《反馈控制电路》PPT课件.pptVIP

1、第一节反馈控制电路概述,Feedback Control Circuit,一、反馈原理：,可看作自动调节系统,反馈控制电路,对象,反馈控制电路的输入量,反馈控制电路的输出量,根据需要预定的关系式,若因某种因数破坏了这个预定的关系,检测出与预定关系之间的偏离程度,产生相应的误差量,对象,它是一种有误差的控制电路,根据比较和调节的参量不同，反馈控制电路可分成三类：,自动电平控制电路：,自动频率控制电路：,参量为频率,自动相位控制电路：,参量为相位,锁相环路,二、.自动电平控制电路,1、工作原理,Automatic Level Control,输入信号：,输出信号：,增益：,受ve控制,自动电平控制

2、电路的输入量,自动电平控制电路的输出量,关系式为：,一般规定,否则,比较器的门限电压,A,A,当满足预定关系时,增益控制特性,反馈控制器的比较特性,环路稳定过程：,当,A点，环路进入稳定状态,进入锁定状态Lock,稳态幅差或剩余幅差,可控增益越大，,2、应用,（1）.自动电平控制电路Automatic Gain Control，AGC,最大,结果中频输出电压 强度的增大受压缩,一定时,A的控制倍数,能够在A的变化范围， 满足环路的输出控制 在所要求范围内。,一定时,采取的措施：,(1),(2)增大直流放大器增益,实际电路，采用多种方法实现可控增益放大器受,控制,利用直接改变放大器的静态工作点电

3、流值，或改变受控网络 的可变衰减网络的衰减量，或通过非线性器件改变受控放大 器的反馈量。,（2）、已调波线性功率放大器,Vr：已调波输入包络电压，作为环路的输入量,V+：已调波输出包络失真电压,Ve：比较放大器输出因失真而引起的误差电压，该误差电压经放大和滤波后去控制线性 功率放大器的增益。,当环路锁定时，输出电压的包络变化必将接近输入电压包络变化，从而有效地减少 非线性失真，实现良好的线性放大。,三、自动频率控制电路（Automatic frequecy Control，AFC）,1。工作原理,对象,自动频率控制电路框图,对象：振荡频率受误差电压控制的 压控振荡器-VCO,VCO未受控制前V

4、c=O时的 震荡频率,鉴频器的中心角频率,这时环路不工作,AFC电路预定关系式,最后进入锁定状态，其误差角频率剩余角频差,将VCO不稳定而引起的较大的起始角频差减少到较少的剩余角频差。,环路的同步和捕捉带,将频差放大、限幅鉴频器、放大器,频率比较电路,将VCO与混频器,可控频率电路,Wo=Wr，We=0,Wr增大 Wo= Weo,可控频率电路的转换特性,M是环路锁定时的平衡点， 相应的频差=剩余频差,在平衡点上，由Weo通过频率比较器产生的Vc，,Vc通过可控频率电路产生Weo,起初角频差Weo较大时，（2）向右移， Weo也越大,（1）锁定的稳定性分析,用作图法显示环路锁定时的Weo,当初始

5、角频差Weo很大时，比如到Weo1,两曲线有三个交点M、N、P。,1.N点：,We,Vc,M点,2.M、P点,We,Vc,P点,We,Vc,We,We,Vc,We,M点,We,Vc,We,P点,这时的剩余频差接近于起始频差，环路 实际上已失去了自动调节作用，起不了 减少频差的作用。效果上，它与环路不 工作、即失锁的情况类似。,平衡点,假如环路原先是锁定的，如Mo点，因起始频差增大到Weo1，但增大速度慢，环路 来得及跟着调整，就稳定在M点。反之。环路原先是失锁的，后因起始频差减少到 Weo1，则环路进入P点稳定下来，而不在M点。即失锁。,（2）同步带和捕捉带,用作图法显示环路锁定时的Weo,1

6、.同步带：,若环路原先是锁定的，当起始增大到Weo2,两线切于M/点，再增大，就没有交点了,即Weo2是环路能够维持锁定的最大允许 的起始频差，叫同步带或跟踪带， WH,2.捕捉带,若起始频差很大，环路原先是失锁的，当起始频差减小到Weo3,两线切于N/点，不稳定的，环路必定转移到M/点上稳定下来，,这表明Weo3是环路能从失锁进入锁定的最大允许的起始频差，叫捕捉带,同步带大于捕捉带,2.应用,（1）自动频率微调电路,（接收与发射的频率微调、调频接收的解调、 扫频电路等）,混频器,中频 放大器,包络 检波器,压控 振荡器,放大和 低通滤波器,限幅 鉴频器,调幅输入,具有自动频率微调电路的调幅接

