第5章_反馈控制电路15-04-27

1、第五章：反馈控制电路第五章：反馈控制电路 邓邓 钢钢GG综述综述( (一一) )反馈控制电路可在系统受到扰动时，反馈控制电路可在系统受到扰动时，通过反馈控制作用使系统的通过反馈控制作用使系统的某个参数某个参数达到所需的精度，或者按照一定的规达到所需的精度，或者按照一定的规律变化律变化0( )ixf x预先设定预先设定控制过程简控制过程简述：述：参考信号不变，输出信号发生变化参考信号不变，输出信号发生变化参考信号发生变化参考信号发生变化综述综述( (二二) )根据需要比较和调节的参数不同，可根据需要比较和调节的参数不同，可对反馈控制电路进行分类：对反馈控制电路进行分类：AGCAGCAFCAFCA

2、PC(PLL)APC(PLL)反馈控制系统的特点：反馈控制系统的特点：自动进行误差自动进行误差检测和调整检测和调整系统根据误差系统根据误差信号的变化而信号的变化而进行调整，不进行调整，不管误差信号由管误差信号由何种原因产生何种原因产生存在剩余误差存在剩余误差基本工作原理基本工作原理( (一一) )基本作用是减小因各种因素引起的系基本作用是减小因各种因素引起的系统输出信号电平的变化范围，以维持统输出信号电平的变化范围，以维持整机输出稳定整机输出稳定在输入信号幅值变化很大的情况下，在输入信号幅值变化很大的情况下，通过调节可控增益放大器的增益，使通过调节可控增益放大器的增益，使输出信号幅值输出信号幅

3、值( (电平电平) )基本恒定或仅在基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路较小范围内变化的一种电路电路结电路结构及反构及反馈控制馈控制过程过程基本工作原理基本工作原理( (二二) )低通滤波器的作用：低通滤波器的作用：滤除调制信号滤除调制信号反调制反调制AGCAGC电路的输入输出电路的输入输出量及其关系量及其关系omrVKv静态误差的产生静态误差的产生00( )cos( )cosiimmv tVtv tVt022( )( )( )( ,)mimeVAVAv自动电平控制电路的类型自动电平控制电路的类型简单简单AGCAGC电路：电路：0rv 优点：电路简单优点：电路简单缺点：对微弱信缺点：对微弱信

4、号的接收不利号的接收不利延迟延迟AGCAGC电路：电路：0rv 不同输入信号强不同输入信号强度时电路的工作度时电路的工作状态状态自动电平控制电路的应用自动电平控制电路的应用自动频率控制电路的原理自动频率控制电路的原理可使用自动频率控制的方法来稳定振可使用自动频率控制的方法来稳定振荡频率。例如在高质量的接收机中，荡频率。例如在高质量的接收机中，采用采用AFCAFC电路对本地振荡器的频率进电路对本地振荡器的频率进行自动调节，使混频所得差频较精确行自动调节，使混频所得差频较精确地等于固定中频，从而提高接收机的地等于固定中频，从而提高接收机的灵敏度灵敏度电路电路结构结构及工及工作过作过程程锁相环的特点

5、锁相环的特点是一种相位反馈控制系统，能使是一种相位反馈控制系统，能使受控振荡器的频率和相位均与输受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定的关系入信号保持确定的关系可分为模拟锁相环和数字锁相环。可分为模拟锁相环和数字锁相环。模拟锁相环的特征是鉴相器输出模拟锁相环的特征是鉴相器输出的误差信号是连续的，对环路输的误差信号是连续的，对环路输出信号的调节也是连续的出信号的调节也是连续的锁相环的构成锁相环的构成( (一一) )鉴相器鉴相器(PD)(PD)实质上是个相实质上是个相位位- -电压变换电压变换器器()devf锁相环的构成锁相环的构成( (二二) )压控振荡器压控振荡器(VCO)(VCO)实质上

6、是个电实质上是个电压压- -频率变换频率变换器器()ocf v在一定控制电压范围内可在一定控制电压范围内可近似用线性函数表示压控近似用线性函数表示压控特性：特性：0orcA v ：压控振荡器的固有角：压控振荡器的固有角频率频率r ：压控振荡器的控制灵：压控振荡器的控制灵敏度敏度( (增益系数增益系数) )0A0000( )( )( )tccv ttAv t dtAp锁相环的构成锁相环的构成( (三三) )环路滤波器环路滤波器(LPF)(LPF)还可使锁相环获得还可使锁相环获得所需的带宽和增益，所需的带宽和增益，改善环路的性能以改善环路的性能以适应对锁相环多种适应对锁相环多种应用的需要应用的需要

