彩色电视机中的副载波恢复电路

为了实现彩色电视信号的同步解调，需要本机有一个副载波信号。因此，在彩色电视机中，必须重新恢复在发送端被抑制掉的副载波，并且要求电视机中的副载波与发送端副载波的频率和相位一致。彩色电视机中的副载波恢复电路，实际上是一个锁相环路。图1示出了该环路的方框图。

通常锁相环路是由电压控制振荡器（简称压控振荡器），相位检波器（鉴相器）和环路滤波器三个基本部分组成。压控振荡器即副载波振荡器，它是用来产生4.43MHz副载波的，一般都使用频率稳定性较高的晶体振荡电路。鉴相器则是用来鉴别本机副载波振荡器所产生的信号是否以正确的频率和相位进行振荡。由鉴相器把来自压控振荡器的副载波与来自色选通放大器的色同步信号进行相位比较，并输出反映两个信号相位差的控制电压，这个控制电压经过环路滤波器滤波以后，用其直流分量来控制压控振荡器的变容二极管，以此来改变压控振荡器的频率和相位。如果压控振荡器的副载波频率与色同步信号中副载波的频率不相等，鉴相器输出的控制电压，将自动调整该振荡器的频率，最后使其与色同步信号的副载波频率相等时，锁相环路达到稳定，即环路进入锁定状态。从而保证了已恢复的副载波与免同步信号中的基准副载波不但频率相等，而且有了确定的相位关系。

环路滤波器是一个低通滤波器，由它滤掉鉴相器输出电压中的高频分量和杂波。下面对北京牌834型彩色电视机锁相环路内的各个部分作进一步分析。

在彩色电视机中，广泛地选用了晶体压控振荡器。这种振荡器对于温度、电源变化等引起的频率漂移小，有较高的频率稳定度（约为5×10\(^{-}\)5）。在晶体压控振荡器中，大都采用变容二极管作为控制元件。对于压控振荡器来说，还应具有较高的频率控制灵敏度。所谓“频率控制灵敏度”，它是表示加到压控振荡器上的电压变化1伏时，引起的振荡频率变化多少赫。控制灵敏度高时，锁相环路的捕捉范围和同步范围也就宽，这对稳定地接收彩色图象信号是极其重要的。

图2示出了834型彩色电视机晶体压控振荡器的实际电路。其中，晶体SJT\(_{1}\)接在振荡管BG26的集电极和基极之间，晶体在此是作为一个电感元件。变容二极管BG\(_{114}\)是振荡回路中的电抗元件。改变加到变容二极管上的反向偏置电压，就可以使振荡器的振荡频率产生变化。当锁相环路在锁定之前或环路失锁时，鉴相器输出的直流控制电压加刻变容二极管上，使压控振荡器的频率、相位发生变化，直到环路进入锁定状态为止。环路锁定时，压控振荡器的振荡频率为4.43361875兆赫。

1．晶体阻扰与频率特性

在说明压控振荡器的工作原理之前，首先需要了解一下晶体的频率特性。图3（a）所示为晶体的等效电路。由图3（a）可以看出，晶体可等效为电容C\(_{S}\)、电感LS、损耗电阻r\(_{S}\)三者的串联再与杂散电容Co的并联回路。其中：L\(_{S}\)和CS组成串联谐振电路，其谐振频率ω\(_{s}\)=1\(\sqrt{L}\)SC\(_{S}\)；Co与L\(_{S}\)、CS组成并联谐振电路，谐振频率ω\(_{P}\)=ωSHC\(_{S}\)/Co。

晶体的电抗特性如图3（b）所示。 X为晶体的等效电抗，由图可见，当工作频率ω＜ω\(_{S}\)或ω＞ωP时，晶体为容抗；当ω在ω\(_{S}\)＜ω＜ωP频率范围内时，晶体为感抗。

2.晶体压控振荡器

晶体压控振荡器的交流等效电路如图4（a）所示。其中：C\(_{d}\)为变容二极管BG114的结电容。因为电容器C\(_{524}\)（0.01μF）对4.43MHz副载波可以看作短路，而晶体在压控振荡器中表现为感性电抗，则相当于等效电感L并联在晶体管的集电极和基极之间，集电极负载可以等效为电容C。经过简化之后，就得到如图4（b）所示的高频等效电路。由该等效电路图可以看出，晶体压控振荡器是一个典型的电容三点式振荡器。

