第20讲反馈控制电路ppt课件

1、第二十讲第二十讲 反响控制电路反响控制电路20.1 概述概述20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路20.3 自动频率控制电路自动频率控制电路20.4 锁相环路锁相环路反响控制电路反响控制电路20. 概述概述 放大电路、放大电路、 振荡电路、振荡电路、 调制电路和解调电调制电路和解调电路可以组成一个完好的通信系统或其它电子系统路可以组成一个完好的通信系统或其它电子系统, 但是这样组成的系统其性能不一定完善。如但是这样组成的系统其性能不一定完善。如, 调调幅接收机中幅接收机中, 天线上感生的有用信号的强度往往天线上感生的有用信号的强度往往由于电波传播衰落等原因有较大的起伏变化由于电波传播衰落等

2、原因有较大的起伏变化, 导导致放大器输出信号时强时弱；又如致放大器输出信号时强时弱；又如, 在通信系统在通信系统中中, 收发两地的载频应坚持严格同步收发两地的载频应坚持严格同步, 使输出中频使输出中频稳定稳定, 而要做到这一点也比较困难。而要做到这一点也比较困难。 反响控制电路反响控制电路 所以所以, 为了进步通信和电子系统的性能指标为了进步通信和电子系统的性能指标, 或者实现某些特定的要求或者实现某些特定的要求, 必需采用自动控制方必需采用自动控制方式。式。 由此由此, 各品种型的反响控制电路便应运而生各品种型的反响控制电路便应运而生了。了。 根据控制对象参量的不同根据控制对象参量的不同,

3、反响控制电路可反响控制电路可分为以下三类：分为以下三类： 自动增益控制自动增益控制, 自动自动频率控制和自动相位控制。频率控制和自动相位控制。自动相位控制电路又称为锁相环路自动相位控制电路又称为锁相环路, 是应用最广的一种反响控制电路。是应用最广的一种反响控制电路。 反响控制电路反响控制电路反响控制电路的根本原理反响控制电路的根本原理图20-1 反响控制系统组成反响控制电路反响控制电路 比较器的作用是将外加参考信号和比较器的作用是将外加参考信号和反响信号进展比较反响信号进展比较, 输出二者的差值即误输出二者的差值即误差信号差信号, 然后经过控制信号发生器送出控然后经过控制信号发生器送出控制信号

4、制信号, 对可控器件的某一特性进展控制。对可控器件的某一特性进展控制。 对于可控器件对于可控器件, 或者是其输入输出特性受控制信号或者是其输入输出特性受控制信号的控制如可控增益放大器的控制如可控增益放大器, 或者是在或者是在不加输入的情况下不加输入的情况下, 自身输出信号的某一参量受控自身输出信号的某一参量受控制信号的控制如压控振荡器。而反制信号的控制如压控振荡器。而反响网络的作用是在输出信号中提取所需响网络的作用是在输出信号中提取所需要进展比较的分量要进展比较的分量, 并送入比较器。并送入比较器。 反响控制电路反响控制电路 根据输入比较信号参量的不同根据输入比较信号参量的不同, 图中的比较图

5、中的比较器可以是电压比较器、器可以是电压比较器、 频率比较器鉴频器或频率比较器鉴频器或相位比较器鉴相器三种相位比较器鉴相器三种, 所以对应的所以对应的和可以是电压、频率或相位参量。和可以是电压、频率或相位参量。 误差误差信号和控制信号一般是电压。信号和控制信号一般是电压。 可控器件的可控制特性一般是增益或频率可控器件的可控制特性一般是增益或频率, 所以所以输出信号的量纲是电压、频率或相位。输出信号的量纲是电压、频率或相位。 反响控制电路反响控制电路 根据参考信号的不同情况根据参考信号的不同情况, 反响控制电路反响控制电路的工作情况有两种：的工作情况有两种： 参考信号不变参考信号不变, 恒定为恒

