第八章--反馈控制系统(少学时).ppt

第一节概述,参考信号Xr(t),比较器,控制信号发生器,可控器件,反馈网络,反馈信号Xf(t),误差信号Xd(t),控制信号Xc(t),输入信号Xi(t),输出信号X0(t),由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。,（一）、反馈控制系统的构成：,（二）、反馈控制电路的分类,据反馈控制的对象分为：,自动增益控制（AGC）,用于稳定输出信号电压的幅度。,自动频率控制（AFC）,用于控制目标信号的频率，使其与通道中心频率一致，以获得谐频增益。,自动相位控制（APC）,用于实现振荡信号与目标信号的频率和相位的跟踪。亦称锁相环路(PLL)。,据环路内部是模拟电路还是数字电路可细分为：模锁相环（APLL）数字锁相环（DPLL）。,第二节自动增益控制电路,电压比较器,可控增益放大器,控制信号发生器,电平检测器,低通滤波器,直流放大器,UR,ud,uc,Uo,ui,反馈网络,一、AGC电路的组成框图：,比较参量为电压,特点：UR=0。只要输入信号Ui幅度增加，AGC的作用就会使增益A减小。,优点：简单，无需比较器。,缺点：不管幅度大小，均降低增益。致使Ui很弱时，Uo很小，接收灵敏度降低。,其控制特性如图：,（一）简单AGC电路,1.简单AGC,2.延迟AGC,二、AGC电路的类型:,据输入信号的类型、特点及控制要求可分为：,参考电压,Ui很弱时：AGC不起作用；Ui达到门限值UR时：AGC才起作用。,其控制特性如图：,无AGC,有AGC,（二）延迟AGC电路,基本思想：,1.用AGC电压去调节放大器的参量：,2.在放大级间插入受AGC电压控制的可控衰减器。,三、控制增益的方法,由谐频增益表达式：Au(jo)=-n1n2gm/GT可知：改变gm或GT都将使Au改变。,（一）调节放大器的参量,1.用UAGC调节gm调节Au(j)：,gm,IE,M,N,gm的大小与工作点电流IE有关，其关系曲线如图：,用UAGC控制IB调节IE调节gm,控制电路如图：,反向AGC,正向AGC,(2),(1),管子为曲线(1)特性，工作点在M左侧：则uiUAGC(负)IEgmAu(称反向AGC)。,管子为曲线(2)特性，工作点在N右侧：则uiUAGC(正)IEgmAu(称正向AGC)。,2.UAGC调节GT调节Au(j)：,控制电路如图：（设管子为反向AGC）,b）Ui较大时:UAGCIC2UBUAD导通rd+R2并联在第一回路GT1Au,此电路可实现增益控制。,1）阻尼二极管D和R1、R2、R3用来调节L1C1回路的总电导，使D、R2并联在L1C1回路。,a）Ui较小时：UAGCIC2UBUAD截止D、R2支路近似开路，GT1Au,(二)电控衰减器增益控制电路,前述方法(改变放大器参量)的缺点:,UAGC变化,GT变化,IE变化,解决方法：采用电控衰减器AGC电路。,同时，RiRo、CiCo变化，,电路如图:,RFC的作用：,(1)防止高频信号回串影响UAGC,(2)对直流控制电压UAGC短路,原理：利用二极管的变阻特性与R构成分压。,以(a)为例,UAGCrdAu,应该指出：衰减系数K受下级输入阻抗限制，当频率高时二极管的电容效应会影响K，一般选取等效电容小的二极管（PIN）。,第四节模拟锁相环路（APL）,锁相环路的功能：实现频率同步（频差为0）和相位跟踪（相差为一很小的常数）。,锁相技术：是一种从噪声中主动捕捉目标信号的技术。,信号有一定的频率、相位变化规律；噪声虽然其频谱处于频带内，但是随机、离散、无规律的；PLL正是根据它们这种本质区别来捕捉提取信号的。,信号和噪声有本质区别：,一、模拟锁相环路的构成,PD：检测捕者与被捕者之间的相位差，以控制电压的形式去调节VCO实现频率同步和相位锁定。LF：传递相位误差信息，滤除PD输出的高次谐波分量和噪声，输出控制电压。VCO：在控制电压的的作用下，实现频率同步和相位锁定。,（一）APLL的构成（如图）：,鉴相器PD,环路滤波器LF,压控振荡器VCO,目标信号,u(t),ud(t),uc(t),u0(t),输出,各部分的功能：,二、模拟锁相环路的工作原理,用旋转矢量说明：,旋转矢量-目标信号；旋转矢量-vco信号。,捕捉前：So两矢量间相位差e(t)随时间t增长。图（a）,锁定后：o为o，o=S两矢量间相位差e为常数。