《高频反馈控制电路》PPT课件.ppt

1 第8章反馈控制电路 8 1自动增益控制电路8 2自动频率控制电路8 3锁相环的基本原理8 4频率合成器 新版 第4章 2 在通信系统和电子设备中 为了提高技术性能 或者实现某些特殊的高指标要求 广泛采用各种类型的反馈控制回路 特别是在航空航天电子系统中 由于收 发设备是装在不同的运载体上 二者之间存在相对运动 必然产生多普勒效应 因此引入随机频差 概述 3 传送信息的载波信号含有三个基本参数 即振幅 频率和相位 反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制 自动增益控制 AGC 自动频率控制 AFC 自动相位控制 APC 其中自动相位控制电路又称为锁相环路 PLL 是应用最广的一种反馈控制电路 通信系统反馈控制电路种类 4 反馈控制电路的组成如图所示由比较器 控制信号发生器 可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路 5 具有AGC电路的接收机组成框图 AGC的目的当输入信号电压变化很大时 保持接收机输出电压恒定或基本不变 8 1自动增益控制电路 6 自动频率控制 AFC 电路由频率比较器 低通滤波器和可控频率器件三部分组成 如图所示 8 2自动频率控制电路 7 当f0 fr 标称频率 时 鉴频器输出uc 0 压控振荡器振荡频率不变 锁定状态的 f称为稳态频率误差 剩余频率误差 当f0 fr时 鉴频器就有误差电压ue输出 经过LP得到uc uc控制VCO的振荡频率 使VCO的频率f0发生变化 变化的结果使频率误差 f0 fr 减小到一定值 f 自动控制过程即停止 VCO即稳定于f0 fr f的频率上 环路进入锁定状态 8 8 3锁相环的基本原理 新版 第4 2节 锁相环也是以消除频率误差为目的的反馈控制电路 但是它是利用相位误差去消除频率误差 因此当电路达到平衡状态后 尽管存在剩余相位误差存在 但频率误差可以降低到零 从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路 基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差 因此当电路达到平衡状态后 必然会有剩余频率误差存在 即频率误差不可能为零 这是AFC的固有缺点 9 锁相环是一个相位负反馈控制系统 它由三个基本部件组成 鉴相器 PD 产生误差电压Ud t 环路滤波器 LF 产生控制电压Uc t 电压控制振荡器 VCO 输出瞬时频率 v 当 v r时 t Ud t Uc t v 直到 t v r 环路锁定 v r 0 10 举例说明 以一阶锁相环为例 未锁定 锁定 可见 环路锁定过程中 e t 是从0 2 周期的变化 若干周期后使 e e 则环路被锁定 环路锁定的充分必要条件 11 各种反馈控制电路 由于它们均是利用误差产生控制电压 去控制受控对象 当电路达到动态平衡以后 必然存在一定的误差 称之为稳态误差 AGC 电平误差 A U AFC 频率误差 f APC PLL 相位误差 结论 PLL也是一种实现频率跟踪的自动控制电路 它与AFC电路的区别在于可以实现无误差的频率跟踪 即fv fr而其它频率控制系统总是会存在频率差 Demo thePhenomenonofPLLintheFourthExperiment 12 13 当两个输入信号均为大信号时 当 0时 相乘后的波形为上 下等宽的双向脉冲 且频率加倍 因而相应的平均分量为零u0 0 符合门鉴相器 新版第4 2 1旧版第7 5 3 14 当 0 相乘后的波形为上 下不等宽的双向脉冲 因而在 2的范围内 经过低通滤波器 取出的平均分量 即解调输出 为 15 三角形鉴相特性 相应的鉴相特性曲线如图所示 在 2范围内为一条通过原点的直线 并向两侧周期性重复 这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所需的鉴相电压 因而又将它称为符合门鉴相器 16 锁相环工作过程的定性分析要严格求解锁相环路的各项性能指标 如锁定 跟踪 捕获 失锁等往往是很困难的 下面对锁相环的工作过程进行定性分析 物理意义 环路闭合后的任何时刻 瞬时频差 固有频差 控制频差 0 v 即 r v r 0 v 0 17 1 瞬时频差 InstantaneousFrequencyDifference 表示VCO振荡角频率 v偏离参考角频率 r的数值 3 控制频差 ControlledFrequencyDifference 表示VCO在控制电压Uc t 的作用下产生的振荡角频率 v偏离VCO自由振荡角频率 0的数值 2 固有频差 OriginalFrequencyDifference 或 初始频差 InitialFrequencyDifference 表示VCO自由振荡角频率 0偏离参考角频率 r的数值 18 1 同步带 H 能够维持环路锁定的最大频差 m 称为环路同步带 记作 H 由于环路鉴频特性对零点是对称的 因此同步带相对于 o也是对称的 2 捕获带 p 设锁相环路处于失锁状态 