第六章 反馈控制电路.ppt

主要内容 1 反馈控制电路的概念2 自动电平控制电路 ALC 3 自动频率控制电路 AFC 4 自动相位控制电路 APC 5 锁相环性能分析及应用 重点及要求 要求 熟悉自动电平控制电路 自动频率控制电路 自动相位控制电路的工作原理 掌握锁相环路性能分析的基本方法 了解锁相环路的应用 重点 锁相环路的性能分析 第6章反馈控制电路 6 1概述 在各种通信 雷达等电子系统中 广泛地采用各种类型的反馈控制电路 反馈控制电路的组成如图6 1 1所示 反馈控制电路主要由误差元件和执行元件两部分组成 误差元件将实际输出信号与参考信号进行比较 产生一误差信号输出 执行元件受误差信号控制 调节输出信号使之与参考信号接近或达到预定数值 由于电路为一闭环系统 所以 反馈控制电路亦称闭环自动调节系统 6 1概述 6 1概述 根据比较和调节的量不同 反馈控制电路可分为三大类 1 自动电平控制电路 AutomaticLevelControl ALC 2 自动频率控制电路 AutomaticFrequencyControl AFC 3 自动相位控制电路 AutomaticPhaseControl APC 自动电平控制电路 ALC 需要比较的量为电压或电流 误差元件多为电压比较器 执行元件一般为可控增益放大器 通过改变放大器的增益来稳定放大器的输出 作用是使放大器的输出信号幅度稳定 自动增益控制电路又称自动电平控制电路 自动频率控制电路 AFC 需要比较的量为频率 误差元件多为鉴频器 执行元件一般为受控振荡器 通过改变振荡器电抗参数来稳定振荡器输出信号的频率 作用是使振荡器输出信号的频率稳定 AFC电路是一种有频率误差控制电路 自动相位控制电路 APC 需要比较的量为相位 误差元件多为鉴相器 执行元件也是受控振荡器 通过改变振荡器电抗参数来锁定振荡器输出信号的相位 作用是使振荡器输出信号的相位稳定 APC电路可以实现无频率误差跟踪 自动相位控制电路又称锁相环路 PLL 是一种应用很广的反馈控制电路 利用锁相环路可以实现许多功能 例如实现无误差频率跟踪 频率合成器等 6 1 1自动电平控制电路 ALC 自动电平控制电路基本功能是稳定电子设备的输出电平 问题1 对于无线电接收机而言 接收的信号有什么特点 问题2 如果接收机的增益不变 接收机出现什么现象 解答1 由于各种原因 接收的信号起伏变化较大 信号幅度变化可达几十分贝 解答2 如果接收机的增益不变 那么 输出信号的幅度也将以同样的比例随输入信号变化 强信号时可能使接收机过载而导致阻塞 弱信号时又可能丢失信号 6 1 1自动电平控制电路 ALC 一 工作原理 6 1 1自动电平控制电路 ALC 可控增益放大器输出的某一幅度所需的控制电压恰好等于由该输出电压幅度通过反馈控制电路后产生的控制电压 环路才稳定下来 环路达到稳定状态称为环路锁定 平衡关系为 ue Ar Uom hdA1 ur 6 1 1自动电平控制电路 ALC 二 应用举例 二 应用举例 天线感应信号强度为 Uim Uimmin Uimmax 检波前各级总增益为 A ue Amin Amax 检波后输出信号强度为 Uom Uommin Uommax 则 Uommin AmaxUimmin Uommax AminUimmax 增益控制倍数 变化压缩倍数 已调波功率放大器 6 1 1自动电平控制电路 ALC 为了得到如图所示的总增益随输入信号变化曲线 ALC电路应按中放 级到高放级方向依次起控 即当输入信号强度Uim小于某一定值Ux1时 ALC电路不起作用 当Uim Ux1时 ALC电路先对中放进行增益控制 高放增益不变 当Uim Ux2 Ux1 时 中放增益不再降低 ALC电路对高放起控 使其增益降低 这是第二次延迟 采用这种两次延迟的ALC电路的原因在于信号较小时 保持高放级有最大增益 使高放级输出信噪比不致降低 有利于降低接收机的总噪声系数 提高接收机的灵敏度 6 1 2自动频率控制电路 AFC 自动频率控制 AutomaticFrequencyControl 电路 是无线电设备中又一常用的反馈控制电路 广泛应用于无线电发射设备和接收设备 其基本功能是自动调整无线电设备中振荡器的振荡频率 一 工作原理 6 1 2自动频率控制电路 AFC 一 工作原理 6 1 2自动频率控制电路 AFC 一 工作原理 6 1 2自动频率控制电路 AFC 一 工作原理 6 1 2自动频率控制电路 AFC 二 应用举例 1 采用AFC电路的调幅接收机 2 调频负反馈解调器 3 扫频信号发生器 6 1 3自动相位控制电路 锁相环路 自动相位控制 AutomaticPhaseControl 电路 