7、严格来说：严格来说：( )( )*( )cdv th tv t在锁相环的分析中，在锁相环的分析中，习惯使用微分算子的习惯使用微分算子的函数来表示函数来表示 和和 的关系，即：的关系，即：( )( )( )cFdv tAp v t( )cv t( )dv t可滤除鉴相器输出可滤除鉴相器输出中包含鉴相输入信中包含鉴相输入信号频率在内的高频号频率在内的高频分量，提高环路的分量，提高环路的抗干扰能力抗干扰能力锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理( (一一) )环路锁定状环路锁定状态时的情况态时的情况0( )( )( )ioettt dt()ioif00( )0,( )( )ettt dt 即当加到

8、鉴相器上两个信号的频率相等即当加到鉴相器上两个信号的频率相等时，其瞬时相位差是一个常数时，其瞬时相位差是一个常数( )eift常数( )0,oit 即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位差为常数时，其频率必然相等差为常数时，其频率必然相等锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理( (二二) )0( )( )ett dt当输入输出频当输入输出频率不等时，由率不等时，由锁相环与锁相环与AFCAFC均利用误差信号的反馈作均利用误差信号的反馈作用来控制用来控制VCOVCO的振荡频率，根本差别在的振荡频率，根本差别在于：于：可知，可知，VCOVCO的电的电压将不断改变，压将

9、不断改变，直至锁定直至锁定锁相环路中的比较器为鉴相器，环路锁锁相环路中的比较器为鉴相器，环路锁定时存在剩余相差，不存在剩余频差定时存在剩余相差，不存在剩余频差AFCAFC中的比较器为鉴频器，环路锁定时存中的比较器为鉴频器，环路锁定时存在剩余频差在剩余频差锁相环的数学模型锁相环的数学模型0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt推导可得锁相环路的基本方程为：推导可得锁相环路的基本方程为：环路的锁定状态环路的锁定状态( (一一) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt( )( )( )eeeiodtpttdt 0( )sin( )dFeA A Ap

10、t( )oort( )( )iiirptt 环路锁定过程简述环路锁定过程简述锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频，锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频，但存在稳态相位误差但存在稳态相位误差VCOVCO振荡角频率偏离输入信号振荡角频率偏离输入信号角频率的值，称为角频率的值，称为瞬时角频差瞬时角频差闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起的输出角频率的变化，称为的输出角频率的变化，称为控制角频差控制角频差输入信号角频率偏离输入信号角频率偏离 的数值，称为环路的数值，称为环路的输入固有角频差，又称为的输入固有角频差，又称为开环角频差开环角频差r环路的锁定状态环路的锁定

11、状态( (二二) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt当环路锁定时，有：当环路锁定时，有：0(0)sindFeiA A A 00sinarcsinarcsin(0)iiedFA A AA无环路滤波器的锁相环称为一阶锁相环，无环路滤波器的锁相环称为一阶锁相环，此时有：此时有：环路的锁定状态：例一环路的锁定状态：例一3sindevV设设PDPD的特性为：的特性为：VCOVCO的特性为：的特性为：33(299 10210)/odvrad s求输入角频率分别为求输入角频率分别为 时的稳态相差时的稳态相差555210 ,21.01 10 ,21.03 10解：解：3299

12、10r53111210210iiir 311302101arcsinarcsinarcsin3 2103iedA A同理可同理可得：得：22arcsin3e34arcsin3e故最后一种故最后一种情况下环路情况下环路不能锁定不能锁定环路的锁定状态：例二环路的锁定状态：例二解：解：已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相器的器的 ；VCOVCO的的 ，自由振荡频，自由振荡频率率 。问当输入频率分别为。问当输入频率分别为 和和 的正弦信号时，环路能否锁定？的正弦信号时，环路能否锁定？若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的控制电压多大

13、？控制电压多大？2dAV020/AkHz V1rMHz0.98MHz1.05MHz(0.98)iifMHz0.02iMHz 611300.02 101arcsinarcsinarcsin2 20 1026iedA A 1sin2 sin()16cdevAV (1.05)iifMHz00.05idMHzA A 故环路不能锁定故环路不能锁定环路的锁定状态环路的锁定状态( (三三) )假设环路已处于锁定状态，然后缓慢假设环路已处于锁定状态，然后缓慢地改变输入信号频率，能够继续维持地改变输入信号频率，能够继续维持环路锁定所允许的最大输入固有角频环路锁定所允许的最大输入固有角频差差 的的2 2倍，称为锁

