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任务任务 5.25.2 　　

自动频率控制电路

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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

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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

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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

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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。

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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

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　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

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　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

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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

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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

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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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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

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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

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(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 。