[科普中国]-自动频率控制

简介工作原理

实现自动频率控制功能的电路简称AFC环。AFC环主要由鉴频器和受控本地振荡器等部件构成。后者大多采用压控振荡器，它能使中频在输入信号频率和本地受控震荡频率发生变化时尽量保持稳定。鉴频器的作用是检测中频的频偏，并输出误差电压。闭环时，输出误差电压使受控震荡器的震荡频率偏离减小，从而把中频拉向额定值。这种频率负反馈作用经过AFC环反复循环调节，最后达到平衡状态，从而使系统的工作频率保持稳定且偏差较小。

图1是一个通信系统的自动频率控制电路的基本组成方框图。其中被控对象是压控振荡器（VCO）。反馈系统由混频器、差频放大器、限幅鉴频器和放大器等组成。频率误差经混频器检测出，并经差频放大、限幅鉴频和放大器转换成电压误差信号去控制压控振荡器。1

图1自动频率控制电路基本方框图

混频期环路的输入量为输入信号uR(t)的角频率ωR，输出量是VCO的振荡角频率ω0，它们之间的关系可根据要求而定。根据通信系统的要求，它们之间的关系应满足

ω0-ωR=ωe0 （1）

ωR-ω0=ωe0 （2）

式中ωe0为固定角频率，差频放大器的中心频率ωI=ωe0。

当ω0与ωR的关系满足（1）或(2)时，因鉴频器的中心频率选在ωe0，则其输出误差电压为零，VCO不受控制，环路没有控制作用。

当ωR一定，ω0因某种不稳定因素发生变化，其变化值比未加控制时的振荡角频率ω0大△ω0。由（1）知，混频器输出电压ue(t)中角频率比ωe0增加△ωe0=△ω。，经限幅鉴频后输出误差电压ud(t)，在经放大器放大并加到VCO上，使VCO的振荡频率减小。这个减小量使得角频率由△ωe0小到△ω′e0，在新的误差角频率作用下，再经限幅鉴频放大，使VCO的振荡频率继续减小。如此多次循环，与锁相环路相似，最后环路达到锁定状态。因环路传输的是频率，故锁定后环路存在误差角频率，称为剩余角频率误差，用△ωe∞表示。实际上，自动频率控制电路是将大的起始角频率误差△ωe0通过环路的调节作用减小到较小的剩余角频率误差△ωe∞。

同理，当ω0一定，ωR变化△ωR时，通过环路的自动调节，也能使使VCO的振荡角频率跟随ωR变化，使误差角频率|ωe0|减小到|△ωe∞|。剩余角频率误差△ωe∞的大小除了与起始角频差△ω。有关外，还决定于鉴频特性和VCO的调整特性。

锁相环锁相环是无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有VCO（压控振荡器）和PLL IC （锁相环集成电路）,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO,直到相位差恢复，达到锁相的目的。能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

在实际通信电路中，通常采用锁相环，而不用自动频率控制电路。因为它存在剩余频差，而锁相环不存在剩余频差。

应用举例早期的AFC环用于自动调谐接收机，以简化接收机的调谐手续，并使它在发射信号频率不稳定时也能进行稳定接收。20世纪50年代初期，AFC环开始用于调频通信接收机，以提高抗干扰能力；用于雷达接收机以实现频率微调；还用于调频发射机和其他电子设备，以提高主振频率的稳定度。下面以自动频率微调电路和调频负反馈解调器为例简单说明。

1.自动频率微调电路自动频率控制电路广泛用于接收机中作自动频率微调电路。图2是一个具有自动频率微调电路的调幅接收机框图。与普通的接收机不同的是本级振荡器改为能进行调整频率的压控振荡器，同时增加了限幅鉴频器、中频放大器和低通滤波器，与混频器和中频放大器组成一个自动频率控制电路。

图2 调幅接收机的AFC方框图

2.调频负反馈解调器对于调频接收系统来说，都要用2调频解调器。由于噪声的存在，任何普通的调频解调器都有一个解调的门限值。当调频解调器的输入信噪比高于解调门限值时，调频波解调后的输出信噪比将有所提高，并且其值与输入信噪比成线形关系。而输入信噪比低于解调门限值时，调频波解调器解调后的输出信噪比不仅不会提高，反而会随着输入信噪比的减小而急剧下降。因此提高调频波解调器的输入信噪比十分重要。

图2是调频负反馈解调器的方框图。它与普通调频接收机中的鉴频器的区别是，它利用鉴频后经低通滤波器输出的解调信号反馈给压控振荡器，使压控振荡器的角频率按解调电压变化。而解调电压就是输入调频波的调制电压。

图3 调频负反馈调解电路方框图