14、相环的倍，称为锁相环的同步带或同步带或跟踪带跟踪带，用，用 表示表示im2H故要增大锁相环的同步带，必须提高故要增大锁相环的同步带，必须提高其直流总增益其直流总增益使用正弦型鉴相器时使用正弦型鉴相器时0HA 同步带主要受到同步带主要受到VCOVCO最大频率控制范最大频率控制范围的限制围的限制0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt一阶环路的平衡点一阶环路的平衡点0()idifA A在在A A、B B两点时：两点时：A A、B B两点的区别两点的区别0( )sin( )edeidtA Atdt 0sin( )()eedeiedA Atfdt 002arcsin(21)ar

15、csinieAdieBdnA AnA A0e一阶环路的捕捉过程一阶环路的捕捉过程捕捉是指锁相环路从失锁状态进入到捕捉是指锁相环路从失锁状态进入到锁定状态的过程锁定状态的过程捕捉时间捕捉时间捕捉带捕捉带 ：环路由失锁到环路由失锁到锁定所允许的锁定所允许的最大固有角频最大固有角频差差( (或固有频或固有频差差) )2p 的含义的含义0对于一阶环路对于一阶环路来说，其捕捉来说，其捕捉带与同步带相带与同步带相等等一阶环路的差拍状态一阶环路的差拍状态0()idifA A差拍状态的含义差拍状态的含义*0000011sin()teedeetdtddA Af 0( )sin( )edeidtA Atdt 01

16、sin1()edeieedtdA Adf一阶环路的频率牵引一阶环路的频率牵引差拍状态状态下差拍状态状态下尽管环路不能锁尽管环路不能锁定，但却能使压定，但却能使压控振荡器的频率控振荡器的频率向着缩小频差方向着缩小频差方向牵引，即向着向牵引，即向着锁定方向牵引锁定方向牵引牵引作用随着牵引作用随着 的增大而减弱的增大而减弱0一阶锁相环的频一阶锁相环的频率牵引特性率牵引特性环路的跟踪过程环路的跟踪过程环路锁定时，输入信号频率与输出信号频环路锁定时，输入信号频率与输出信号频率相同，但两者之间有一稳态相差率相同，但两者之间有一稳态相差e跟踪的定义跟踪的定义锁定状态：相对于频率和相位固定的输入锁定状态：相对

17、于频率和相位固定的输入信号而言信号而言跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入信号而言信号而言当输入信号的频率和相位改变时，只要相当输入信号的频率和相位改变时，只要相位变化不超过一定的范围，通过环路的作位变化不超过一定的范围，通过环路的作用，压控振荡器输出的频率和相位也会以用，压控振荡器输出的频率和相位也会以同样规律随之变化，不断地跟踪输入信号同样规律随之变化，不断地跟踪输入信号频率和相位的变化，这种情况称为环路处频率和相位的变化，这种情况称为环路处于跟踪状态于跟踪状态锁相环的重要特性锁相环的重要特性环路在锁定状态时无剩余频差存在环路在锁定状态时无剩余频差存在是

18、一个理想的频率控制系统是一个理想的频率控制系统输出信号频率可以精确地跟踪输入信号的输出信号频率可以精确地跟踪输入信号的变化。环路锁定后，输入信号和输出信号变化。环路锁定后，输入信号和输出信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益的办法被控制在所需数值范围之内益的办法被控制在所需数值范围之内对干扰来说，相当于一个窄带高频带通滤对干扰来说，相当于一个窄带高频带通滤波器波器良好的跟踪特性良好的跟踪特性良好的窄带滤波特性良好的窄带滤波特性在调制指数相同时要低于普通鉴频器在调制指数相同时要低于普通鉴频器良好的门限特性良好的门限特性易于集成化易于集成化锁相调频电路锁相调

19、频电路对调频波的基本要求：中心频率足够稳定，对调频波的基本要求：中心频率足够稳定，频偏足够宽频偏足够宽由于中心频率的漂移为慢变化，而调制信由于中心频率的漂移为慢变化，而调制信号频率较高，若低通滤波器的通带能够滤号频率较高，若低通滤波器的通带能够滤除调制信号的频谱，则可实现要求除调制信号的频谱，则可实现要求VCOVCO的振荡频率同时受输入调制信号和反的振荡频率同时受输入调制信号和反映映VCOVCO中心频率漂移的电压中心频率漂移的电压 控制控制( )cv t锁相鉴频电路锁相鉴频电路要求要求LPFLPF在调制信号的有效频谱范围内有在调制信号的有效频谱范围内有平坦的幅频特性和相频特性平坦的幅频特性和相频特性注意对注意对VCOVCO和和LPFLPF的要求的要求00( )rcA v t若环路带宽设计得足够宽，则环路锁定时若环路带宽设计得足够宽，则环路锁定时VCOVCO能够能够跟踪跟踪输入调频波中反映调制规律输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，此时变化的瞬时频率，此时VC