CN109167572A - 一种用于小型化odu接收通道的频率合成器 - Google Patents

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张玲玲
顾鹏
刘凯
裴晨
王寰星
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Abstract

本发明公开了一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，包括依次串接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，该鉴相器的第一参考源输入端与外部参考源电连接，该鉴相器的数控接口对应电连接单片机，该鉴相器的鉴相输出端电连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的振荡信号输出端输出合成信号，并且所述振荡信号输出端还与所述鉴相器的第二参考源输入端电连接。还进一步公开了上述电路中使用的芯片及接口网络的组成。该频率合成器应用于卫星通信接收通道，能够通过参数配置的方式更改所需的合成信号频率，同时还具有稳定可靠的特点，在节省功耗、减少体积、降低成本方面也具有优势。

Description

一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种适用于卫星通信小型化ODU接收通道的频率合成器。
背景技术
在卫星通信设备中，ODU(Out-door Unit)是指室外单元，主要包括频率变换和功率放大，具体又可以分为发射通道和接收通道，发射通道通常是指BUC(Block Up-Converter)，即上变频功率放大器，接收通道主要是指LNB(Low Noise Block down-converter)，即低噪声放大、变频器。
在卫星通信设备中，通常需要频率合成器作为振荡信号源，而在接收通道中频率合成器产生的振荡频率通常需要能够调整，以满足对不同接收频率的应用需求。另外，由于接收的卫星信号会存在多普勒效应而发生频偏，也希望能够使得频率合成器产生的振荡信号源的频率能够适应这种变化的接收信号频率。
并且，随着卫星通信设备小型化发展趋势，也希望其中的各部分组成电路具有占用空间少、功耗低、稳定性高等优势。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，解决现有技术中频率不便于调控，以及电路组成复杂、元器件多和功耗大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，包括依次串接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器的第一参考源输入端用于与外部参考源电连接，所述外部参考源通过所述第一参考源输入端向所述鉴相器输入参考频率信号，所述鉴相器的数控接口对应电连接单片机，所述单片机通过所述数控接口向所述鉴相器输入频率控制参数，所述鉴相器的鉴相输出端电连接所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，所述压控振荡器的振荡信号输出端输出合成信号，并且所述振荡信号输出端还与所述鉴相器的第二参考源输入端电连接，使得所述合成信号通过所述第二参考源输入端进入所述鉴相器。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述鉴相器包括芯片ADF4106，所述鉴相器的第一参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的REFin端，所述鉴相器的第二参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的RFin_A端，所述鉴相器的数控接口对应为所述芯片ADF4106的SPI接口，所述SPI接口对应包括使能端、数据端和时钟端，所述鉴相器的所鉴相输出端对应为所述芯片ADF4106的CP端。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述环路滤波器是由运算放大器组成的有源环路滤波器，或者是由RC电路组成的无源环路滤波器。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述有源环路滤波器中的所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的负向输入端串接电阻R1后与所述芯片ADF4106的CP端电连接，并且所述CP端还并联电容C1接地，所述运算放大器的负向输入端还通过串接电阻R2和电容C2而连接到所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端即为所述有源环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述无源环路滤波器中的RC电路包括与所述芯片ADF4106的CP端电连接的电阻R2，所述电阻R2的另一端并联电容C3而接地，并且作为所述无源环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，所述芯片ADF4106的CP端还并联电容C1而接地，电阻R1的一端也与所述CP端电连接，另一端串接电容C2而接地。