通信电子线路-G--通信电子线路电子教案-CH7反馈控制电路ppt课件

第7章反馈控制电路,7.1自动增益控制电路7.2自动频率控制电路7.3锁相环的基本原理7.4频率合成器,7.1自动增益控制电路,图71反馈控制系统的组成,图72具有AGC电路的接收机组成框图,7.1.1工作原理设输入信号振幅为Ui,输出信号振幅为Uo,可控增益放大器增益为Kv(uc),它是控制电压uc的函数,则有,(71),图73自动增益控制电路框图,7.1.2自动增益控制电路根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求,AGC电路主要有以下几种类型。1简单AGC电路在简单AGC电路里,参考电平Ur0。这样,只要输入信号振幅Ui增加,AGC的作用就会使增益Kv减小,从而使输出信号振幅Uo减小。图74为简单AGC的特性曲线。,(72),mi为AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小值之比（输入动态范围）,即,(73),(74),则有,图74简单AGC特性曲线,图75延迟AGC特性曲线,2延迟AGC电路在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电压Ur,它对应的输入信号振幅Uimin,如图75所示。,图76延迟AGC电路,3前置AGC、后置AGC与基带AGC前置AGC是指AGC处于解调以前,由高频（或中频）信号中提取检测信号,通过检波和直流放大,控制高频（或中频）放大器的增益。后置AGC是从解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。,7.1.3AGC的性能指标1动态范围AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。2响应时间AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制,而增益变化又取决于输入信号振幅的变化,所以要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调制现象,这就是响应时间特性。,7.2自动频率控制电路,7.2.1工作原理自动频率控制（AFC）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成,如图77所示。,图77自动频率控制电路的组成,可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,其输出振荡角频率可写成,(75),7.2.2主要性能指标对于AFC电路,其主要的性能指标是暂态和稳态响应以及跟踪特性。1暂态和稳态特性由图87可得AFC电路的闭环传递函数,由此可得到输出信号角频率的拉氏变换,(76),(77),2跟踪特性由图77可求得AFC电路的误差传递函数T（s）,它是误差角频率e（s）与参考角频率r（s）之比,其表达式为,从而可得AFC电路中误差角频率的时域稳定误差值,(78),(79),7.2.3应用1自动频率微调电路（简称AFC电路）图78是一个调频通信机的AFC系统的方框图。这里是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率,亦作为AFC系统的标准频率。,图78调频通信机的AFC系统方框图,图79AFT原理方框图,7.3锁相环的基本原理,7.3.1工作原理锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PhaseDetector,缩写为PD)、环路滤波器(LoopFilter,缩写为LF)和电压控制振荡器(VoltageControlledOscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图710所示。,图710锁相环的基本构成,设参考信号为,(710),若参考信号是未调载波时,则r(t)=r=常数。设输出信号为,(711),两信号之间的瞬时相差为,（712）,由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为,(713),锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即,（714）,此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率0(控制电压uc(t)=0时的频率),其偏移量由式(713)和(714)得到为,(715),这时输出信号的工作频率已变为,(716),7.3.21.鉴相器鉴相器（PD）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差e(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数,即基本环路方程,图711正弦鉴相器模型,图712线性鉴相器的频域数学模型,若以压控振荡器的载波相位0t作为参考,将输出信号uo(t)与参考信号uruo(t)=Uocos0t+2(t)(718)ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t)(819)式中，2(t)=0(t),1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t)(720)将uo(t)与ur(t)相乘,滤除20分量,可得ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t)(721),图713正弦鉴相器的鉴相特性,图714环路滤波器的模型(a)时域模型;(b)频域模型,2.