7、收机,利用鉴频将偏离额定中频的频率误差变换成电压，控制VCO的振荡频率，使偏离于额定 中频的频率误差减小。,当环路锁定时，接收机的输入调幅信号的载波频率和VCO振荡频率之差接近于额定中 频，这样可以减少中频的带宽、提高接收机的灵敏度和选则性,（2）调频负反馈解调电路,混频器,中频 放大器,压控 振荡器,低通 滤波器,限幅 鉴频器,调频输入,调频负反馈解调电路,解调电压输出,Wi,Wo,We,中频信号的载波角频率,中频信号的最大角频偏减小到WmI,Wmc,WmI,仍为不失真的调频波,（3）线性扫频电路,扫频信号发生器,Vi是输入锯齿波，输出是信号频率按 输入信号线性变化的调频波。,鉴频器将解调出

8、失真的锯齿波调制信号 与输入信号比较，将两者的差值再与输入 信号叠加后作为扫频振荡器的调制信号， 就能补偿输出扫频信号的失真。,四、自动相位控制电路（琐相环路）,基本锁相环路Phase Lock Loop，PLL,PLL是一种实现频率跟踪的自动控制电路，而且这种 跟踪是无误差的，即VCO输出频率=输入信号频率。,（a）失锁Wo大于Wi,（b）锁定Wo等于Wi,鉴相器产生误差电压,VCO的频率被调整,环路锁定,鉴相器产生固定的误差电压，保持锁定,第二节、锁相环路性能分析,一、基本环路方程 1、鉴相器,锁相环路中鉴相器的输入信号：输入信号电压和VCO电压Vo,鉴相器作用：检测出两信号的相位差，并产

9、生相应的输出电压Vd（t）,鉴相器的电路模型,VCO未加控制电压的固有振荡角频率： 即环路的参考频率，,为输入信号的角频率,VCO的实际振荡角频率,起始相角，一般取,对于采用相乘器的乘积型和采用包络检波器的叠加型鉴相器，它的输出平均电压,Ad为鉴相器的最大输出电压,2.压控振荡器VCO,A0为Vc=0时的斜率，即称做压控灵敏度，单位rad/s。v,用微分算子P=d/dt,VCO为一个理想的积分环节,3.环路低通滤波器,Loop Lowpass Filter,作用：滤除鉴相输出电流中的无用频率分量及其它干扰分量，达到环路所要求的 性能，并保证环路的稳定性。,中的复数S用微分算子p替换,滤波器的激

10、励和响应之间关系的微分方程,4.基本环路方程,锁相环基本环路模型,非线性方程，完全描述 环路闭合后所发生的动 态过程。,VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值，瞬时角频差；,VCO在Vc的作用下产生振荡角频率偏离Wr的数值，,控制角频差,输入信号角频率偏离Wr的数值，既输入固有角频差,基本环路方程,VCO瞬时角频差+VCO在Vc作用产生的控制角频差=输入固有角频差,锁定过程,若输入固有角频差为常数，,即,为恒定频率的输入信号,进入锁定过程中,瞬时角频差,控制角频差,瞬时角频差=0,控制角频差=,输入信号和VCO的频率相等，进入锁定状态,相位误差,表示，即剩余相位差或稳态相位误差。,固定值,鉴

11、相器输出一直流电压,通过滤波器,VCO使其振荡频率等于输入信号频率,设滤波器直流增益,环路锁定时,环路的直流总增益,最大输入固有频差,为锁相环的同步带或跟踪带用,要增大锁相环路的同步带，必须提高其直流总增益。且在于VCO最大频率控制范围 足够大时才成立。,二、捕捉过程的定性讨论,1.捕捉过程,若环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏离，通过自身调节重新维持锁定的过程称为跟踪过程。,若环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。,未加输入信号：Vc=0，Wo=Wr,加输入信号：输入的固有频差,刚接入：,鉴相器出：,正弦波电压,A：,很大时，且大于滤波器的通频带,Vc=0，W

12、o=Wr,失锁,B：,很小时，且小于滤波器的通频带,的基波分量,Vc控制VCO,Wo在Wr上下近似正弦规律摆动,当Wi=Wo且符合相位关系时,锁定,鉴相器输出一个与,相对应的直流电压，以维持环路锁定,介于A、B两者之间时有以下两种情况：,（1）快捕过程,A：,较大时，且大于滤波器的通频带，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时被 较大衰减，但Vc能控制VCO的Wo摆到Wi上，环路就能锁定,失锁很快到锁定的过成叫做快捕过程，相应能锁定的最大,快捕带,最大,VCO产生的最大角频差,例：简单RC滤波器，若,当,（2）捕捉过程,比前一种大时，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时被 更大衰减，但Vc很小，能控

13、制VCO的Wo在Wr上下的幅度很小，使得Wo不能摆到Wi,t,t,t,0,0,固定,当,慢,当,快,鉴相器输出,不再是正弦波了,正半周时间比较长，负半周时间比较短,其直流分量和基波分量,滤波器,VCO,其中,反馈控制向,靠近,直到Wo摆Wi=Wo且符合相位关系时，环路通过快捕 过程锁定,鉴相器输出一个与,相对应的直流电压，,以维持环路锁定,捕捉过程,较大时，Wo的平均 分量向Wi靠近的过程,频率牵引过程,环路用有源滤波器，对鉴相器输出电压中的直流分量有理想积分作用， 无论Wi离多远，环路都能使Wo靠近 Wi并锁定，说明捕捉带有无限宽，捕捉时间也无限长。,实际滤波器不可能有理想的积分作用，环路的

