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江苏自学考试锁相与频率合成技术教材大纲

2006-11-22 09:14   【 】【我要纠错

  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BL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BL;(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BL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。

  (九)其他应用

  1、领会:(1)锁相移相器及其工作原理。

  第七章  数字锁相环

  一、考核知识点

  (一)全数字环路的一般组成、分类。

  (二)数字环路典型部件的组成与工作原理。

  二、考核要求

  (一)全数字环路及其应用

  1、识记:(1)全数字锁相环的概念;(2)全数字锁相环的一般组成。

  2、领会:(1)全数字锁相环的分类与工作原理(触发器型数字锁相环FF-DPLL、奈奎斯行型数字锁相环NR-DPLL、过零检测式数字锁相环ZC-DPLL、超前滞后型数字锁相环LL-DPLL);(2)四种数字鉴相器及工作原理;(3)数字滤波器的一般构成及其工作原理;(4)数字压控振荡器(DCO)的基本组成及其工作原理。

  3、应用:(1)单片集成全数字锁相环74LS297的结构;(2)74LS297构成的FSK解调器应用。

  Ⅲ、有关说明和实施要求

  为了使本大纲的规定有个人自学、社会助学和考试命题中得到贯彻和落实,针对有关问题说明如下,并进而提出实施要求。

  一、关于考核目标的说明

  为了使考核内容具体化和考试要求标准化,本大纲在列出考试内容的基础上,对各章规定了考核目标,使自学应考者能够进一步明确考试内容和要求,更有目的地系统学习教材。使社会助学者能够更全面地、有针对性地分层次进行辅导。使考试命题者能够更加明确命题范围,更准确地安排试题的知识能力层次的难易度。

  本大纲在考核目标中,按照识记、领会、应用三个层次规定其应达到的能力层次要求。三个能力层次是递进等级关系。各能力层次的含义是:

  识记:能知道有关的名称、概念、知识的意义,并能正确地认识和表达。

  领会:在识记的基础上,能全面地把握基本概念、基本原理、基本方法,能掌握有关概念、原理、方法的区别与联系,并能够在实际应用中理解和领会。

  应用:在识记和领会的基础上,能对问题进行正确的阐述和分析,能运用所学的知识理解和分析实际问题。

  二、关于自学教材和参考资料

  锁相技术考试全省统一命题制定使用的教材是:《锁相技术》,张厥盛等编,西安电子科技大学出版社,1994年。

  参考资料:《锁相与频率合成技术》,仇忠善、张冠北编,电子工业出版社,1986年出版。

  《集成锁相环路——原理、特性、应用》,万心平、张厥盛编著,人民邮电出版社,1990年出版。

  《锁相环频率合成器》,张厥盛、张会宁、邢静编,电子工业出版社,1997年出版。

  三、自学方法指导

  1、在全面系统学习的基础上掌握基本概念、基本知识、基本方法和技巧。本课程内容涉及锁相技术及其应用的各个方面,知识、范围比较广泛,全书是一个整体,各章又有相对独立性。自学者应首先全面系统地学习各章,深刻领会锁相技术的理论;其次,应当识记锁相技术中的基本概念、基本知识、基本方法和技巧,同时注意各章之间的联系,然后,在全面系统的基础上掌握重点,有目的地深入学习重点章节,但切忌在没有了解全貌的情况下孤立地去抓重点,押题目。

  2、要把概念、原理、方法与实际应用结合起来学习,自学应考者应该懂得,锁相技术是理论性与工程性都很强的一门课程,在学习中切忌死记硬北,而应当把课程内容与实际应用联系起来,加深领会教材内容,进而在实际工作中能够灵活运用。

  3、在理解概念和原理的基础上,认真学习教材中的命题,做好每一章的习题,举一反三,在解题过程中,领会含义,理解概念。这时加深对教材内容的理解很有帮助。

  四、对社会助学的要求

  1、社会悬赏者应根据本大纲规定的考试内容和考核目标,认真钻研指定的教材,明确锁相技术课程的特点和学习要求,对自学应考者进行有效的辅导,引导他们防止自学中的各种偏向,把握社会助学的正确方向。

  2、要正确处理基本知识和应用能力的关系,努力引导自学应考者将识记、领会同就用联系起来,把基本知识转化为实际工作能力。

  3、要正确处理重点一般的关系。课程内容有重点与一般之分,但考试内容是全面的,而且重点与一般是相互影响的,不是截然分开的。社会助学者就指导自学方兴未艾考者全面系统地学习教材,掌握全部考试内容和考核知识点,在此基础上再突出重点。总之,要把重点学习同兼顾一般结合起来,切勿孤立地抓重点,把自学习应考者引向猜题押题。

  五、关于命题考试的若干要求

  1、本课程的命题考试,应根据本大纲所规定的考试内容和考试目标来确定范围和考核要求,不要任意扩大和缩小考试范围,提高或降低考核要求。考试命题覆盖到各章,并适当突出重点章节,体现本课程的重点内容。

  2、试题要合理安排难度结构。试题难易度可分为易、较易、较难、难四个等级。每份试卷中,不同难易试题的分数比例一般为:易占20%,较易占30%,较难占30%,难占20%.必须注意,试题的难易度与能力层次不是一个概念,在各能力层次中都会存在不同难度的问题,切勿混淆。

  3、本课程考试试卷可能采用的题型有:选择题、判断题、填充题、简答题和综合题(包含计算题)。各种题型的具体样式参见本大纲附录。

  附录:题型举例

  一、选择题

  1、对锁相环路起作用的是:(    )

  ①输入瞬时相位;②输入信号频率;③输入信号幅度

  2、不论采用何种滤波器的二阶环路其闭环频率响应具有:(    )

  ①高通特性;②低通特性;③带通特性

  二、判断题(正确的打+,不正确的打-)

  1、锁相环路是实现信号相位自动控制的系统。(    )

  2、全数字锁相环一般由数字鉴相器、RC积分滤波器、数字压控振荡器构成。(    )

  三、填充题

  1、锁相环路的频率响应含义为:________________.

  2、辅助捕获的方法有:________、________、________、________等。

  3、采用单环锁相频率合成器,其输入其准频率fi=100kHz,程序分频器分频比为1234,则环路锁定时输出信号频率为________________.

  四、简答题

  1、试述T4044数字鉴频鉴相器的鉴相工作原理。

  2、相对于输入信号而言,锁相环路为何等效为一个带通滤波器?它于一般的带通滤波器有何不同?

  五、综合题

  1、已知一阶环的Ud=2V,Ko=15kHz/v,ωo/2π=2MHz.问当输入频率分别为1.98MHz和2.04MHz的载波信号时,环路能否锁定?稳定相差多大?

  2、采用有源比例积分滤波器的窄带载波跟踪环路,其环路噪声带宽BL=18Hz,τ1=2630s,τ2=0.0834s,试确定:

  (1)环路阻尼系数ζ与环路自然角频率ωn;

  (2)环路增益K;

  (3)如选择电容C=0.33μF,确定R1,R2.

江苏省教育考试院

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