模拟系统第八章(改)

1、第八章第八章 反馈控制系统反馈控制系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 自动增益控制自动增益控制（AGCAGC）电路电路第三节第三节 自动频率控制自动频率控制（AFCAFC）电路电路第四节第四节 模拟锁相环路（模拟锁相环路（APLLAPLL）第五节第五节 APLLAPLL电路及应用电路及应用第六节第六节 数字锁相环路数字锁相环路（DPLLDPLL）第一节第一节 概述概述参考参考信号信号Xr(t)比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控器件可控器件反馈网络反馈网络反馈反馈信号信号Xf(t)误差误差信号信号Xd(t)控制控制信号信号Xc(t)输入输入信号信号Xi(t)输出输出信号信号X0(t

2、)由由比较器、控制信号发生器、可控器件比较器、控制信号发生器、可控器件和和反馈网络反馈网络四部分构成。四部分构成。（一）、反馈控制系统的构成：（一）、反馈控制系统的构成：（二）、各部分的功能（二）、各部分的功能 比较器比较器将反馈信号将反馈信号X Xf f(t)(t)与参考信号与参考信号X Xr r(t)(t)比较后产生误比较后产生误差信号差信号X Xd d (t) (t)。控制信号发生器控制信号发生器 在误差信号在误差信号X Xe e(t)(t)的作用下产生控制信号的作用下产生控制信号X Xc c(t)(t)，以对可控器件的某一特性进行控制。以对可控器件的某一特性进行控制。可控器件可控器件

3、受控于控制信号受控于控制信号X Xc c(t),(t),对输出信号对输出信号X X0 0(t)(t)进行进行调节。调节。反馈网络反馈网络 从输出信号从输出信号X X0 0(t)(t)中提取需比较的分量馈送至比中提取需比较的分量馈送至比较器。较器。（三）、反馈控制电路的分类（三）、反馈控制电路的分类 据反馈控制的对象分为：据反馈控制的对象分为：自动增益控制（自动增益控制（AGC） 用于稳定输出信号电压的幅度用于稳定输出信号电压的幅度。自动频率控制（自动频率控制（AFC） 用于控制目标信号的频率，使其与通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。道中心频率一致，以获得谐频增益

4、。 自动相位控制（自动相位控制（APC） 用于实现振荡信号与目标信号的频率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：据环路内部是模拟电路还是数字电路可细分为： 模锁相环（模锁相环（APLL） 数字锁相环（数字锁相环（DPLL）。）。第二节第二节 自动增益控制电路自动增益控制电路电压电压比较器比较器可控增益可控增益放大器放大器控制信号控制信号发生器发生器电平电平检测器检测器低通低通滤波器滤波器直流直流放大器放大器URuducUoui反馈网络反馈网络一、一、AGCAGC电路的组成框图：电路的组成框图：比

5、较参量比较参量为电压为电压第三节第三节 自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）电路）电路 目的目的：稳定振荡频率。：稳定振荡频率。一、一、AFC电路工作原理：电路工作原理：1.电路组成电路组成:频率比较器频率比较器Kd低通滤波器低通滤波器F(S)可控频率器件可控频率器件Ko r r(S)uc(t)Uc(S)Ud(S)ud(t) v v(S)电路组成框图电路组成框图ui(t)结果：稳定输出频率。结果：稳定输出频率。第四节模拟锁相环路（第四节模拟锁相环路（APLAPL） 锁相环路的功能锁相环路的功能：实现频率同步（频差为实现频率同步（频差为 0）和相位跟踪（相差为一很小的常数）。）和相位跟踪（

6、相差为一很小的常数）。锁相技术锁相技术：是一种从噪声中主动捕捉目标信号的技术。：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；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；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。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：信号和噪声有本质区别：一、模拟锁相环路的构成一、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：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调节VCO实现频率同步和相位

7、锁定。实现频率同步和相位锁定。LF：传递相位误差信息，滤除：传递相位误差信息，滤除PD输出的高次谐波分量和噪声，输出的高次谐波分量和噪声，输出控制电压。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。：在控制电压的的作用下，实现频率同步和相位锁定。（一）（一）APLL的构成（如图）：的构成（如图）：鉴相器鉴相器PD环路滤波器环路滤波器LF压控振荡器压控振荡器VCO目标信号目标信号u(t)ud(t)uc(t)u0(t)输出输出各部分的功能各部分的功能：二、模拟锁相环路的工作原理二、模拟锁相环路的工作原理用旋转矢量说明：用旋转矢量说明： S o e(t)(a) o= S e S

8、(b)旋转矢量旋转矢量-目标信号目标信号；旋转矢量旋转矢量-vco信号信号。捕捉前：捕捉前： So两矢量间相位差两矢量间相位差 e(t)随时间随时间t增长。图（增长。图（a）锁定后：锁定后： o为为 o， o= S两矢量间相位差两矢量间相位差 e 为常数。图（为常数。图（b） S o e(t)(C)锁定后锁定后:当当目标信号频率目标信号频率 S（t）变动时，）变动时，VCO频率频率 e(t) 随之变随之变动，实现了跟踪。见图动，实现了跟踪。见图(C)Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)将上述三个基本环路部件的数学模型按环路链接，即得到将上述三个基

