高频电子电路7.1.ppt

第7章反馈控制电路 7 1概述 7 2反馈控制电路的基本原理与分析方法 继续 返回 7 3自动增益控制电路 休息1 休息2 7 4自动频率控制 AFC 电路 7 5锁相环路 PLL 7 6锁相环的典型应用 7 1概述 为了提高通信和电子系统的性能指标 或者实现某些特定的要求 必须采用自动控制方式 由此 各种类型的反馈控制电路便应运而生了 反馈控制电路可分为三类 继续 自动增益控制 AutomaticGainControl 简称AGC 自动频率控制 AutomaticFrequencyControl 简称AFC 自动相位控制 AutomatiePhaseControl 简称APC 自动相位控制电路又称为锁相环路 PhaseLockedLoop 简称PLL 是应用最广的一种反馈控制电路 返回 7 2反馈控制电路的基本原理与分析方法 在反馈控制电路里 比较器 控制信号发生器 可控器件 反馈网络四部分构成了一个负反馈闭合环路 根据参考信号的不同情况 反馈控制电路的工作情况有两种 1 参考信号xr t 不变 恒定为xro 2 参考信号xr t 变化 返回 7 2 2数学模型 将反馈控制电路近似作为一个线性系统分析 由于直接采用时域分析法比较复杂 所以采用复频域分析法 根据反馈控制电路的组成方框图 可画出用拉氏变换表示的数学模型 图中Xr s Xe s Xc s Xi s Xy s 和Xf s 分别是 xr t xe t xc t xi t xy t 和xf t 的拉氏变换 比较器输出的误差信号xe t 通常与xr t 和xf t 的差值成正比 设比例系数为kp 则有 xe t kp xr t xf t 写成拉氏变换式 有Xe s kp Xr s Xf s 可控器件作为线性器件 有xy t kcxc t kc是比例系数 写成拉氏变换式 有Xy s kcXc s 实际电路中一般都包括滤波器 其位置可归纳在控制信号发生器或反馈网络中 所以将这两个环节看作线性网络 其传递函数分别为 闭环传递函数 误差传递函数 7 3自动增益控制电路 自动增益控制 AGC 电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一 其主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值 因此也称自动电平控制 ALC 电路 7 3 1AGC电路的工作原理 1 电路组成框图 设输入信号振幅为Ui 输出信号振幅为Uy 可控增益放大器增益为Ag uc 是控制信号uc的函数 则有Uy Ag uc Ui 返回 7 4自动频率控制 AFC 电路 AFC电路也是一种反馈控制电路 它与AGC电路的区别在于控制对象不同 AGC电路的控制对象是信号的电平 而AFC电路的控制对象则是信号的频率 其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率 7 4 1AFC电路的组成和基本特性 1 AFC电路的组成 1 频率比较器 频率比较器的输出误差电压ue与这两个输入信号的频率差有关 而与这两个信号的幅度无关 ue为 ue kp r y 式中 kp在一定的频率范围内为常数 实际上就是鉴频跨导 常用的频率比较电路有两种形式 一是鉴频器 二是混频 鉴频器 返回 7 5锁相环路 PLL 锁相环路 Phaselockedloop缩写PLL 是一种相位自动控制电路 其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪 仅存在某一固定的相位差 PLL电路广泛应用于 返回 继续 7 5 1锁相环的基本原理 一 锁相环的组成部件 PLL是一个相位负反馈系统 可对输入信号的频率与相位实施跟踪 三个基本部分构成一个负反馈环 PD LF VCO 返回 继续 1 鉴相器 PD 即 vi t i t vo t o t vd t e t 正弦特性 三角波特性 锯齿波特性等 其中最基本的是正弦波特性 它可用一个模拟乘法器与低通滤波器串接而成 鉴相特性的形式有许多种 如 如果设环路输入信号 PLL环输出的反馈信号 经过相乘 并滤除和频分量 可得输出的误差电压为 其中 为输入信号的瞬时相位差 由上式可得鉴相器的数学模型 如下图所示 返回 继续 2 环路滤波器LF 环路滤波器具有低通特性 其主要作用是滤除鉴相器输出端的高频分量和噪声 经LF后得到一个平均电压用来控制VCO的频率变化 常见的滤波器有以下几种形式 vd t vc t RC积分滤波器 vd t vc t 无源比例积分滤波器 vd t vc t 有源比例积分滤波器 RC积分滤波器 传输函数 返回 继续 休息1 休息2 无源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器 如果将F s 中的s用微分算子p替代 可写出滤波器的输出电压与输入信号之间的微分方程 其中 为微分算子 由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示 返回 继续 休息1 休息2 3 压控振荡器 VCO 压控振荡器 是瞬时频率控制的振荡器 其控制特性可用压控特性曲线来描述 如右图所示 K0 压控灵敏度 由于VCO的输出反馈到鉴相器 而从锁相环的控制作用来看 VCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位 故对上式积分即可求出相位 压控振荡器数学模型如右图所示 返回 继续 休息1 休息2 二 锁相环路相位模型和基本方程 1 相位模型 将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来 即可构成锁相环路相位模型 如下图所示 2 基本方程 根据锁相环路相位模型 可得到以相位形式表示的基本微分方程 环路的微分方程为 返回 继续 休息1 休息2 3 环路工作的定性分析 设输入信号为固定频率的正弦信号 即均为常量 由于 代入环路的微分方程可得 左边第二项 由以上分析可得 结论 闭合环路中任何时刻满足 瞬时频差 控制频差 固有频差 返回 继续 休息1 休息2 三 锁相环路的工作原理 设压控振荡器的固有振荡频率为 而当环路闭合瞬间 外输入信号角频率与即不相同也不相干 则鉴相器输出的差拍电压为 失锁状态 如果环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带 则差拍电压将被滤除 而不能形成控制电压 压控振荡器输出角频率不变化即 则 即 环路的瞬时频差 固有频差环路此时处于失锁状态 返回 继续 休息1 休息2 锁定状态 如果十分接近 即固有频差 则差拍电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 去控制压控振荡器 VCO产生中心频率为的调频信号 VCO的瞬时振荡频率将以为中心在一定范围内来回摆动 即环路产生了控制频差 此时鉴相器输出电压是一个较小的直流电压 环路进入锁定状态 返回 继续 牵引捕捉状态 当介于上述两者之间时 如果VCO的瞬时频率围绕为中心摆动的范围小 至使不可能摆动到处时 环路不能立即入锁 此时VCO输出的调频波 其调制频率就是差拍频率 与输入信号经鉴相器PD鉴相 输出一个正弦波与调频波的差拍电压 如果令 另有 其中 返回 继续 跟踪状态 例如 则 返回 继续 四 锁相环性能分析 1 同步带宽 设环路已处于锁定状态 当缓慢改变输入信号频率使固有频差值向正或负方向逐步增大时 由于环路的自身调节作用 能够维持环路锁定的最大频差称为环路同步带 记作 由于环路鉴频特性对零点是对称的 因此同步带相对于也是对称的 2 捕捉带宽 设锁相环路处于失锁状态 改变使固有频差减少 环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值称为环路捕捉带 通常 返回 继续 3 稳态相差 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 由方程 环路锁定意味着瞬时频差为零 即 此时 式中 为环路直流总增益 其值增大可使减少 返回 继续 4 锁相环性能特点 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形影响 从而改善了门限效应 1 环路在锁定状态下无剩余频差 锁相环路对输入的固定基准频率锁定后 压控振荡器输出频率与基准频率的频差为零 环路输出可做到无剩余频差存在 是一个理想的频率控制系统 2 锁相环有良好的窄带特性 锁相