通信电子线路6PPT课件

第6章 反馈控制电路 本章讨论的主要问题 反馈控制电路的作用 反馈控制电路的分类 自动幅度控制电路的工作原理 特点及应用 自动频率控制电路的工作原理 特点及应用 自动相位控制电路 琐相环 的构成及各部件的作用 锁相环的基本工作原理 锁相环的基本环路方程 锁相环的扑捉及同步过程 锁相环的特性及基本应用 前言 自动反馈控制电路的用途自动反馈控制电路的作用是为了提高通信质量 使通信系统和电子设备在不同的工作条件下某个性能指标满足需要的精度或特定的要求 分类 自动幅度控制 当要求当输入信号变化时 输出信号幅度能自动保持恒定 自动频率控制 保持频率的稳定 自动相位控制 控制两个信号的相位差在一定范围 当与之间的关系受到破坏时 反馈控制器能在对与的比较中 测出原预定关系偏离的程度 产生相位的误差量 将它加到对象上 对象根据对输出量进行调节 使与的关系接近原来的关系 反馈控制器 对象 方框图以上各类反馈控制系统 就其作用而言均可看成反馈控制器和控制对象两部分组成的自动调节系统 可以用以下统一的方框图表示 6 1自动幅度控制电路6 1 1工作原理自动幅度控制电路是在输出电压幅度因为某种原因超过某一定值时 输出电压经振幅检波 直流放大并与基准电压进行比较 产生误差电压去控制放大器的增益 使之降低 从而使输出电压基本保持不变 其框图如下 可控增益放大器 比较器 直流放大器 振幅检波器 UO 输出信号 Ui UR 输入信号 基准电压 Ue 6 1 2应用 1 接收机中的自动增益控制 AGC 电路 带有AGC电路的调幅接收机电路框图 直流放大器 高频放大器 混频器 中频放大器 包迹检波器 低频放大器 比较器 包迹检波器 UR UAGC fL AGC电路的作用使接收机的增益随输入信号的强弱而变化 克服由于输入信号的起伏造成扬声器声音的忽高忽低 增益控制的工作原理某种原因使输出电压振幅增大时 环路开始工作 中频放大器的输出 一路经包迹检波器解调出低频信号 另一路经另一个包迹检波器解调出正比于载波电压幅度的直流电压 并与基准电压比较 再由直流放大器放大 得到AGC控制电压去控制高频和中频放大器的增益 使之降低 从而使输出信号减小 控制增益的方法 反向控制法 输出信号幅度增大时 AGC电压控制主放大器 的直流工作点 使之降低 从而降低增益 缺点是动态范围很小 容易产生失真 正向控制法 正向控制法是利用特制器件的电流放大系数 值随工作点电流的增大而降低的特点 当输出信号幅度增大时 AGC电压控制放大器的工作点电流 使之增大 使 值减小 放大器增益下降 达到稳定输出信号电压的目的 这种方法器件工作于大电流区域 动态运用范围较大 采用PIN二极管利用PIN二极管对交流信号可等效为一可变电阻 而且等效电阻随偏置电流的增大而减小的特性 将其接入放大器的级间耦合回路中 当输出信号增大时 PIN二极管的等效电阻减小 降低放大器的总增益 PIN二极管用在并联回路时 随着输出信号的增大 PIN二极管偏置电流应增大 当用在串联回路时 随着输出信号的增大 PIN二极管的偏置电流应减小 才能达到稳定输出电压的目的 2 可控增益集成放大器MC1590 增益可控的原理MC1590增益可控集成放大器增益可控电路由晶体管VT4 VT5和相关的电阻所构成 可控端子 2 接 增益控制电压 集成放大器的输入级是由VT1 VT2和VT3 VT6构成共射 共基混合连接差分放大器 同时VT4和VT5的发射极分别与VT3和VT6的发射极相连 并接在VT1和VT2的集电极上 使VT3和VT4的输入电阻并联作为VT1的集电极负载 VT5和VT6的输入电阻并联作为VT2的集电极负载 当增益控制电压增大时 VT4和VT5的静态工作点电流增大 等效输入电阻减小 