改变 r使固有频差 o 减少 环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值 om 称为环路捕获带 p 通常 p H 3 稳态相差 e 环路处于锁定状态时 存在着的固定相差称为稳态相位误差 e 环路锁定意味着瞬时频差为零 19 锁相环路的工作原理 设压控振荡器的固有振荡频率为 0 而当环路闭合瞬间 外输入信号角频率 r 或 i 与 0即不相同也不相干 则鉴相器输出的差拍电压为 20 若 0很大 ud t 差拍信号的拍频很高 易受环路滤波器抑制 这样加到VCO输入端的控制电压uc t 很小 控制频差建立不起来 ud t 仍是一个上下接近对称的稳定差拍波 环路不能入锁 开机时 鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差 即固有频差 0 其相位差为 0t 因此 鉴相器输出的是一个角频率等于频差 0的差拍信号 即 捕获过程 21 失锁状态 如果环路固有角频差 0 环路低通滤波器的通频带BWLF则差拍电压Ud t 将被滤除 而不能形成控制电压Uc t 压控振荡器输出角频率 0不变化 即 v 0 则 即 环路的瞬时频差 固有频差环路此时处于失锁状态 0 v 0 失锁状态就是瞬时频差 r v 总不为零的状态 22 这时 鉴相器输出电压ud t 为一上下不对称的稳定差拍波 其平均分量为一恒定的直流 这一恒定的直流电压通过环路滤波器的作用使VCO的平均频率 v偏离 0向 r靠拢 这就是环路的频率牵引效应 23 锁定正是在由稳态相差 e 产生的直流控制电压作用下 强制使VCO的振荡角频率 v相对于 0偏移了 0而与参考角频率 r相等的结果 锁定后无频差 这是锁相环的一个重要特征 锁定状态 当在环路的作用下 调整控制频差等于固有频差时 瞬时相差 e t 趋向于一个固定值 并一直保持下去 我们将这种状态称为锁相环路进入了锁定状态 在锁定状态 瞬时频差满足 24 1 跟踪的概念 跟踪是在锁定的前提下 输入参考频率和相位以一定的速率发生变化时 输出信号的频率和相位以同样的规律跟随变化 这一过程称为环路的跟踪过程 2 跟踪过程假设输入信号频率 r增大时 固有频差 0 r 0 也增大 这使稳态相差增大 从而使直流控制电压增大 这必使VCO产生的控制频差 v增大 当 v大得足以补偿固有频差 0时 环路维持锁定 如果继续增大 0 则环路失锁 v r 跟踪过程 25 锁相环的特点由以上的讨论已知 锁相环路具有以下几个重要特性 1 环路锁定后 没有剩余频差 2 跟踪特性 VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化 表现出良好的跟踪特性 在接收有多普勒频移的动目标时 这种特性尤为重要 3 滤波特性 锁相环具有窄带特性 当压控振荡器频率锁定在输入频率上时 仅位于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形式进入环路 而绝大多数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制 从而减少了对压控振荡器的影响 4 低门限特性 锁相环路用作调频信号解调时 与普通鉴频器相比较 有低门限信噪比特性 这是因为环路有反馈控制作用 跟踪相位差小 降低了鉴相特性的非线性影响 从而改善了门限效应 下面介绍锁相环的几种应用 26 锁相环的主要应用 1 锁相环路的调频与解调2 锁相式同步检波器3 锁相倍频器4 锁相分频器5 锁相混频器6 锁相式频率合成器 27 1 锁相环路的调频与解调 A 用锁相实现调频用锁相环调频 能够得到中心频率高度稳定的调频信号 实现调制的的条件是 调制信号的频谱要处于低通滤波器通频带之外 并且调频指数不能太大 当调制信号为锯齿波时 可输出扫频信号 当调制信号为数字脉冲时 可产生移频键控调制 FSK信号 调制信号作为VCO控制电压的一部分使其频率产生相应的变化 由此在输出端得到已调频信号 28 B 用锁相环实现频率解调 如果将环路的频带设计的足够宽 使环路捕捉带大于调频波的最大频偏 利用锁相环的跟踪特性 可以使VCO的振荡频率跟踪输入调频波的瞬时频率 如果VCO的电压 频率特性是线形的 则加到VCO的控制电压的变化规律必与调频波的瞬时频率变化规律相同 因此在LF的输出端可获得不失真的解调输出 调频波锁相解调的优点是解调门限值比普通鉴相器低4 5dB 29 2 同步检波器 原理 用锁相环对调幅信号进行解调 实际上是利用锁相环路提供一个稳定度高的载波信号电压 与调频波在非线性器件中乘积检波 输出的就是原调制信号 AM信号频谱中 除包含调制信号的边带外 还含有较强的载波分量 使用载波跟踪环可将载波分量提取出来 再经90 移相 可用作同步检波器的相干载波 这种同步检波器如图所示 30 3 锁相倍频 在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路 当环路锁定时 鉴相器两输入信号频率相等 即有 式中N为分频器的倍频比 31 4 锁相分频 