又称APC环路或锁相环路 PLL 其基本功能除了自动调整无线电设备中振荡器振荡信号的相位与参考信号的相位一致 具有稳频作用外 还能完成频率信号的加 减 乘 除等运算 可以用一块晶体产生大量高稳定度和高精确度的离散频率信号 实现窄带滤波 6 1思考题 6 1无线电接收机为什么要设ALC电路 6 2为什么要在调幅接收机中采用AFC电路 6 3AFC与APC的工作原理有何异同点 6 2锁相环路的性能分析 若因某种因素 如温度 开启电源等变化 使压控振荡器的振荡频率fo偏离输入频率fi 这时输入到鉴相器的电压ui t 和uo t 之间势必产生相位误差 鉴相器将输出一个与相位误差成比例的误差电压ue t 经环路滤波器后输出的误差控制电压uc t 控制压控振荡器输出信号的频率和相位 使得ui t 和uo t 之间的相位误差减小 直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率 相位误差等于常数 锁相环路进入锁定状态为止 APC电路是一种无误差的频率跟踪系统 存在相位误差 6 2 1基本环路方程 图6 1 11用旋转矢量说明锁相环路的控制过程 6 2 1基本环路方程 一 鉴相器 ud t Adsin e t e t i t o t 其作用是检测出两个输入电压之间的瞬时相位差 产生相应的输出电压ud t 6 2 1基本环路方程 二 压控振荡器 VCO 其作用是产生频率随控制电压变化的振荡电压 o r Aouc t 6 2 1基本环路方程 三 环路低通滤波器 LPF 其作用是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量 以保证环路所要求的性能 提高环路的稳定性 环路低通滤波器 环路低通滤波器 uc t AF p ud t 环路低通滤波器 6 2 1基本环路方程 四 锁相环模型及其环路方程 6 2 1基本环路方程 是VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值 称为瞬时角频差 表示输入信号角频率偏离 r的数值 称为输入固有角频差 6 2 1基本环路方程 引论 环路闭合后的任何时刻 瞬时角频差和控制角频差之和恒等于输入固有角频率 6 2 1基本环路方程 输入Dwi t Dwi为常数 6 2 1基本环路方程 A 0 AdAoAF 0 为环路直流总增益 锁相环路的同步带 跟踪带 DwL A 0 引论 增大环路直流总增益能增大锁相环路的同步带 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 1 锁相环路未加输入信号 VCO无控制信号 振荡角频率为wr 2 锁相环路加输入信号 Dwi wi wr 鉴相器输出角频率为D i的正弦控制电压 由于环路方程为非线性微分方程 定量求解困难 仅进行定性分析 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 1 锁相环路加输入信号 Dwi wi wr很大 远大于环路滤波器的通频带 鉴相器输出的电压不能通过环路滤波器VCO无控制信号 振荡角频率为wr 2 锁相环路加输入信号 Dwi wi wr很小 小于环路同步带 环路能够很快锁定 鉴相器输出一个与je 相对应的直流电压维持环路锁定 振荡角频率为wi 3 锁相环路加输入信号 Dwi wi wr的大小介于 1 和 2 之间 Dwi较大 4 锁相环路加输入信号 Dwi wi wr的大小介于 1 和 2 之间 Dwi比 3 大 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 环路由失锁很快进入锁定的过程称为快捕过程 能够锁定的最大 Dwi 称为快捕带 用Dwc表示 3 Dwi较大 大于环路滤波器的通频带 鉴相器输出的差拍电压经环路滤波后衰减较大 但uc能控制VCO使其振荡频率wo摆到wi上 环路能够锁定 Dwc A Dwc AdA0AF Dwc 例题 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 采用简单RC滤波器 若Dwc 1 Dwc A Dwc AdAoAF Dwc AdAo 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 4 Dwi较大 大大于环路滤波器的通频带 鉴相器输出的差拍电压经环路滤波后衰减较大 uc不能控制VCO使其振荡频率wo摆到wi上 在wr上下摆动 环路不能够很快锁定 捕捉过程图 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 