分流增大 而VT3和VT6的信号电流减小 使放大器增益下降 MC1590作中频放大器的自动增益控制系统电路 6 5 电路 反馈控制器 检波 比较 直流放大 对象 MC1590 工作原理 输出信号超过一定的幅度时 检波器输出电压增大 当超过基准电压UR时 环路闭合 检波输出电压经直流放大 得到AGC控制电压加到MC1590的 2 输入端 使放大器的增益减小 从而使输出电压幅度稳定 3 具有自动控制稳幅电路的文氏电桥振荡器 电路具有自动控制稳幅电路的文氏电桥振荡器电路示于图6 6 其中 反馈控制电路 由二极管VD和电阻R4 电容C3 电位器RP构成的二极管峰值包迹检波器及稳压管VDW所构成 控制对象 场效应管漏源电阻 6 6 控制原理当振荡电压幅度增大到大于稳压管的击穿电压时 控制环路闭合 负极性的检波电压加到N沟道结型场效应管的栅极 使漏源等效沟道电阻随负栅压的增大而增大 从而使放大器的负反馈增大 增益下降 振荡幅度减小 达到稳幅的目的 注意 1 稳压管的击穿电压不能大于输出电压的幅度 2 检波负载的时间常数应远大于振荡周期 6 1 3自动幅度控制的特点 1 有剩余电压差使用自动幅度控制电路稳幅 不可能做到使输出电压与基准电压完全相同 其差为剩余电压 正是因为有剩余电压差 反馈控制回路才会闭合 起到控制放大器增益的作用 2 实现输出信号幅度的稳定 不应影响信号的瞬时变化 否则会产生输出波形的非线性失真 6 2自动频率控制 用途 用于稳频 使一个频率不够稳定的振荡器 受控于一个高稳定度的晶体振荡器 6 2 1工作原理当输出信号频率偏离所需工作频率时 与标准频率振荡器相比较 鉴频 产生一个正比于频率偏移的电压 即误差电压 该电压作于压控振荡器 改变其振荡频率 使之趋向于所需的振荡频率 6 2 2应用1 具有自动频率控制的调频电路 目的稳定调频振荡器的中心工作频率 电路框图 相加器 直流放大器 变容二极管 LC振荡器 低通滤波器 鉴频器 混频器 石英晶体振荡器 调制信号 输出调频信号 u t 反馈控制电路 混频器 鉴频器 低通滤波器 直流放大器 对象 调频振荡器 工作原理输出调频信号的中心工作频率产生偏离 调频信号与晶振输出信号混频并取差频 得到一中心频率较低 而中心频率的偏移与调频振荡器中心频率偏移相同的调频波 经鉴频取出加有调制信号的误差电压 再经低通滤波器滤除调制信号 经放大再与原调制信号相加控制调频振荡器 使其中心工作频率往偏离相反的方向变化 从而趋于稳定 6 2 3自动频率控制的特点1 有剩余频差正是由于有剩余频差 控制回路才会闭合 但是也是因为有剩余频差 用于稳频时不可能做到频率绝对稳定 2 鉴频器的作用是用于检测混频器差频的变化 若鉴频器中心工作频率不稳会造成其输出电压的变化 使输出中心工作频率更加不稳 电路中加混频器可以提高输出频率的稳定性 6 3自动相位控制 锁相 自动相位控制的特点是 有剩余相差 而无剩余频差 故用于稳频优于自动频率控制 6 3 1锁相环的构成及工作原理1 构成框图2 各部件的作用 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 输入信号 鉴相器 PhaseDetector简称PD 用于比较输入信号与输出信号的相位 实现相位差 电压差的变换 低通滤波器 环路滤波器LowpassFilter简称LPF 其作用是滤出鉴相器输出电压中无用的组合频率分量及干扰 产生压控振荡器的控制电压 压控振荡器 VoltageControlOscillator简称VCO 使输出电压的频率随控制电压的变化而变化 使其趋于输入信号的频率 2 工作原理利用输入信号与输出信号在频率不同时之间存在的相位差 通过鉴相器变换为电压差 此电压控制VCO的振荡频率 