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述有源环路滤波器中的所述运算放大器为芯片AD797，所述芯片ADF4106的CP端通过串接第一RC网络与所述芯片AD797的负向输入端电连接，所述芯片AD797的正向输入端则通过第二RC网络接直流5V电压，所述芯片AD797的负向输入端还通过第三RC网络与所述芯片AD797的输出端电连接。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述第一RC网络包括在所述芯片ADF4106的CP端与所述芯片AD797的负向输入端之间依次串接的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻之间电连接第一电容而接地，以及在所述CP端还并接第二电容而接地，并且在所述CP端还电连接第三电阻，所述第三电阻又电连接第三电容而接地。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述第二RC网络包括在所述直流5V电压与所述芯片AD797的正向输入端之间依次串接的磁珠电感、第四电阻、第五电阻和第六电阻；在所述磁珠电感与第四电阻之间还分别并联有电容第四电容和第五电容，所述第四电容和第五电容的另一端均接地；在所述第四电阻与第五电阻之间还分别并联有第七电阻和第六电容，第七电阻和第六电容的另一端均接地；在所述第五电阻与第六电阻之间还并联有第八电容，所述第八电容的另一端接地；在所述第六电阻与与所述芯片AD797的正向输入端之间还并联有第八电阻，所述第八电阻的另一端串接第九电容而接地。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述第三RC网络包括依次串接的第十电容和第九电阻。
在本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中，所述单片机是芯片ATTINY9，所述芯片ATTINY9的三个I/O端分别对应连接所述芯片ADF4106的使能端、数据端和时钟端，并且三个所述I/O端均并联一个电阻而接地。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，包括依次串接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，该鉴相器的第一参考源输入端与外部参考源电连接，该鉴相器的数控接口对应电连接单片机，该鉴相器的鉴相输出端电连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的振荡信号输出端输出合成信号，并且所述振荡信号输出端还与所述鉴相器的第二参考源输入端电连接。还进一步公开了上述电路中使用的芯片及接口网络的组成。该频率合成器应用于卫星通信接收通道，能够通过参数配置的方式更改所需的合成信号频率，同时还具有稳定可靠的特点，在节省功耗、减少体积、降低成本方面也具有优势。
附图说明
图1是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器一实施例组成框图；
图2是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中的鉴相器电路原理图；
图3是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中有源环路滤波器电路图；
图4是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中无源环路滤波器电路图；
图5是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中有源环路滤波器电路图；
图6是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器另一实施例中单片机电路图；
图7是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器的压控振荡器的电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。
下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。图1是本发明用于小型化ODU接收通道的频率合成器一实施例组成示意图。如图1所示，该频率合成器10包括依次串接的鉴相器101、环路滤波器102和压控振荡器103，所述鉴相器101的第一参考源输入端1011用于与外部参考源11(如10MHz温补晶振)电连接，所述外部参考源11通过所述第一参考源输入端1011向所述鉴相器101输入参考频率信号(如10MHz信号)，所述鉴相器101的数控接口1013对应电连接单片机12，所述单片机12通过所述数控接口1013向所述鉴相器101输入频率控制参数，所述鉴相器101的鉴相输出端电连接所述环路滤波器102的输入端，所述环路滤波器102的输出端电连接所述压控振荡器103的电压控制端1031，所述压控振荡器103的振荡信号输出端1032输出合成信号，并且所述振荡信号输出端1032还与所述鉴相器101的第二参考源输入端1012电连接，使得所述合成信号通过所述第二参考源输入端1012进入所述鉴相器101。