6、定为0。假。假定电路已处于稳定状态定电路已处于稳定状态, 输入信号恒输入信号恒定为定为0, 输出信号恒定为输出信号恒定为0, 误差信误差信号恒定为号恒定为0。 现由于输入信号或可控器件自身现由于输入信号或可控器件自身的特性发生变化的特性发生变化, 导致输出信号发生导致输出信号发生变化变化, 产生一个增量产生一个增量, 从而产生一个新的反从而产生一个新的反响信号响信号, 经与恒定的参考信号经与恒定的参考信号0比较比较, 必然使误差信号发生变化必然使误差信号发生变化, 产生一个增量产生一个增量。反响控制电路反响控制电路 误差信号的变化将使可控器件的特性发生误差信号的变化将使可控器件的特性发生变化变

7、化, 从而使变化的方向与原来变化从而使变化的方向与原来变化的方向相反的方向相反, 也就是使也就是使减小。减小。 经过不时地经过不时地循环反响循环反响, 最后环路到达新的稳定状态最后环路到达新的稳定状态, 输出输出趋近于原稳定状态趋近于原稳定状态0。 由此可见由此可见, 反响控制电路在这种工作情况反响控制电路在这种工作情况下下, 可以使输出信号可以使输出信号y(t)稳定在一个预先规定的稳定在一个预先规定的参数上。参数上。 反响控制电路反响控制电路 . 参考信号变化，由于变化参考信号变化，由于变化, 无论输入信无论输入信号或可控器件自身特性有无变化号或可控器件自身特性有无变化, 输出信号一般输出信

8、号一般均要发生变化。从中提取所需分量并经反响后与均要发生变化。从中提取所需分量并经反响后与比较比较, 假如二者变化规律不一致或不满足预先设置的规律假如二者变化规律不一致或不满足预先设置的规律, 那么将那么将产生误差信号产生误差信号, 使使 向减小误差信号的方向变化向减小误差信号的方向变化, 最后使最后使和的变化趋于一致或满足预先设置的规律。和的变化趋于一致或满足预先设置的规律。 由此可见由此可见, 这种反响控制电路可使输出信号这种反响控制电路可使输出信号跟踪参考信号的变化。跟踪参考信号的变化。 反响控制电路反响控制电路 在通信系统中在通信系统中, 由于受发射功率大小、由于受发射功率大小、 收发

9、间隔收发间隔 远近、远近、电波传播衰落等各种因素的影响电波传播衰落等各种因素的影响, 接收机所接收的信号强弱变接收机所接收的信号强弱变化范围很大化范围很大, 信号最强时与最弱时可相差几非常贝。因而信号最强时与最弱时可相差几非常贝。因而, 必需必需采用自动增益控制电路采用自动增益控制电路, 使接收机的增益随输入信号强弱而变使接收机的增益随输入信号强弱而变化。化。20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路反响控制电路反响控制电路20.2.1 工作原理工作原理电路组成框图电路组成框图 自动增益控制电路是一种在输入信号幅值自动增益控制电路是一种在输入信号幅值变化很大的情况下变化很大的情况下, 通过调节

10、可控增益放大器通过调节可控增益放大器的增益的增益, 使输出信号幅值根本恒定或仅在较小使输出信号幅值根本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路。范围内变化的一种电路。 反响控制电路反响控制电路图20-2 AGC系统组成 设输入信号振幅为设输入信号振幅为Ux, 输出信号振幅为输出信号振幅为Uy, 可控增益放大器增益为可控增益放大器增益为guc, 即其是控制即其是控制信号信号uc的函数的函数, 那么有：那么有：Uy=Ag(uc)Ux反响控制电路反响控制电路 比较过程比较过程 在电路里在电路里, 比较参量是信号电平比较参量是信号电平, 所以所以采用电压比较器。反响网络由电平检测器、采用电压比较器。反响网络