波形上下不对称 6 2 2锁相环路捕捉过程的定性分析 捕捉过程中ud t 的波形 锁相环路闭环传递函数 跟踪过程je一般很小 ud t Adsinje t Adje t 零初始条件下的复频域方程 6 2 3锁相环路的跟踪特性 环路方程简化为线性微分方程 锁相环路开环传递函数 6 2 3锁相环路的跟踪特性 锁相环路闭环传递函数 锁相环路误差传递函数 6 2 3锁相环路的跟踪特性 6 2 3锁相环路的跟踪特性 一 瞬态响应及稳态相位误差 瞬态响应 稳态相位误差 6 2 3锁相环路的跟踪特性 例题 采用简单RC滤波器的锁相环路的瞬态响应及稳态相位误差 误差传递函数 t 0时 输入信号频率发生Dwi的变化 则 ji t Dwit 6 2 3锁相环路的跟踪特性 稳态相位误差 AdAo增加 je 减小 使用理想积分器 AF 0 je 0 6 2 3锁相环路的跟踪特性 二 正弦稳态响应 输入相位ji t 为正弦信号时 环路的输出响应jo t 为正弦信号 将输入ji t 输出jo t 用复函数表示 6 2 3锁相环路的跟踪特性 则 例题 6 2 3锁相环路的跟踪特性 例题 采用简单RC滤波器的锁相环路的正弦稳态响应 闭环传递函数 则 系统具有低通特性 当 0 707时 H最大平坦 上限频率 为 6 3锁相环路应用 6 3 1集成锁相电路 2 SL562 6 3 1集成锁相电路 3 NE564 6 3 2锁相环在解调和锁相接收机中的应用 一 锁相解调电路 1 调频波锁相解调电路 若VCO频率控制特性为线性 则 6 3 2锁相环在解调和锁相接收机中的应用 输入单音调制调频波 即 Dwi t DwmcosWt 结论 为了实现不失真解调 环路的捕捉带必须大于输入调频波的最大频偏 环路的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度 在H jW 的通带内 H jW H 0 6 3 2锁相环应用 锁相解调电路 2 振幅调制信号的锁相同步检波器 注意 采用同步检波器解调调幅信号或带有导频的单边带信号时 必须从输入信号中恢复出同频同相的载波信号 作为同步检波器的同步信号 采用锁相环路可以从所接收的信号中获得同步信号 实现调幅波的同步检波 6 3 2锁相环应用 锁相接收机 原理 设环路输入信号频率为fi fd 其中fd为多普勒频移 参考信号ur的频率为fr 当环路锁定后 混频器输出的中频信号的频率fI应与参考信号的频率fr相等 即fI fr 因此 不论输入信号频率如何变化 混频器输出的中频总是自动地维持在fr上 这样 中频放大器的通频带就可以做得很窄 从而保证鉴相器输入端有足够的信噪比 提高了接收机的灵敏度 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 一 概述 频率合成 利用一个或多个高稳定的晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种技术 特点 所有这些频率的准确度和稳定性与晶体振荡器相同 技术指标 工作频率范围频率间隔 分辨率 频率转换时间频率准确度和稳定性频谱纯净度 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 二 锁相倍频和锁相混频电路 1 锁相倍频器 环路锁定时 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 数字倍频环 LPF 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 2 锁相混频器 fo fL fi 注意 至于fo取fL fi还是取fL fi 取决于压控振荡器输出信号的频率fo是高于fL还是低于fL 高于fL时 回路锁定在fo fL fi的状态 低于fL时 回路锁定在fo fL fi的状态 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 三 锁相频率合成器 设置前置分频器的频率合成器 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 锁相频率合成器 设置前置混频器的频率合成器 6 3 3锁相环在频率合成器中的应用 锁相频率合成器 吞吐脉冲频率合成器 Nt P 1 A 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 可变分频N fi fo 双模分频 P 1 晶振 fo 模式控制 可变分频A fo Ntfi PN A fi P P N