记：（1）频率合成的定义；（2）频率合成的三种方法、工作原理及特点。
2、领会：（1）双模分频锁相合成器的工作原理、特点及分频比的计算；（2）四模分频锁相合成器的工作原理及分频比的计算；（3）小数分频频率合成器的工作原理及特点。
3、应用：（1）频率合成器实例及输出频率计算；（2）双环锁相频率合成器的输出频率计算。
（四）载波同步1、识记：（1）相干载波；（2）提取相干载波的方法：插入导频法、直接提取法。
2、领会：（1）平方环的工作原理、作用、特点；（2）同相正交环的工作原理。
（五）位同步1、识记：（1）位同步的概念；（2）外同步法；（3）自同步法。
2、应用：（1）几种典型的位同步模拟环。
（六）FM立体声解码1、识记：（1）FM立体声信号；（2）FM立体声解码器的组成。
2、领会：（1）FM立体声解码器的工作过程。
（七）电动机转速控制1、领会：（1）锁相电机控制的工作原理；（2）锁相电机控制系统的工作模型。
（八）锁相接收机1、识记：（1）锁相接收机的一般过程。
2、领会：（1）锁相接收机的工作原理。