11、由电平检测器、 低通低通滤波器和直流放大器组成。滤波器和直流放大器组成。 反响网络检测出输出反响网络检测出输出信号振幅电平平均电平或峰值电平信号振幅电平平均电平或峰值电平, 滤去不滤去不需要的较高频率分量需要的较高频率分量, 然后进展适当放大后与恒然后进展适当放大后与恒定的参考电平定的参考电平UR比较比较, 产生一个误差信号。产生一个误差信号。 控制控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节信号发生器在这里可看作是一个比例环节, 增益增益为为1。 假设假设Ux减小而使减小而使Uy减小时减小时, 环路产生的环路产生的控制信号控制信号uc将使增益将使增益g增大增大, 从而使从而使Uy趋于增大。趋于增

12、大。假设假设Ux增大而使增大而使Uy增大时增大时, 环路产生的控制信号环路产生的控制信号uc将使增益将使增益g减小减小, 从而使从而使Uy趋于减小。无论何趋于减小。无论何种情况种情况, 通过环路不时地循环反响通过环路不时地循环反响, 都应该使输出都应该使输出信号振幅信号振幅Uy坚持根本不变或仅在较小范围内变化。坚持根本不变或仅在较小范围内变化。 反响控制电路反响控制电路反响控制电路反响控制电路 滤波器的作用滤波器的作用 环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路应具有低通传输特性环路应具有低通传输特性, 这样才干保证仅对信这样才干保证仅对信号电平的缓慢变化有控

13、制作用。尤其当输入为号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时调幅信号时, 为了使调幅波的有用幅值变化不会为了使调幅波的有用幅值变化不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消此现被自动增益控制电路的控制作用所抵消此现象称为反调制象称为反调制, 必需恰中选择环路的频率响应必需恰中选择环路的频率响应特性特性, 使对高于某一频率的调制信号的变化无响使对高于某一频率的调制信号的变化无响应应, 而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。 反响控制电路反响控制电路 控制过程说明控制过程说明

14、 设输出信号振幅设输出信号振幅Uy与控制电压与控制电压uc的关系为的关系为: Uy=Uy0+kcuc=Uy0+Uy 又有又有: Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx 其中其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc 又有又有 Uy0=Ag(0)Ux0反响控制电路反响控制电路 式中的式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出是控制信号为零时所对应的输出信号振幅信号振幅, Ux0和和g是相应的输入信号振是相应的输入信号振幅和放大器增益幅和放大器增益, c和皆为常数。和皆为常数。 假设低通滤波器对于直流信号的传送函数为假设低通滤波器对于直流信号的传送函数为, 当误差信号当误差信号ue时时, 写

15、出写出UR和和Uy0、x0之间的关系之间的关系: UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0 当输入信号振幅当输入信号振幅UxUx0且坚持恒定时且坚持恒定时, 环环路经自身调节后到达新的平衡状态路经自身调节后到达新的平衡状态, 这时的误差这时的误差电压电压反响控制电路反响控制电路 u e=kb(R-k2k3y) 又又 U y=Ag()+kck1u eUx 从以上两式可知从以上两式可知, u e0, 否那么将有否那么将有Ux=Ux0, 与条件不符合。同时也说明与条件不符合。同时也说明U yy0, 即电路是有电平误差的控制电路。即电路是有电平误差的控制电路。式中，式中，k2、k3和和kb均为比

16、例系数。均为比例系数。反响控制电路反响控制电路20.3 自动频率控制电路自动频率控制电路 20.3.1 工作原理工作原理 自动频率控制电路由频率比较自动频率控制电路由频率比较器、器、 低通滤波器和可控频率器件三部分组成。低通滤波器和可控频率器件三部分组成。 图20-3 AFC控制系统组成反响控制电路反响控制电路 电路的控制参量是频率。频率比较电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种器通常有两种, 一种是鉴频器一种是鉴频器, 另一种是混频另一种是混频鉴频器。在前一种情况鉴频器。在前一种情况, 鉴频器的中心角频率鉴频器的中心角频率0起参考信号起参考信号r的作用。在后一种情况的作用。在后一种情况,