电感线圈L\(_{5}\)05构成谐振回路的电抗元件，调节它的磁心，即可改变振荡器的振荡频率。R474和R\(_{475}\)为偏置电阻，串接在BG26发射极上的电阻R\(_{477}\)作为直流负反馈，电容器C521和C\(_{523}\)为旁路电容，C524为耦合电容，C\(_{522}\)、C525构成谐振电路中的容性元件。变容二极管BG\(_{114}\)作为振荡电路中的可变容性元件，当改变加到它上面的反向偏压时，变容二极管的结电容也变化，振荡器的频率就相应地变化，因而由变容二极管完成了压控振荡器的自动频率调整。变容二极管的稳定性关系到压控振荡器的频率稳定度。变容二极管对温度变化敏感，它具有正的温度系数，例如当温度升高时，其结电容Cd随之增加，导致频率下降。为了弥补变容二极管这一正温度系数，在图2所示的电路中，是把具有负温度系数的热敏电阻R\(_{498}\)和R499接入到变容二极管BG\(_{114}\)的偏置电路上（R498、R\(_{499}\)和电阻R471\(_{473}\)构成了偏置电路）。当温度升高时，R498和R\(_{499}\)阻值减小，因而加到变容二极管上的反向偏压增加，这样一来使变容管结电容Cd减小。只要适当地选择热敏电阻的阻值，就可以较好地补偿变容管的温度漂移，保证压控振荡器的频率稳定度。

鉴相器是锁相环路的心脏部分。由它把晶体压控振荡器产生的4.43MHz副载波信号与色同步信号进行比较，除了产生控制电压去锁定压控振荡器之外，还将输出7.8KHz的识别信号。这个半行频的识别信号分二路送出：一路送到PAL电子开关，使电视机的电子开关极性与发送端（电视台）的电子开关保持同步；另一路送至消色电路和自动色度控制电路。

1．工作原理

图5是834型彩色电视机中的鉴相电路图，是一个平衡式并联鉴相电路（检波二极管与负载并联）。其中，变压器B\(_{5}\)02的次级中心抽头接地，从变压器的初级输入色同步信号u1，压控振荡器所产生的副载波信号（连续的正弦波）u\(_{2}\)加到签相二极管BG115和BG\(_{116}\)的连接点上。这两个信号在鉴相电路中进行比较，从负载电阻R467和R\(_{468}\)的连接点输出鉴相控制电压。为了便于分析，将图5电路的等效电路画于图6。

锁相信号（即由色同步选通放大器送来的色同步信号）通过变压器B\(_{5}\)02以推挽方式注入Ⅰ、Ⅱ两个回路中，假定输入到每一个回路的电压为u1，而被锁定的信号u\(_{2}\)。（即压控振荡器产生的副载波信号）加到二极管D1和D\(_{2}\)的连接点B处。u1和u\(_{2}\)两个信号通过比较，从负载电阻R1和R\(_{2}\)的连接点A处输出控制电压。由等效电路图可以看出：在第Ⅰ回路中是电压（u1－u\(_{2}\))加到二极管D1和电容器C\(_{1}\)串联的电路上，在第Ⅱ回路中是电压（u1+u\(_{2}\))加到二极管D2和电容器C\(_{2}\)串联的电路上。当在二极管D1和D\(_{2}\)导通期间，电压（u1-u\(_{2}\)）和（u1+u\(_{2}\)）通过信号源内阻分别对C1和C\(_{2}\)充电；而在二极管截止期间（无色同步信号时），C1和C\(_{2}\)将分别通过电阻R1和R\(_{2}\)放电。适当选取电路中的充、放电时间常数，就可以使电容器上的电压充电到外加电压的峰值（放电量非常小）。因而在电容器C1上的电压U\(_{C1}\)反映了电压u1-u\(_{2}\)的振幅，C2上的电压U\(_{C2}\)反映了电压u1+u\(_{2}\)的振幅。

当选取回路Ⅰ和回路Ⅱ的参数相同时（对于平衡式鉴相器要求两回路的参数有良好的对称性），即C\(_{1}\)=C2=C，R\(_{1}\)=R2=R, 则负载电阻R上的电压U\(_{R}\)=\(\frac{1}{2}\)（UC1+2\(_{u1}\)+UC2），A、B两点间的电压u\(_{AB}\)=1;2（UC1－U\(_{C2}\)）-u2，鉴相器的输出电压U\(_{AO}\)=uAB＋u\(_{2}\)=\(\frac{1}{2}\)（UC1-U\(_{C2}\))。由此可见，鉴相器输出的最大电压是反映电容器上充电的振幅差值。UAO是近似方波的半行频信号，在环路的锁相过程中，就是利用U\(_{AO}\)中的直流分量去控制压控振荡器，从而实现频率牵引和相位锁定。关于频率牵引和相位锁定的过程，本文不再叙述。

在此还需要说明的是：在PAL制彩色电视机中，作为锁相信号的色同步信号，不是一个连续的正弦波，在每个行周期中它只存在一个很短的时间，只有当色同步信号来到时，二极管导通，进行鉴相；而在色同步信号过去以后的期间，只有压控振荡器产生的副载波作用于鉴相器，所以说鉴相的过程在每个行周期内是短暂的。图7示出了鉴相器各点的波形，图中表示出了色同步信号u\(_{1}\)的相位是按照225°、135°、225°、135°……逐行倒相的关系，uE和u\(_{F}\)分别表示图6上E点及F点上的电压波形。当鉴相器输出电压uAo的正半周对应着色同步信号u\(_{1}\)的225°相位时，则负半周对应着u1的135°相位。而色同步信号的相位反应着发送端编码器中电子开关的状态。因而，鉴相器输出的半行频方波控制电压U\(_{AO}\)，经过选频放大以后，产生频率为7.8KHz的正弦波，就可以用作为PAL识别信号。