图（b）,锁定后:当目标信号频率S（t）变动时，VCO频率e(t)随之变动，实现了跟踪。见图(C),四、模拟锁相环路的基本方程和锁定概念,（一）模拟锁相环路的基本方程：,由数学模型可得：,则环路输入相位和输出相位之间都存在着动态平衡关系。,此式是APLL的动态相位平衡方程。,即：,通常称鉴相特性e(t)0时的斜率为PD的增益函数Kd,此式是APLL的动态频率平衡方程。,将上式两端微分后得：,（二）模拟锁相环路的锁定概念,当环路输入一个频率、相位均不变的目标信号时，S(t)、V均为常数，所以有：,此时环路进入锁定状态。,（三）模拟锁相环路的锁定特征,（1）锁定后：由于瞬时频率误差为0；则V=S，即VCO信号与目标信号频率同步(输入与输出同步)。,（2）锁定后：,常数。e-APLL剩余相位误差。,（3）锁定后：由于e=常数；,F(0)-LF的直流传输函数。,即ud(t)、uc(t)均与时间无关，即成为直流电压。,（4）锁定后：,KV-APPL的环路锁定增益。,显见，KV或Ve，而e越小，跟踪效果越好。,固有频差为有限制,五、模拟锁相环路两种调节过程,（一）跟踪过程：（锁定再次锁定）,环路锁定后：若输入信号频率发生变化，而使瞬时相位变化产生控制电压控制VCO，跟踪输入信号频率再次锁定。对锁定的APLL，锁定的动态平衡有一定极限。,同步带：把在环路锁定状态下，能维持锁定所允许的最大固有频差的2倍称为跟踪带或同步带。（用H表示）。,能维持锁定所允许的最大固有频差Vmax=KV；,H=Vmax=KV=KdKoF(0),据跟踪带定义为：,上式无解，即环路不存在锁定的e,；,（二）环路的捕捉过程,环路失锁时：VCO与目标信号频率间存在频差V=S-V，1）若V很小：ud(t)=sine(t)频率较低容易通过LF，产生控制电压uc(t)，VOC输出一调频波V(t)在0(t)上下摆动。由于V很小，很容易摆动到s，使环路进入锁定状态。,-环路由失锁进入锁定的过程,2）若V过大：ud(t)频率较大不能通过LF，产生不了控制电压uc(t)，环路无法捕捉到S、一直处于失锁。存在着一个保证环路由失锁经捕捉而进入锁定的最大允许值Vmax,称为捕捉带（用p表示）。,第五节APLL电路及其应用,一、集成锁相环路：,将PD、VCO、放大器等集成在一块芯片上，各部件之间不连接或部分连接，以便于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电路，具有灵活、功能强等特点。,按最高工作频率不同，集成锁相环分为：,低频型（f30MHz),二、APLL的应用,（一）锁相接收机（电路框图如图）,fs:接收的目标信号频率；,fd:经混频后的差频，即中频信号fI;,锁相目的：使fdfI,混频,中放,N倍频,VCO,LF,fs,fI,f0,fo=Nfo,fd=fo-fS,fd=fI,uc(t),ud(t),PD,原理：,将fd、fI加至PD进行鉴相，利用差拍电压uc(t)去控制VCO。锁定时，输出振荡的N倍频f0(=Nf0)-fs=fd=fI完全同步。,接收机本振频率可通过改变N来调整，达到切换接收目标信号频率的目的。,（二）相干解调：,平方器,解调,PD,VCO,LF,LF,1/2,BF,us(t)(DSB),s,2s2,2s,2,2s,2s,s,因DSB中无载频，要实现解调需加相干的信号（频率为载频）。,电路框图如图所示：,原理：DSB信号经平方器（可用乘法器）变换成含有2s、2s2、2的信号；用窄带滤波器BF滤除2s2、2，利用PLL提取出2s；经二分频，即得到相干载频s，供DSB解调用。,用PLL可方便地从DSB波中提取出解调所必须的相干载波。,（五）数字频率合成系统,频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测量领域已得到广泛应用。,具其组成原理，可分为两类：,1.以滤波器为主的直接频率合成技术,2.锁相频率合成技术,数字频率合成器的优点：,体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。,1.单环数字频率合成器:,组成框图如图：,晶振,1/N,VCO,LF,PD,设要求移动电台频道识别能力为100Hz，则基准频率fr和鉴相器的工作频率取为100Hz；,已知VCO输出频率f0为33.9999MHz，可求得分频系数N。,所以：N=f0/fr=（33.9999）10