使其不断靠近输入信号的频率 直到完全相等 环路进入锁定状态 此时与之间相位差为常数 鉴相器输出为直流电压 6 3 2锁相环路的性能分析1 分析方法锁相环中传递的物理量是相位 PD将相位的变化变为电压的变化 VCO将电压的变化变为频率的变化 而相位是频率的积分 使锁相环的分析归结 为非线性微分方程的求解 故下面首先导出描述琐相环路动态过程的基本方程 再据此分析环路的性能 2 环路基本传输函数 1 各部件的传输函数 鉴相器鉴相器一般是模拟相乘器或异或门 设VCO自由振荡角频率为 输入信号角频率VCO实际角频率 则取 就有鉴相器输出为 经低通滤波器滤除和频定义 瞬时相位差 鉴相灵敏度则鉴相器输出可见 鉴相特性为正弦特性 其鉴相特性曲线如图6 11所示 鉴相器的鉴相特性曲线 e t ud 1 2KmUiUO 0 2 2 6 11 由鉴相特性曲线可见 当时 与之间有单值对应关系 鉴相器数学模型当时 则即得到线性鉴相特性 注意 1 若 均为余弦函数 则得到余弦鉴相特性 2 两个输入信号为方波 得到三角波鉴相特性 低通滤波器常用的低通滤波器有RC积分滤波器 RC比例积分滤波器 有源RC积分滤波器 RC低通一阶网络 电路图 传输函数 ud uc RC比例积分器 台阶一阶网络 电路图 传输函数其中相移大小可以通过调节和调节 ud uc 有源比例积分器 电路图 传输函数若运放的开环增益AO趋于无穷大 则传输函数为理想的积分特性 ud uc 将以上各式中的复频率s用微分算符p表示 低通滤波器激励和响应之间的关系式为设滤波器的冲击响应为 则滤波器的输出电压可写为上式说明滤波器的输出是鉴相器输出电压与滤波器冲击响应的卷积 压控振荡器压控振荡器即电压 频率转换器 设VCO的压控灵敏度为 则产生角频率的变化为瞬时角频率为瞬时相位为其中用积分算符表示 3 锁相环的相位模型和基本方程 1 环路相位模型 2 环路基本方程由等式两端求导 得 其物理意义是 剩余频差 起始频差 控制频差当时 剩余频差等于零 环路进入锁定状态 此时 输出信号频率与输入信号频率相等 即 剩余相位差等于常数 即 鉴相器输出为一直流电压 起始频差 控制频差 环路直流增益 得到环路基本方程为 得到环路锁定时的剩余相差表明 越大 越小 4 一阶环路的图解分析无环路滤波器时 锁相环为一阶环 一阶环并不能实际应用 但其基本方程为一阶非线性微分方程 使分析简化 而分析一阶环得出的结论是分析复杂环路的基础 无环路滤波器时 则环路基本方程变为一阶非线性微分方程表示锁相环为一阶环路 1 相图法分析图相分析法是以时间t为参变量 研究与的关系 在任一时刻t 存在对应的和 在相平面上有一点与该时间对应 此点为相点 时间t变化 相平面上描绘出一条相点移动的轨迹曲线 它反应系统状态的变化过程 为相轨迹 用相轨迹描述系统的运动状态为相图分析法 注意 此处的 相 指的是状态 不是电信号的相位 时的一阶环相图分析 相图由一阶环路方程可以画出其相图如下图所示 0 状态的平衡与稳定 平衡点 的点 如图中的A1 B1 A2 B2 A3和B3点均为平衡点 稳点平衡点 如A1和B1点 在稳定平衡点 因某种原因 环路的状态离开此点 环路自行调整 能力图恢复到此点 平衡点对应的误差相移为 这就是环路锁定时的剩余相位差 2 捕捉过程与捕捉带 捕捉过程 定义 环路由失锁状态通过自身调整进入锁定状态的过程 称为捕捉过程 捕捉时间 环路由失锁进入锁定状态所需要的时间 一般情况下 即起始频差越大 环路由失所进入锁定所需要的时间越长 环路总增益越大 环路越快入锁 捕捉带 环路实现捕捉 最终能锁定 所允许的最大起始频差 对于一阶环路 锁定时 一阶环捕捉带若环路将永远不能入锁 高阶环的捕捉带取决于以下因素 1 环路总增益 