环路滤波器环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。1)RC积分滤波器这是最简单的低通滤波器,电路如图715(a)所示,其传递函数为,(722),图715RC积分滤波器的组成与频率特性(a)组成;(b)频率特性,2)无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图716(a)所示。与RC积分滤波器相比,它附加了一个与电容C串联的电阻R2,这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为,(723),图716无源比例积分滤波器(a)组成;(b)频率特性,3)有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器由运算放大器组成,电路如图7-17(a)所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时,它的传递函数为,(724),式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若A很高,则,(725),图717有源比例积分滤波器(a)电路;(b)频率特性,3.压控振荡器压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性地变化,即式中，v(t)是VCO的瞬时角频率,Kd是线性特性斜率,表示单位控制电压,可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度或增益系数,单位为rad/Vs。在锁相环路中,VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位,即,（726）,（727）,（728）,将此式与式(718)比较,可知以0t为参考的输出瞬时相位为,由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分作用,因此也称它为环路中的固有积分环节。式(728)就是压控振荡器相位控制特性的数学模型,若对式(728)进行拉氏变换,可得到在复频域的表示式为,（729）,（730）,VCO的传递函数为,图718VCO的复频域模型,4.环路相位模型和基本方程复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(d/dt)是微分算子。由图719,我们可以得出锁相环路的基本方程,(731),(732),图719锁相环路的相位模型,将式(732)代入式(731)得,（733）,设环路输入一个频率r和相位r均为常数的信号,即,式中，0是控制电压uc(t)=0时VCO的固有振荡频率;r是参考输入信号的初相位。令,（734）,则,将式(734)代入式(733)可得固定频率输入时的环路基本方程:,（735）,右边第二项是闭环后VCO受控制电压uc(t)作用引起振荡频率v相对于固有振荡频率0的频差(v-0),称为控制频差。由式(735)可见,在闭环之后的任何时刻存在如下关系:瞬时频差=固有频差-控制频差,（736）,7.3.3锁相环工作过程的定性分析1.锁定状态当在环路的作用下,调整控制频差等于固有频差时,瞬时相差e(t)趋向于一个固定值,并一直保持下去,即满足,（737）,锁定时的环路方程为,（738）,（739）,从中解得稳态相差,锁定正是在由稳态相差e()产生的直流控制电压作用下,强制使VCO的振荡角频率v相对于0偏移了0而与参考角频率r相等的结果。即,（740）,2.跟踪过程当v大得足以补偿固有频差0时,环路维持锁定,因而有如果继续增大0,使0K0UdF(j0),则环路失锁(vr)。因此,我们把环路能够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带:,故,（741）,3.失锁状态失锁状态就是瞬时频差(r-v)总不为零的状态。这时,鉴相器输出电压ud(t)为一上下不对称的稳定差拍波,其平均分量为一恒定的直流。这一恒定的直流电压通过环路滤波器的作用使VCO的平均频率v偏离0向r靠拢,这就是环路的频率牵引效应。,4.捕获过程开机时,鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差(即固有频差)0,其相位差0t。因此,鉴相器输出的是一个角频率等于频差0的差拍信号,即,（742）,若0很大,ud(t)差拍信号的拍频很高,易受环路滤波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压uc(t)很小,控制频差建立不起来,ud(t)仍是一个上下接近对称的稳定差拍波,环路不能入锁。,图720频率捕获锁定示意图,环路能否发生捕获是与固有频差的0大小有关。只有当|0|小到某一频率范围时,环路才能捕获入锁,这一范围称为环路的捕获带p。它定义为在失锁状态下能使环路经频率牵引,最终锁定的最大固有频差|0|max,即,（743）,7.3.4锁相环路的线性分析锁相环路线性分析的前提是环路同步,线性分析实际上是鉴相器的线性化。虽然压控振荡器也可能是非线性的,但只要恰当地设计与使用就可以做到控制特性线性化。鉴相器在具有三角波和锯齿波鉴相特性时具有较大的线性范围。而对于正弦型鉴相特性,当e6时,可把原点附近的特性曲线视为斜率为Kd的直线,如图721所示。因此,式(721)可写成,(744),图721正弦鉴相器线性化特性曲线,图722线性化鉴相器的模型,用Kde(t)取代基本方程式(735)中的Udsine(t)可得到环路的线性基本方程,（745）,(746),或,式中，K=K0Kd称为环路增益。K的量纲为频率。式(746)相应的锁相环线性相位模型如图723所示。