对于图1所示实施例，其中单片机12通过数控接口1013可以向鉴相器101写入频率控制参数，该频率控制参数主要包括对来自外部参考源11的参考频率信号进行分频的第一分频参数值，由此以该第一分频参数值对参考频率信号进行分频得到第一分频信号；以及对来自压控振荡器103产生的合成信号进行分频的第二分频参数值，由此以该第二分频参数值对合成信号进行分频得到第二分频信号；通过合理设置第一分频参数值和第二分频参数值，能够使得鉴相器101对参考频率信号和合成信号分别分频后得到的第一分频信号和第二分频信号进行相位比较，从而得到这两个分频信号的相位差，该相位差从鉴相器101的鉴相输出端输出，经过环路滤波器102滤波以后得到一个电压值，该电压值再作用到压控振荡器103的电压控制端1031，从而改变压控振荡器103输出的合成信号的频率，而该合成信号又通过第二参考源输入端1012反馈给鉴相器101，如此循环往复，就可以使得合成信号的频率是我们所需的频率，并且保持稳定输出。
这种结构的频率合成器具有数控功能，能够通过单片机来合理设置频率控制参数来调整压控振荡器103产生的合成信号的频率，因此具有可调整的优点。在实际应用中，可以根据需要在不同的产品中只需要单片机设置的参数不同即可使得该产品产生的合成信号频率不同，而一旦该产品的频率特性确定下来以后就无需再对单片机输出的参数做任何修改或调整，保证了该产品输出频率的稳定性。因此，本实施例所采用的方案在产生合成信号时，具有良好的可控性，同时也具有良好的稳定性。
图1中的鉴相器101可以通过单体芯片来实现，如图2所示，优选的，所述鉴相器包括芯片ADF4106，所述鉴相器的第一参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的REFin端，所述鉴相器的第二参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的RFin_A端，所述鉴相器的数控接口对应为所述芯片ADF4106的SPI接口，所述SPI接口对应包括使能端LE、数据端DATA和时钟端CLK，所述鉴相器的所述鉴相输出端对应为所述芯片ADF4106的CP端。
优选的，芯片ADF4106的REFin端还连接有RC滤波网络，可以对输入的参考信号进行滤波。该RC滤波网络包括串接的电容C6、C7，并且在这两个电容之间还电连接有电阻R2，电阻R2的另一端接地。优选的，电容C6、C7的电容值均为10nF，电阻R2的阻值为51Ω。
另外，优选的，芯片ADF4106采用双电压供电，即分别是5V直流电压和3.3V直流电压供电。其中，A_Vdd端、DVdd端和CE端接3.3V，Vp端接5V，并且Vp端还连接有电源滤波网络，由电感L1和电容C1、C2组成。
这里，选用芯片ADF4106，一方面是该芯片具有很宽的工作频率范围，包括最大输出频率带宽为6GHz，通过RFin_A端可以输入的参考信号为20MHz-250MHz，最大鉴相频率为56MHz，工作电压为5V和3.3V，正常工作电流为20mA(3.3V电压条件下)，基底噪声为-223dBc/Hz，并且通过三个接线端口即可实现对该芯片的操控，控制字简单易写，调试方便。
进一步的，图1中的所述环路滤波器是由运算放大器组成的有源环路滤波器，或者是由RC电路组成的无源环路滤波器。如图3和图4所示，分别显示了芯片ADF4106与有源环路滤波器的电路接口关系，以及芯片ADF4106与无源环路滤波器的电路接口关系。
如图3所示，所述有源环路滤波器中的所述运算放大器的正向输入端接入参考电压，所述运算放大器的负向输入端串接第一环路滤波电阻R1后与所述芯片ADF4106的CP端电连接，并且所述CP端还并联第一环路滤波电容C1接地，所述运算放大器的负向输入端还通过串接第二环路滤波电阻R2和第二环路滤波电容C2而连接到所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端即为所述有源环路滤波器的输出端，电连接所述压控振荡器的电压控制端。
优选的，图3中的电阻R1的阻值为100Ω，R2的阻值为160Ω，电容C1的电容值是33.0nF，电容C2的电容值是120nF。
这种有源环路滤波器的优点是可驱动较大的电压给后一级的压控振荡器，缺点是会引入一部分噪声，对该频率合成器的基底噪声带来一定影响。
如图4所示，所述无源环路滤波器中的RC电路包括与所述芯片ADF4106的CP端电连接的第三环路滤波电阻R2，所述第三环路滤波电阻R2的另一端并联第三环路滤波电容C3而接地，并且作为所述无源环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，所述芯片ADF4106的CP端还并联第四环路滤波电容C1而接地，第四环路滤波电阻R1的一端也与所述CP端电连接，另一端串接第五环路滤波电容C2而接地。