2 环路滤波器的频率特性LPF的频带越宽 带内衰减越小 越大 3 同步过程与同步带 同步过程 定义 锁相环处于锁定状态 由于某种原因 VCO的振荡频率偏离输入信号频率 环路经自身调整仍维持锁定的过程 同步带同步带是环路维持同步允许的最大频差 一阶环的同步带 当环路锁定时 常数 直流 某种原因使产生变化 发生相应的变化 偏离 产生相位差 使鉴相器输出电压变化 它控制VCO 使最终使环路锁定 环路允许的最大频差为 一阶环的同步带二阶以上锁相环 因为低通滤波器的惰性 一般同步带大于捕捉带 即 环路要能处于同步状态 压控振荡器的振荡频率变化范围应大于同步带 即 5 高阶环捕捉过程的定性分析 起始频差大于环路总增益 即 此时环路永远不能如锁 起始频差很小 起始频差很小 鉴相器输出电压通过环路滤波器并加在VCO上 使VCO输出电压的频率很快摆动到输入信号的频率 使环路锁定 但是起始频差较大 因为起始频差较大 鉴相器输出电压通过环路滤波器将受到较大的衰减 因此 加到VCO上的电压很小 使VCO的振荡频率不能很快摆到输入信 号的频率上 须经多次循环 环路才能锁定 此时 鉴相器输出电压是一个幅度为的交变电压 此电压加在VCO上 则VCO输出电压为调频波 使在上下摆动 也在上下摆动 经鉴相 因随时间变化速度不同 使为非简谐波 当时 随时间t增长的慢 当时 随t增长快 随时间变化斜率是变化的 故为非简谐波 且正半周长负半周短 平均分量不为零 即含有一直流分量 经低通滤波器加到VCO上 使振荡频率的平均值由向靠拢 经一次反馈 向输入信号频率靠近一点 这种现象亦称为频率牵引现象 右图示出描述这种过程的鉴相器输出电压 vco振荡波形和误差相移的波形示意图 以上过程 每经过一次反馈 向输入信号频率靠近一点 而VCO新的振荡频率再与输入信号频率差拍 得到角频率更低 同时误差相移随时间变化更慢的鉴相器输出电压 即鉴相器输出电压不仅正负半周不对称 而且频率越来越低 所含直流分量越来越大 VCO的振荡频率与输入信号频率越来越靠近 最终 环路锁定 此时 鉴相器的输出为一直流电压 误差相移为一常数 图6 20示出了描述此过程的鉴相器输出电压波形 6 20 6 锁相环的线性化分析 跟踪状态分析 必要性因为描述锁相环状态的基本方程是非线性微分方程 求解十分困难 若将非线性微分方程线性化 则可用拉氏变换的方法求解 使分析大为简化 可能性锁相环在跟踪状态下 剩余频差很小 鉴相器的剩余相差也很小 当时 可以进行线性化处理 此时 锁相环处于跟踪张态 跟踪状态锁相环输入信号频率变化时 VCO振荡频率能始终跟随其变化 表示环路处于跟踪状态 1 锁相环的线性化分析鉴相器输出电压 当时 则表示鉴相特性为线性特性 鉴相器线性化以后 整个环路的传输特性变为线性系统 数学上就可以用线性微分方程描述这个系统 而拉氏变换是分析线性系统最有效方法 2 环路传递函数环路的传递函数是指锁相环输出信号瞬时相位的象函数与输入信号瞬时相位的象函数之比 即 线性化锁相环的相位模型线性化锁相环的相位模型如下图所示 Kd F s i S O s e s o s 环路的传递函数由线性化锁相环的相位模型可得 则环路的传递函数为 不同形式的低通滤波器有不同的传输数 则也就相应的有不同的形式 无环路滤波器 一阶环 一般RC低通滤波器 二阶环 RC比例积分滤波器 略 有源理想积分滤波器 略 有了环路的传输函数 就可以研究环路处于跟踪状态时的瞬态响应和正弦稳态响应 了解锁相环的特性 实用中 也经常使用误差传递函数分析环路的跟踪特性 定义误差传递函数为 则 6 3 4锁相环的典型应用 锁相环的特点 1 锁定特性 环路锁定后 只有剩余相差无剩余频差 2 跟踪特性输出信号频率跟随输入基准频率的变化 