17、 本振本振信号信号(角频率为角频率为L)先与输出信号先与输出信号(角频率为角频率为y)进展混频进展混频, 然后再进展鉴频。然后再进展鉴频。 参考信号参考信号r=0+L。反响控制电路反响控制电路 频率比较器输出的误差信号频率比较器输出的误差信号ue是电压信号是电压信号, 送入低通滤送入低通滤波器后取出缓变控制信号波器后取出缓变控制信号uc。可控频率器件通常是压控振荡。可控频率器件通常是压控振荡器器, 其输出振荡角频率可写成其输出振荡角频率可写成: y(t)=y0+kcuc(t) 其中其中y0是控制信号是控制信号uc (t)=0时的振荡角频率时的振荡角频率, 称为称为的固有振荡角频率的固有振荡角频

18、率, c是压控灵敏度。是压控灵敏度。 反响控制电路反响控制电路 当频率比较器是鉴频器时当频率比较器是鉴频器时, 输出误差电压为：输出误差电压为： ue=kb(0-y)=kb(r-y) 假设输出信号角频率假设输出信号角频率y与鉴频器中心角频率与鉴频器中心角频率0不相等时不相等时,误差电压误差电压ue, 经低通滤波器后送经低通滤波器后送出控制电压出控制电压uc, 调节的振荡角频率调节的振荡角频率, 使之稳使之稳定在定在0上。上。kb是鉴频灵敏度。是鉴频灵敏度。 当频率比较器是混频当频率比较器是混频鉴频器时鉴频器时, 其中混频其中混频器输出差频器输出差频d=y-L, 而鉴频器输出误差电压为而鉴频器输

19、出误差电压为: ue=kb(0-d)=kb(0+L)-y=kb(r-y) 反响控制电路反响控制电路 这时这时, L可以看成是输入信号角频率可以看成是输入信号角频率i, 而输出信号角频而输出信号角频率率y跟随跟随i变化变化, 从而实现了频率跟踪。从而实现了频率跟踪。 鉴频器和压控振荡器均是非线性器件鉴频器和压控振荡器均是非线性器件, 但在一定条件下但在一定条件下, 可工可工作在近似线性状态作在近似线性状态, 那么那么p与与c均可视为常数。均可视为常数。 假设差频假设差频d与与0不相等时不相等时, 误差电压误差电压ue0, 经低通滤波器后经低通滤波器后送出控制电压送出控制电压uc, 调节的振荡角频

20、率调节的振荡角频率y, 使之与使之与L的差值的差值d稳定在稳定在0上。假设上。假设L是变化的是变化的, 那么那么y将跟随将跟随L变化变化, 坚持坚持其差频其差频d根本不变。根本不变。 反响控制电路反响控制电路20.4 锁相环路锁相环路 电路有剩余频率误差存在电路有剩余频率误差存在, 即频差不即频差不可能为零。这是一个不可抑制的缺点。可能为零。这是一个不可抑制的缺点。 锁相环路也是一种以消除频率误差为目的锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反响控制电路。但它的根本原理是利用相位的反响控制电路。但它的根本原理是利用相位误差电压去消除频率误差误差电压去消除频率误差, 所以当电路到达平所以当电路到达

21、平衡状态之后衡状态之后, 虽然有剩余相位误差存在虽然有剩余相位误差存在, 但频率但频率误差可以降低到零误差可以降低到零, 从而实现无频差的频率跟从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。踪和相位跟踪。反响控制电路反响控制电路 20.4.1根本原理根本原理 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。被控参量是相位。振荡器三部分组成。被控参量是相位。 设旋转矢量设旋转矢量 和和 分别表示鉴相器输入参考分别表示鉴相器输入参考信号信号ui和压控振荡器输出信号和压控振荡器输出信号uy, 它它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为i、y和和i、 y。显然。显然, 只要当只要当两个旋转矢量以一样角速度即两个旋转矢量以一样角速