第六章反馈控制电路案例.ppt

第六章反馈控制电路,第6章反馈控制电路,6.1概述,6.2自动增益控制电路,6.3自动频率控制(AFC)电路,6.4锁相环路(PLL),6.5锁相环的典型应用,6.1概述,在现代通信系统和电子设备中，为了提高它们的技术性能指标或实现某些特定的要求，广泛地采用各种反馈控制电路。负反馈放大器就是反馈控制电路的典型实例。放大器的输出信号通过负反馈网络反馈到其输入端，与输入信号相减，这时放大器的净输入信号为原输入信号与反馈信号之差。显然当输出电压增大，则反馈电压也增大，反馈信号与输入信号相减后，使实际输入信号减小，从而减小了放大器的输出电压，使输出电压幅度保持不变，进而提高了电路的稳定性。,图6.1-1负反馈放大器,可见，反馈控制电路的作用是利用反馈信号与原输入信号进行比较，进而输出一个比较信号对系统的某些参数进行修正，从而提高系统的性能，利用负反馈改善放大器的性能。例如:一个串联电压负反馈放大器可以使放大器电压增益稳定，通频带展宽，非线性失真减小等。一般来说，反馈控制系统通常由四部分组成，即比较器，控制信号发生器，可控器件和反馈网络。其组成框图如图6.1-2所示。,图6.1-2反馈控制系统的组成,比较器的作用是将输入信号与反馈信号进行比较，输出一个误差信号，然后送入控制信号发生器产生一个控制信号，由控制信号对受控件的某一特性进行控制，反馈网络的作用是从受控信号中提取进行比较的分量并送比较器。整个反馈控制系统是一个闭环系统，通过不断地反馈、比较、输出控制信号，从而对受控器件的特性进行修正，使系统具有优良性能和达到稳定状态。,如果比较的参量是相位，则称之为自动相位控制电路，(AutomatiePhaseControl，简称APC)又称为锁相环路，它是应用最广泛的一种反馈控制电路。,如果系统中需要比较的参量是电压或电流，则称之为自动增益控制电路；(AutomaticGainControl，简称AGC),如果比较的参量为频率，则称之为自动频率控制电路；(AutomaticFrequencyControl，简称AFC),6.2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。,6.2.1AGC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,一般情况下Ag(uc)其值随Uc增大而下降。,自动电压控制电路是有剩余误差的控制电路，因为整个调整过程是通过误差电压控制可控增益放大器的电压增益来实现的，所以环路达到动态平衡状态（及锁定状态）时，误差不可能为零。,6.3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。,6.3.1AFC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,2、工作原理,图6.3-1是调幅超外差式接收机自动频率微调系统方框图。它的对象是振荡频率受误差电压控制的压控振荡器(简称VCO)。反馈控制器是由检测出频率误差的混频器、中频放大器以及将频率误差变换为相应电压的鉴频器组成的。,6.3-1自动频率微调系统方框图,自动频率控制过程是利用误差信号的反馈作用来控制被稳定的振荡器频率，使之稳定。误差信号是由鉴频器产生的，它与两个比较频率源之间的频率差成比例。因而达到最后稳定状态时，两个频率不能完全相等，必须有剩余频差。,AFC电路应用较广，下面就以接收机中的自动频率微调电路为例，简要介绍其工作原理。图6.3-2为带AFC电路的调频接收机方框图。,图6.3-2调频接收机的AFC系统方框图,接收机是以额定中频为鉴频器的中心频率，亦作为AFC系统的标准频率。其中，高放为可调放大器，本振与之统调。因为调频接收机本身有鉴频器，该AFC系统无需再另加鉴频器。但是，必须考虑到接收机的鉴频器输出不仅含有AFC的反馈控制电压，还有调频解调信号的电压，它也会控制本振频率的改变。为了消除这一影响，在鉴频器后必须加入低通滤波器。本振频率漂移和接收调频信号的中心频率漂移均为缓慢变化，由此引起的电压变化可以通过低通滤波器转变为电压的变化。,图6.3-2调频接收机的AFC系统方框图,当混频器输出的差频不等于额定中频时，鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器只允许直流电压输出，用来控制本振(压控振荡器)，使本振改变，直到差频减小至等于剩余频差为止。这固定的剩余频差叫做剩余失谐。显然，剩余失谐越小越好。例如图6.3-2的本振频率为46.556.5MHz，信号频率为4550MHz，额定中频为1.5MHz，剩余误差不超过9kHz。,图6.3-3鉴频特性曲线,表示输出电压与频率偏离中心频率的数量之间的关系曲线，叫做鉴频特性曲线。,表示压控振荡器频率与控制电压的关系的曲线，叫做调制特性曲线。,图6.3-4压控振荡器的调制特性曲线,6.3.2自动频率微调(AFC)电路,在外差式接收机中，利用本机振荡信号与接收到的简频已调波信号进行混频，将简频已调波信号变换为中频信号。再经中频放大器放大。实际工作中，由于高频载波频率的漂移，或本机振荡频率的不稳定。都会使混频后的中频，偏离规定值(如电视接收机为38MHz)。这导致中频放大器工作在失谐状态引起增益下降、信号失真等现象。如果采用自动频率微调(简称AFC)电路来锁定中频频率，就能克服上述缺点。,图6.3-5是采用AFC电路的调幅接收机组成方框图。与普通调幅接收机相比，增加了限幅(即切去调幅包络)鉴频器、窄带低通滤波器和放大器，同时将本机振荡器改为压控振荡器，从面形成了一个附加的频率反馈环路。,由图6.3-5可知，无论何种原因当偏离规定值时，鉴频器输出的误差电压，经低通滤波和放大后去控制VCO的频率，使达到或接近规定值。,调频负反馈解调电路的组成方框图如图6.3.5所示，与普通调频接收机的解调电路相比较，区别在于它把输出的解调电压又反馈作为本机振荡器的VCO的控制电压，使其振荡频率按调制信号规律变化。这时对混频器而言，相当于加了两个载波频率不同而调制信号相同的调频波。,6.3.3调频负反馈解调电路,调频负反馈解调电路的突出优点是解调门限位低，这是因为负反馈使中频信号的最大频偏减小，相当于压缩了信号的有效带宽，因此可以用通频带较窄的中频放大器来放大，于是进入中放并送至鉴频器输入端的噪声功率将随之减小，使得信噪比提高。如果维持频带压缩前的鉴频器输入端的信噪比不变，则混频器输入端所需的信噪比就可减小，即解调门限降低。因此，调频负反馈解调电路可以提高解调信号的质量。,6.4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,通信电视遥测遥感频率合成精密测量,6.4.1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:,其中,返回,继续,频率捕获锁定示意图,其中,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