9、本环路部件的数学模型按环路链接，即得到APLL的数学模型：的数学模型：结论：结论：（1）PLL是一个相位反馈系统。是一个相位反馈系统。（2）F(p)、Ko在较大变化范围内可近似认为是线性，但在较大变化范围内可近似认为是线性，但PD的传输特性是非线性的，则的传输特性是非线性的，则PLL系统是非线性系统系统是非线性系统。三、三、APLL环路的数学模型环路的数学模型四、模拟锁相环路的基本方程和锁定概念四、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：（一）模拟锁相环路的基本方程：由数学模型可得：由数学模型可得：PKpFtSinUtoed)()()(2则环路输入相位和输出相位之间都存在

10、着动态平衡关系。则环路输入相位和输出相位之间都存在着动态平衡关系。)()()()()()(12tPKpFtSinUtttoedee此式是此式是APLL的的动态相位动态相位平衡方程。平衡方程。即：即：Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)通常称鉴相特性通常称鉴相特性 e(t)0时的斜率为时的斜率为PD的增益函数的增益函数KddtedteddUtCOSUtdtduKee0)(0)()()()()()()()(1tppFtSinKKtpeode此式是此式是APLL的的动态频率平衡动态频率平衡方程方程。)()()()()()(12tPKpFtSinUttt

11、oedee将上式两端微分后得：将上式两端微分后得：（三）模拟锁相环路的锁定特征（三）模拟锁相环路的锁定特征（ 1 ）锁定后：）锁定后：由于瞬时频率误差为由于瞬时频率误差为0；则则 V= S，即，即VCO信号与目标信号频率同步（输入与输出同步）信号与目标信号频率同步（输入与输出同步）。（2）锁定后：）锁定后：eettLim)(常数。常数。 e -APLL剩余相位误差。剩余相位误差。（3）锁定后：）锁定后：由于由于 e =常数；常数；)0(sin)(LimtdeddUUtu)0()0()(LimCedctUSinUFtuF(0)-LF的直流传输函数。的直流传输函数。0)(tpe即即ud(t)、uc

12、(t)均与时间无关，即成为直流电压。均与时间无关，即成为直流电压。Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)(4)锁定后：锁定后：VedSinFKK)0(0VVdVeKarcSinFKKarcSin)0(0KV-APPL的环路锁定增益。的环路锁定增益。显见，显见，KV 或或V e ，而而 e 越小，跟踪效果越好。越小，跟踪效果越好。VeodepFtSinKKtp)()()(固有频差固有频差为有限制为有限制五、模拟锁相环路两种调节过程五、模拟锁相环路两种调节过程（一）跟踪过程：（一）跟踪过程：环路锁定后：环路锁定后：若输入信号频率发生变化，而使瞬时相位变

13、化若输入信号频率发生变化，而使瞬时相位变化产生控制电产生控制电压压控制控制VCO，跟踪输入信号频率，跟踪输入信号频率再次锁定。再次锁定。对锁定的对锁定的APLL，锁定的动态平衡有一定极限。，锁定的动态平衡有一定极限。同步带：同步带：把在环路锁定状态下，能维持锁定所允许的最大固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有频差的 2 2 倍称为倍称为跟踪带或同步带。跟踪带或同步带。（用（用H H表示表示）。）。:;)0(0时增大到当可知由VVVVVdVeKKarcSinFKKarcSin能维持锁定所允许的最大固有频差能维持锁定所允许的最大固有频差Vmax=KV；H= Vmax= KV=

14、KdKoF(0) 据跟踪带定义为：据跟踪带定义为：上式无解，即环路不存在锁定的上式无解，即环路不存在锁定的 e ,；（二）环路的捕捉过程（二）环路的捕捉过程环路失锁时：环路失锁时：VCO与目标信号频率间存在频差与目标信号频率间存在频差V= S- V ，1）若）若V很小：很小：ud(t)=sin e (t)频率较低容易通过频率较低容易通过LF，产生控制，产生控制电压电压uc(t)，VOC输出一调频波输出一调频波 V(t)在在 0(t)上下摆动。由于上下摆动。由于V很小，很容易摆动到很小，很容易摆动到 s，使环路进入锁定状态。，使环路进入锁定状态。-环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程

15、2 2）若）若V V过大：过大：u ud d(t)(t)频率较频率较大大不能通过不能通过LFLF，产生不了控制电，产生不了控制电压压u uc c(t)(t)，环路无法捕捉到，环路无法捕捉到 S S、一直处于失锁。、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VmaxVmax, , 称为称为捕捉带捕捉带（用（用p p表示）。表示）。（五）数字频率合成系统（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。域已得到广泛应用。具其组成原

16、理，可分为两类：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以滤波器为主的直接频率合成技术2.锁相频率合成技术锁相频率合成技术数字频率合成器的优点：数字频率合成器的优点：体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。1.单环数字频率合成器单环数字频率合成器:组成框图如图：组成框图如图：晶振晶振1/NVCO LF PD设要求移动电台频道识别能力为设要求移动电台频道识别能力为100Hz，则基准频率，则基准频率fr和鉴和鉴相器的工作频率取为相器的工作频率取为100Hz；VCO输出频率输出频率f0为为3 3.9999MHz，求可变分频器的分频系数，求可变分频器的分频系数N。所以：所以：N= f0/ fr=（ 3 3.9999 ） 106/100=30000 39999由由f0=Nfr可知，改变分频系数可知，改变分频系数N可改变输出频率可改变输出频率f0。frf0f0频道间隔频道间隔 f0（亦称步长）为（亦称步长）为fr = 100Hz因为环路所定后：因为环路所定后：f0/ N= fr本章小结本章小结1. 反馈系统的构成及分类反馈系统的构成及分类2. AGC电路的构成、原理、类型（简单、延迟