2．输出电压和灵敏度

通过分析，我们已经知道，鉴相器的输入信号有两个：一个是色同步信号u\(_{1}\)，它的振幅值是U1m;一个是副载波信号u\(_{2}\)，它的振幅值是U2m。同时，我们也知道，鉴相器的输出电压U\(_{AO}\)＝\(\frac{1}{2}\)（Uc1-U\(_{c2}\)）而Uc1的大小又取决于（U\(_{1m}\)－U2m），U\(_{c2}\)的大小取决于（U1m＋U\(_{2m}\)）。这样，就可以看出：鉴相器的输出电压是由色同步信号的振幅值和副载波的振幅值以及这两个信号之间的相位差所决定。根据色同步信号的幅度U1m与副载波信号的幅度U\(_{2m}\)之间的关系，鉴相器的输出电压有下列三种情况：

①U\(_{1m}\)》U2m鉴相器的最大输出电压等于U\(_{2m}\)，②U1m《U\(_{2m}\)鉴相器的最大输出电压等于U1m； ③U\(_{1m}\)=U2m鉴相器的最大输出电压等于0.707U\(_{1m}\)（或0.707U2m）。

为了使鉴相特性是线性的，根据理论分析应使副载波信号的幅度近似等于色同步信号的幅度。例如，北京牌834型彩色电视机的色同步信号幅度U\(_{1m}\)=7VPP，副载波信号的幅度U\(_{2m}\)=6VPP。因此，该机的鉴相器具有较好的鉴相特性。有的彩色电视机，为了提高色同步信号的信噪比，选取U\(_{1m}\)》U2m。

上述无论是哪一种情况，当色同步信号与副载波信号的相位差φ=90°时，鉴相器输出电压U\(_{AO}\)=0,这意味着副载波信号u2的频率f\(_{2}\)与色同步信号u1的频率f\(_{1}\)相同，而且u2和u\(_{1}\)正交（φ=90°)。在压控振荡器所产生的副载波被锁定以前，副载波信号与色同步信号之间的相位差总是偏离90°的，而且偏离愈远，鉴相器输出的控制电压愈大，最终使相位差为90°，环路进入锁定状态为止。

所谓鉴相器的灵敏度，是指副载波信号与色同步信号相位差偏离平衡值（如90°）单位角度时，鉴相器的输出电压值。当环路进入锁定状态时，即U\(_{2m}\)≈U1m的工作状态，鉴相灵敏度等于0.707U\(_{1m}\)（或 0.707U2m）。如果鉴相器选取的工作状态是U\(_{1m}\)》U2m，鉴相灵敏度等于副载波信号的幅度U\(_{2m}\)。

为了使锁相环路有比较宽的捕捉范围，总是希望提高鉴相器的电压控制灵敏度。对于锁定状态工作在U\(_{1m}\)≈U2m的情况，要得到比较高的鉴相灵敏度，往往是同时加大输入到鉴相器的两个信号的幅度。

3．环路滤波器

在鉴相器的负载上除了含有直流分量外，还包含高频分量。为了仅输出有用的直流成分，必须在鉴相器的输出端接上具有高输入阻抗的低通滤波器，使得滤掉高频分量。滤波器的频带对环路的捕捉范围、捕捉速度和抗干扰性能有很大的影响。因此，如何选择滤波器的形式和参数是很重要的问题。如果滤波器的频带窄，则抗干扰性能好，但是不能有效地传输有用的直流分量，同时使得环路的捕捉性能也变坏了。如果滤波器的频带很宽，对提高捕捉能力有利，但带来了干扰噪声非常大，很容易破坏环路的稳定性。所以，在834型彩色电视机中，环路滤波器采用了如图8（a）所示的同时兼顾捕捉性能和抗干扰性能的双时间常数低通滤波电路，取得了较好的效果。它的频率特性如图 8（b）所示。其中：ω\(_{1}\)＝\(\frac{1}{R}\)460C\(_{519}\)；ω2=1;R\(_{47}\)0C510；ω\(_{3}\)=\(\frac{1}{R′}\)465C\(_{52}\)0(R′469为电阻R\(_{469}\)与鉴相电路等效内阻相串联后的总电阻），K是滤波器的传输系数。

由图8（b）可以看出：这种双时间常数低通滤波器的频率特性（曲线①）比单时间常数的频率特性

（曲线②）要好得多。由于它的频带宽，保证了锁相环路有较大的捕捉范围；而在频率高端，传输系数K减小，对高频分量有足够的衰减，从而提高了抗干扰能力。（王锡城 赵顺活）