,图723锁相环的线性相位模型(时域),对式(746)两边取拉氏变换,就可以得到相应的复频域中的线性相位模型,如图724所示。,图724锁相环的线性相位模型(复频域),61引言,组成的设备或仪器称为频率合成器或频率综合器,标准信号发生器由高稳定度的晶体振荡器构成。,频率合成技术将一个高稳定度和高精度的频率(参考频率)经过加、减、乘、除的四则运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,1直接频率合成,模拟直接频率合成,由谐波发生器、滤波器、倍频器、分频器和混频器等组合成的一组或多组电路,由一个或多个参考频率来合成一系列所需要的实用频率。,非相干直接频率合成由很多晶体振荡器组成参考频率，合成一系列所需要的频率。,相干直接频率合成由一个高稳定度的晶体振荡器的参考频率合成一系列的所需频率。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,1直接频率合成,非相干直接合成框图,合成器用了两组晶体振荡器,一个混频器和一个带通滤波器.混频器输出取和频,合成器输出频率范围为55.0055.99MHz,共100个点频,频率间隔为fo=10kHz,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,1直接频率合成,非相干双混频分频直接合成框图,f09表示从f=0开始的10个频率增量,即由面板开关控制的频率步进间隔。,输出频率:,fo=(f1+f2+f3+f09)10,两个混频器,带通滤波器选出和频,输出方波,晶体振荡参考频率,晶体切换的晶振,若令f1+f2+f310f1，则输出频率:,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,1直接频率合成,相干直接合成框图,参考频率,六个输出频率,频率间隔为0.5MHz,且可以同时输出,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,2锁相频率合成,锁相频率合成应用锁相环路PLL(PuaseLockedLoop)实现频率合成的方法，又称之为相干间接频率合成法。,单环PLL合成框图,当环路锁定时在鉴相器PD输入端的两输入频率必然是相等的:,在基本PLL中插入一个可变分频器N,称NPLL,频率分辨率等于参考频率fr,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,2锁相频率合成,输出频率的频率切换时间ts与参考频率fr的经验公式:,频率分辨率与频率切换时间成反比,(2)在输出频率覆盖范围较宽,而频率分辨率又要求较高的情况下,因参考频率必须低,则环路分频比N的变化范围将很大,使环路增益在波段范围内将有很大的变化，必然使NPLL性能很不稳定。,存在的问题:,(1)在目前的跳频通信系统中,要求频率分辨率为1Hz,而频率切换时间则要求小于10s,这对单环NPLL频率合成是无法实现的。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,2锁相频率合成,(3)PLL环路的环路滤波是用来滤除鉴相器输出的参考频率和谐波及杂散噪声等,所以环路滤波器的带宽必须小于或等于参考频率。参考频率的降低,又必然要求环路滤波器的带宽变窄,滤波器参数变大。严重影响环路的频率特性和锁定特性。,在单环锁相频率合成器中,提高输出频率分辨率和环路性能是矛盾的,于是又出现了小数分频频率合成,多环频率合成和DDS频率合成等方法。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,3直接数字合成DDS,DDS技术把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。,(1)根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时地送入数模转换器，从而合成出所要求频率的正弦波信号。合成信号频率较低，一般在几十kHz左右；,DDS有两种基本合成方式：,(2)利用高速存储器将正弦波的样品存在其中，然后以查表的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速DA转换器，变换成所设定频率的正弦波信号。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,3直接数字合成DDS,直接数字频率合成器DDS,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,4组合式频率合成,模拟直接合成+DDS,PLL+DDS,模拟直接+PLL+DDS,锁相频率合成方法：成本低、控制灵敏、切换频率方便，波段覆盖范围宽，已成为目前广泛应用的一种频率合成技术，但它存在换频时间长、频率分辨率低等缺点。DDS合成法：频率分辨率高、控制频率切换方便、换频速度快等优点，但它存在输出频率低、输出噪声较高等缺点。,62频率合成的基本方法和指标621频率合成的基本方法,4组合式频率合成,组合式频率合成框图,模拟直接合成谐波选频合成法,带通选频滤波器,fL,fo,谐波发生器,fr+NF高分辨率,F为DDS频率分辨率，N为某一范围内的正整数.,晶振,fi,62频率合成的基本方法和指标622频率合成器的主要技术指标,1、频率范围频率合成器输出最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围,也可以用频率覆盖系数k表示.,2、频率分辨率fo相邻两个输出频率之间的间隔,也称之输出频率间隔,或频率步进间隔。,3、频率准确度频率合成器的实际输出频率偏离标称频率的程度。标称频率国际和国内统一定标的基准频率。,62频率合成的基本方法和指标622频率合成器的