实现无误差的频率跟踪 1 锁相频率合成器锁相环在频率合成器中的应用是利用锁相环的锁定特性 频率合成的定义 频率合成是将给定的基准信号频率 通过一系列的频率代数运算 在一定频率范围内获得频率间隔一定 稳定度和基准频率相同 数值上与输入频率成有理数比例关系的一系列的新频率 框图 鉴相器 M分频器 环路滤波器 N分频器 晶体振荡器 压控振荡器 输出 环路锁定时有 最小间隔 输出信号频率为 改变分频比M和N 即可以改变输出频率 N可以是可编程分频器 就可以得到频率间隔为fI 频率在一定范围内变化的若干个频率点 多环频率合成器欲减小频率间隔 且要求输出大量离散频率点时 环路滤波器通频带必须压缩 造成环路捕捉时间加长 从而导致从一个频率点到另一个频率点转 换时间加长 这时可以采用多环频率合成器 即由多个单环频率合成器组合而成 如图6 27所示多环频率合成器 其中基准频率为2MHz 要求输出频率范围为 3 000 3 999 MHz 频率间隔为1kHz 6 27 由图可见 2MHz的基准频率首先经20分频 得到100kHz的频率作为每一个环的输入信号频率 第一个环的可变分频比为30 39 所以第一个环的输出频率范围为 3 0 3 9 MHz 频率间隔为100kHz 此信号经10分频与2MHz信号混频 并取差频 得到频率变化范围为 1 70 1 61 MHz的信号 它与第二个环的输出信号混频 取和频 再经分频比为47 56的可变分频 与100kHz的信号鉴相 其输出信号频率满足 即输出信号频率变化范围为 3 00 3 99 MHz 频率间隔为10kHz 同样 第二个环的输出信号送到第三个环 按同样的方法可以得到第三个环的输出信号频率为 3 000 3 999 MHz 频率间隔为1kHz 满足设计要求 2 锁相混频 框图如由图所示 锁相混频实用于本振频率输入信号频率时 其和频和差频十分靠近 滤除其中任一边频 对滤波器的要求都十分苛刻 锁相混频是将混频器置于锁相环路中 若混频器取差频 在环路锁定时 有 避免了用普通滤波器滤出一个边频的困难 3 调频波的产生与解调 1 调频波的产生 电路及工作原理 晶体振荡器 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 相加器 uo t 调频信号 调制信号u t 工作原理在锁相环路中串入相加器 调制信号与环路滤波器的输出电压相加 控制VCO的振荡频率 则输出信号就是频率随调制信号变化而频率稳定性由晶体振荡器控制的调频波 电路框图 优点 中心工作频率稳定 这是因为当输出调频波中心工作频率飘移时 鉴相器输出电压能反映出中心工作频率飘移和随调制信号的变化所产生的频偏 若设计LPF的频带足够窄 能滤除调制信号 只让随中心频率飘移而变化的分量通过 此电压控制VCO 使中心频率的变化减小 达到稳定中心工作频率的目的 2 鉴频 电路框图调频信号作为锁相环的输入信号 低通滤波器输出即为低频调制信号 工作原理由锁相环的跟踪特性 锁相环处于跟踪状态时 VCO的振荡频率能跟踪调频波输入信号频率 鉴相器 低通滤波器 缓冲放大器 压控振荡器 调频信号 解调信号 的变化 而VCO频率变化受控于LPF输出电压 它反映输入信号频率的变化 即调制信号 条件 1 LPF的上截止频率应大于调制信号的最高频率即 2 VCO的振荡频率范围 同步带 应大于调频波的最大频偏 3 若调频波的载波频率在一定范围内变化 则VCO的振荡频率应满足 或 锁相鉴频的窄带滤波功能举例说明 某调频波 载波频率 调制信号频率 调频系数 某干扰信号频率 比较用LC单振荡回路和锁相环鉴频对干扰的抑制 解 用锁相环鉴频 LPF的上截止频率 即调制信号在时衰减3dB 干扰信号在的衰减为 若用单振荡回路 同