优选的，图4中的电阻R1的阻值为180Ω，R2的阻值为360Ω，电容C1的电容值是10.0nF，电容C2的电容值是120nF，电容C3的电容值是3.90nF。
这种无源环路滤波器的优点是不会带来噪声，但不足之处是不能提高对后一级的压控振荡器的压控调整电压。
因此，图3和图4两个实施例的均可作为环路滤波器使用，可以根据应用条件不同而合理选择使用。
进一步优选的，如图5所示，所述有源环路滤波器中的所述运算放大器为芯片AD797，所述芯片ADF4106的CP端通过串接第一RC网络与所述芯片AD797的负向输入端电连接，所述芯片AD797的正向输入端则通过第二RC网络接直流5V电压，所述芯片AD797的负向输入端还通过第三RC网络与所述芯片AD797的输出端电连接。
图5显示了鉴相器芯片ADF4106与运算放大芯片AD797之间的接口关系，以及这两个芯片在频率合成器中的实际应用情况。
优选的，其中所述第一RC网络包括在所述芯片ADF4106的CP端与所述芯片AD797的负向输入端之间依次串接的第一电阻R4和第二电阻R5，所述第一电阻R4和第二电阻R5之间电连接第一电容C13而接地，以及在所述CP端还并接第二电容C61而接地，并且在所述CP端还电连接第三电阻R35，所述第三电阻R35又电连接第三电容C60而接地。
通过该第一RC网络构建了芯片ADF4106的CP端与所述芯片AD797的负向输入端之间的接口关系，能够使得由CP端输出的鉴相信号经过该第一RC网络后进行平滑过滤，消除其中的不稳定波动，保证了鉴相输出信号的稳定性。
进一步优选的，在图5中，所述第二RC网络包括在所述直流5V电压与所述芯片AD797的正向输入端之间依次串接的磁珠电感L4、第四电阻R8、第五电阻R9和第六电阻R10；在所述磁珠电感L4与第四电阻R8之间还分别并联有电容第四电容C15和第五电容C16，所述第四电容C15和第五电容C16的另一端均接地；在所述第四电阻R8与第五电阻R9之间还分别并联有第七电阻R11和第六电容C17，第七电阻R11和第六电容C17的另一端均接地；在所述第五电阻R9与第六电阻R10之间还并联有第八电容C18，所述第八电容C18的另一端接地；在所述第六电阻R10与与所述芯片AD797的正向输入端之间还并联有第八电阻R12，所述第八电阻R12的另一端串接第九电容C19而接地。
通过该第二RC网络可以对接入的直流5V电压进行稳压滤波，使得进入芯片AD797的正向输入端的直流5V电压相对稳定，另外就是通过设置这些电阻的阻值，使得在芯片AD797的正向输入端的电压设置在合适电压值上，从而有利于芯片AD797在对正向输入端和负向输入端之间进行电压比较时，具有稳定的并且适宜的电压参考依据。因此，第二RC网络具有稳压和分压的双重作用。
优选的，在图5中的第二RC网络中，电阻R8的阻值为1kΩ，R9的阻值为10Ω，R10的阻值为100Ω，R11的阻值为1kΩ，R12的阻值为10Ω，电容C15的电容值是100nF，电容C16的电容值是100pF，电容C17的电容值是1uF，电容C18的电容值是10nF，电容C19的电容值是10nF。
进一步优选的，所述第三RC网络包括依次串接的第十电容C11和第九电阻R3。
通过该第三RC网络在所述芯片AD797的输出端于芯片AD797的负向输入端之间建立了反馈连接，能够对芯片AD797在对正向输入端和负向输入端之间压差信号进行放大和滤波后，通过该芯片AD797的输出端输出一个电压信号给后一级的压控振荡器。
进一步优选的，在图6中，所述单片机对应是芯片ATTINY9，所述芯片ATTINY9的三个I/O端(图6显示为PB2_LE端、PB1_CLK端和PB0_DAT端)分别对应连接所述芯片ADF4106的使能端、数据端和时钟端，并且三个所述I/O端均并联一个电阻而接地。
芯片ATTINY9是一款体积小且引脚少的小型单片机，其中包括的三个I/O引脚均应用到与芯片ADF4106的使能端、数据端和时钟端电连接。使用该芯片ATTINY9还具有功耗低的优势。
进一步优选的，如图7所示，压控振荡器包括芯片SMV5000E4,所述芯片SMV5000E电压输入端(图7显示为Vt端)与所述芯片AD797的输出端电连接，所述芯片SMV5000E的振荡信号输出端(图7显示为RFOUT端)通过电阻网络连接到所述芯片ADF4106的RFin_A端。优选的，该电阻网络包括电阻R6、R7和R13，阻值均为18Ω，这三个电阻呈T型设计，其中电阻R6一端接芯片SMV5000E的振荡信号输出端，另一端分别电连接R7和R13，R7的另一端可以作为合成的振荡信号输出，而R13的另一端则反馈给所述芯片ADF4106的RFin_A端。该电阻网络实现了对合成信号的分路作用，同时也起到了前后阻抗匹配的作用。