14、捕捉带总是有限的。,捕捉带不仅取决于Ad、Ao的大小，还取决于环路滤波器的频率特性。 Ad、Ao大,即使,较大，环路对鉴相器输出电压有较大的衰减，但还能使Wo在平均值上下有 一定的摆动，因此，环路的捕捉带可加大。,环路滤波器的通频带越宽，带外衰减越慢，环路的捕捉带也越大。同理，捕捉带 还与VCO的频率控制范围有关。只有当VCO的频率控制范围大于捕捉带时，VCO的 影响才可忽略，显然，捕捉带大于快捕带。,三、跟踪特性,1.环路三种传递函数,环路在跟踪过程中e值很小的， 可用线性函数逼近鉴相器的鉴频特性,Ad的单位v/rad,环路方程：,锁相环PLL的闭环传递函数：,P用S代,开环传递函数：,误差

15、传递函数：,环路滤波器的传递函数,简单RC滤波器,理想积分滤波器,无源比例积分滤波器,2、瞬态响应及稳态相位误差,瞬态响应,环路原先锁定，因输入信号频率或相位变化,瞬态响应：描述环路恢复到锁定状态的整个跟踪过程，在这个过程中有相位误差,由起始值趋向稳态值,趋近,是,的拉氏反变换,由拉氏反变换的终值定理求得,简单RC滤波器,若t=0时，输入信号频率变化Wi,响应曲线,当AdAo一定，,取不同值时，,1,稳态相位误差,且出现振荡现象，说明在环路阻尼,时，在跟踪过程中，Wo不是单调向Wi靠近，而是多次 通过Wi才最后趋于锁定。,如果用理想积分滤波器：,可以控制,的瞬态特性。减少 跟踪时间,3.正弦稳

16、态响应,指输入相位为正弦信号时环路的输出响应,均为函数,其复函数,正弦稳态响应是指环路对调相信号中的正弦相位的频率特性。 以此作出波特图，求上限频率指标，并判断其稳定性,简单RC滤波器时，环路的闭环传递函数为,其幅频特性,特性最平坦，相应的上限频率为,闭环幅频特性曲线,第三节 集成锁相环及其应用,一、电路框图,模拟和数字锁相两类，主要由 鉴相器和VCO构成，其中鉴相 器都是由差分对乘积型鉴相器。,工作频率可达500MHZ，VCO采用积分- 施密特触发型振荡器它由电流源轮流地 对电容充电和放电，产生三角波，施密特 将它转换成方波通过放大器控制开关，实 现轮流充电和放电,VCO射极耦合多谐振荡器，

17、限幅器用来 限制环路的直流增益，通过调节限幅电 平来控制直流增益，从而控制同步带。 当用来解调调频信号时，A2为解调电压 输出。,NE554用作调频信号和移频键控解调的器件， 因此输入多了个振幅限幅器，用来消除输入 信号的寄生调幅，输出增加了直流恢复和施密,特触发器，对FSK整形，VCO的输出有TTL和ECL兼容电平。,L562的内部电路,二、琐相环路在解调和锁相接收机中的应用,1.锁相解调电路,调频波锁相解调电路PLL FM Demodulator,若VCO的频率控制特性是线性的,的复数振幅,输出解调电压复数振幅,在调频波锁相解调电路中， 为了不失真解调，环路的捕捉 带宽必须大于输入调频波的

18、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。,振幅调制信号的同步解调电路,琐相环用来恢复同步信号,如采用模拟鉴相器时，VCO 输出电压与输入已调信号的 载波电压之间有/2的想移。,2。锁相接收机,锁定,中频的通频带可以很窄，保证鉴相器输入 端有足够的信噪比,VCO振荡频率中反映多卜勒频移信息,测速系统用来测量卫星速度的数据,锁相环路的带宽很窄，相应的环路 的捕捉带也小，对中心频率有较大 变化的输入信号，靠自身捕捉很困 难。因此，锁相接收机都附有频率 捕捉装置，用来扩大环路的捕捉范 围。,例如，失锁时，频率捕捉装置送出锯齿波扫描电压，加到VCO上，控制VCO 振荡 频率靠近

19、输入信号频率，环路就自动将扫描电压切断，进入正常状态。,三、锁相环在频率合成器中的应用,1。概述,频率合成器（Frequency Synthesis）：,利用一个或多个高稳定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， 这些频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。,直接合成法Direct Synthesis：,用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器等电路通过对晶体振荡器频率进行 四则运算而产生的一系列等间隔的离散频率信号。,特点：频率转换时间短、频率数目少。,间接合成法Indirect Synthesis：,利用锁相环的频率无误差跟踪的特性，由VCO产生一系列与晶体震荡器 （作为环路输入信号）相同准确度和稳定度的离散频率信号。,数字合成法Direct Digital Synthesis：,利用数字直接合成一系列离散频率信号,主要指标：,工作频率范围：由最高最低频率决定,频率间隔，又称分辨率，两个离散频率之间的