在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路 当环路锁定时 式中N为倍频器的倍频次数 32 5 锁相混频器 设混频器的本振信号频率为 L 在 L o时混频器的输出频率为 L o 经差频放大器后加到鉴相器上 当环路锁定时 33 6 锁相式频率合成器 频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术 锁相环路加上一些辅助电路后 就能容易地对一个标准频率进行加 减 乘 除运算而产生所需的频率信号 且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频率纯度 如果结合单片微机技术 可实现自动选频和频率扫描 34 锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示 当环路锁定后 鉴相器两路输入频率相等 即 当N改变时 输出信号频率相应为fi的整数倍变化 35 环C 例 下图为三环式频率合成器方框图 已知 求输出信号频率范围及频率间隔 环A 环B 36 解 当混频环路C锁定时 有 37 而当 399 397时输出频率最高 所以 合成器的频率范围为 35 4 40 099 MHz 当NA 301 NB 351时 因此频率间隔 当NA 300 NB 351时 38 一 频率合成器及其技术指标 1 频率合成器的概念 1 传统信号源的不足 频率准确度不高 稳定度不高 晶体振荡器尽管准确度和稳定度都较高 但频率范围小 输出频率不高 2 频率合成技术 是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率 由此导出多个或大量的输出频率的方法 频率合成器的输出信号频率的准确度和稳定度与参考频率是一样的 频率合成器 39 2 频率合成器的主要技术指标 1 频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围 也可用覆盖系数k fomax fomin表示 k又称之为波段系数 2 频率间隔 频率分辨率 两个相邻频率之间的最小间隔 就是频率间隔 频率间隔又称为频率分辨率 不同用途的频率合成器 对频率间隔的要求是不相同的 40 3 频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率 并达到稳定所需要的时间 频率转换时间一般与采用的频率合成方法有密切的关系 4 准确度与频率稳定度 频率准确度 频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值 即频率误差 频率稳定度 频率稳定度是指在规定的时间间隔内 频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小 41 5 频谱纯度 频谱纯度 频谱纯度是指输出信号频谱中包含其他频率成分的的多少 影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个 一是相位噪声 二是寄生干扰 相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示 在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声 如图所示 42 频率合成器的频谱 43 频率合成技术分类 1 直接频率合成 2 间接式 锁相 频率合成 3 直接数字频率合成 整数分频频率合成 小数分频频率合成 1 单环 多环 频率合成2 双模前置分频 吞脉冲可变分频 频率合成 44 1 直接频率合成器 DS 特点 直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源 这种频率合成器原理简单 易于实现 优点 分辨率高 10 2 频率转换时间快 100 s 工作稳定可靠 输出信号频谱纯度高 不足 体积大 笨重 成本高 45 2 间接式 锁相 频率合成器 间接式频率合成器又称为锁相频率合成器 锁相频率合成器是目前应用最广的频率合成器 直接式频率合成器中所固有的那些缺点 如体积大 成本高 输出端出现寄生频率等 在锁相频率合成器中就大大减少了 46 双模前置分频 吞脉冲可变分频 频率合成器 在一个计数周期内 总计脉冲数即分频比为 频率合成器的输出频率为 与简单的频率合成器相比f0提高了P倍 而频率分辨率仍保持为fi 47 3 直接数字频率合成器 DDS 直接数字式频率合成器 DigitalDirectSynthesizer 简称为DDS 是近年来发展非常迅速的一种器件 它以数字信号处理理论为基础 从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的 与传统的频率合成器相比 DDS具有极高的分辨率 快速的频率转换时间 很宽的相对带宽 任意波形的输出能力和数字调制等优点 48 首先 对一个正弦信号数字化 形成正弦函数表 储存在ROM中 合成时 通过改变相位累加器的频率控制字 改变相位增量 相位增量的不同导致取