基于以上实施例，本发明公开了一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，包括依次串接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，该鉴相器的第一参考源输入端与外部参考源电连接，该鉴相器的数控接口对应电连接单片机，该鉴相器的鉴相输出端电连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，压控振荡器的振荡信号输出端输出合成信号，并且所述振荡信号输出端还与所述鉴相器的第二参考源输入端电连接。还进一步公开了上述电路中使用的芯片及接口网络的组成。该频率合成器应用于卫星通信接收通道，能够通过参数配置的方式更改所需的合成信号频率，同时还具有稳定可靠的特点，在节省功耗、减少体积、降低成本方面也具有优势。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述频率合成器包括依次串接的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器的第一参考源输入端用于与外部参考源电连接，所述外部参考源通过所述第一参考源输入端向所述鉴相器输入参考频率信号，所述鉴相器的数控接口对应电连接单片机，所述单片机通过所述数控接口向所述鉴相器输入频率控制参数，所述鉴相器的鉴相输出端电连接所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端，所述压控振荡器的振荡信号输出端输出合成信号，并且所述振荡信号输出端还与所述鉴相器的第二参考源输入端电连接，使得所述合成信号通过所述第二参考源输入端进入所述鉴相器。
2.根据权利要求1所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述环路滤波器是由运算放大器组成的有源环路滤波器，或者是由RC电路组成的无源环路滤波器。
3.根据权利要求2所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述鉴相器包括芯片ADF4106，所述鉴相器的第一参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的REFin端，所述鉴相器的第二参考源输入端对应为所述芯片ADF4106的RFin_A端，所述鉴相器的数控接口对应为所述芯片ADF4106的SPI接口，所述SPI接口对应包括使能端、数据端和时钟端，所述鉴相器的所鉴相输出端对应为所述芯片ADF4106的CP端。
4.根据权利要求3所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述环路滤波器为无源环路滤波器，包括与所述芯片ADF4106的CP端电连接的第三环路滤波电阻，所述第三环路滤波电阻的另一端并联第三环路滤波电容而接地，并且作为所述无源环路滤波器的输出端电连接所述压控振荡器的电压控制端。
5.根据权利要求3所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述环路滤波器为有源环路滤波器，包括运算放大器芯片AD797，所述芯片ADF4106的CP端通过串接第一RC网络与所述芯片AD797的负向输入端电连接，所述芯片AD797的正向输入端则通过第二RC网络接直流5V电压，所述芯片AD797的负向输入端还通过第三RC网络与所述芯片AD797的输出端电连接。
6.根据权利要求5所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述压控振荡器包括芯片SMV5000E，所述芯片SMV5000E电压输入端与所述芯片AD797的输出端电连接，所述芯片SMV5000E的振荡信号输出端通过电阻网络连接到所述芯片ADF4106的RFin_A端。
7.根据权利要求6所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述单片机是芯片ATTINY9，所述芯片ATTINY9的三个I/O端分别对应连接所述芯片ADF4106的使能端、数据端和时钟端，并且三个所述I/O端均并联一个电阻而接地。
8.根据权利要求7所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述第一RC网络包括在所述芯片ADF4106的CP端与所述芯片AD797的负向输入端之间依次串接的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻之间电连接第一电容而接地，以及在所述CP端还并接第二电容而接地，并且在所述CP端还电连接第三电阻，所述第三电阻又电连接第三电容而接地。
9.根据权利要求8所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述第二RC网络包括在所述直流5V电压与所述芯片AD797的正向输入端之间依次串接的磁珠电感、第四电阻、第五电阻和第六电阻；在所述磁珠电感与第四电阻之间还分别并联有电容第四电容和第五电容，所述第四电容和第五电容的另一端均接地；在所述第四电阻与第五电阻之间还分别并联有第七电阻和第六电容，第七电阻和第六电容的另一端均接地；在所述第五电阻与第六电阻之间还并联有第八电容，所述第八电容的另一端接地；在所述第六电阻与所述芯片AD797的正向输入端之间还并联有第八电阻，所述第八电阻的另一端串接第九电容而接地。
10.根据权利要求9所述的用于小型化ODU接收通道的频率合成器，其特征在于，所述第三RC网络包括依次串接的第十电容和第九电阻。
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