反馈控制电路

反馈控制电路第一页，共三十页，2022年，8月28日20.１概述放大电路、振荡电路、调制电路和解调电路可以组成一个完整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,调幅接收机中,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,导致放大器输出信号时强时弱；又如,在通信系统中,收发两地的载频应保持严格同步,使输出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。反馈控制电路第二页，共三十页，2022年，8月28日所以,为了提高通信和电子系统的性能指标,或者实现某些特定的要求,必须采用自动控制方式。由此,各种类型的反馈控制电路便应运而生了。根据控制对象参量的不同,反馈控制电路可分为以下三类：自动增益控制（ＡＧＣ）,自动频率控制（ＡＦＣ）和自动相位控制（ＡＰＣ）。自动相位控制电路又称为锁相环路（ＰＬＬ）,是应用最广的一种反馈控制电路。反馈控制电路第三页，共三十页，2022年，8月28日反馈控制电路的基本原理图20-1反馈控制系统组成反馈控制电路第四页，共三十页，2022年，8月28日比较器的作用是将外加参考信号ｒ（ｔ）和反馈信号ｆ（ｔ）进行比较,输出二者的差值即误差信号ｅ（ｔ）,然后经过控制信号发生器送出控制信号ｃ（ｔ）,对可控器件的某一特性进行控制。对于可控器件,或者是其输入输出特性受控制信号ｃ（ｔ）的控制（如可控增益放大器）,或者是在不加输入的情况下,本身输出信号的某一参量受控制信号ｃ（ｔ）的控制（如压控振荡器）。而反馈网络的作用是在输出信号ｙ（ｔ）中提取所需要进行比较的分量,并送入比较器。反馈控制电路第五页，共三十页，2022年，8月28日根据输入比较信号参量的不同,图中的比较器可以是电压比较器、频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）三种,所以对应的ｒ（ｔ）和ｆ（ｔ）可以是电压、频率或相位参量。误差信号ｅ（ｔ）和控制信号ｃ（ｔ）一般是电压。可控器件的可控制特性一般是增益或频率,所以输出信号ｙ（ｔ）的量纲是电压、频率或相位。反馈控制电路第六页，共三十页，2022年，8月28日根据参考信号的不同状况,反馈控制电路的工作情况有两种：１参考信号ｒ（ｔ）不变,恒定为ｒ0。假定电路已处于稳定状态,输入信号ｘ（ｔ）恒定为ｘ0,输出信号ｙ（ｔ）恒定为ｙ0,误差信号恒定为ｅ0。现由于输入信号ｘ（ｔ）或可控器件本身的特性发生变化,导致输出信号ｙ（ｔ）发生变化,产生一个增量Δｙ,从而产生一个新的反馈信号ｆ（ｔ）,经与恒定的参考信号ｒ0比较,必然使误差信号发生变化,产生一个增量Δｅ。反馈控制电路第七页，共三十页，2022年，8月28日误差信号的变化将使可控器件的特性发生变化,从而使ｙ（ｔ）变化的方向与原来变化的方向相反,也就是使Δｙ减小。经过不断地循环反馈,最后环路达到新的稳定状态,输出ｙ（ｔ）趋近于原稳定状态ｙ0。由此可见,反馈控制电路在这种工作情况下,可以使输出信号y(t)稳定在一个预先规定的参数上。反馈控制电路第八页，共三十页，2022年，8月28日

２.参考信号ｒ（ｔ）变化，由于ｒ（ｔ）变化,无论输入信号ｘ（ｔ）或可控器件本身特性有无变化,输出信号ｙ（ｔ）一般均要发生变化。从ｙ（ｔ）中提取所需分量并经反馈后与ｒ（ｔ）比较,如果二者变化规律不一致或不满足预先设置的规律,则将产生误差信号,使ｙ（ｔ）向减小误差信号的方向变化,最后使ｙ（ｔ）和ｒ（ｔ）的变化趋于一致或满足预先设置的规律。由此可见,这种反馈控制电路可使输出信号ｙ（ｔ）跟踪参考信号ｒ（ｔ）的变化。反馈控制电路第九页，共三十页，2022年，8月28日

在通信系统中,由于受发射功率大小、收发距离远近、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化范围很大,信号最强时与最弱时可相差几十分贝。因此,必须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化。20.2自动增益控制电路反馈控制电路第十页，共三十页，2022年，8月28日20.2.1工作原理１电路组成框图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,通过调节可控增益放大器的增益,使输出信号幅值基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路。反馈控制电路第十一页，共三十页，2022年，8月28日图20-2AGC系统组成第十二页，共三十页，2022年，8月28日设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为Ａg（uc）,即其是控制信号uc的函数,则有：Uy=Ag(uc)Ux反馈控制电路第十三页，共三十页，2022年，8月28日２比较过程在ＡＧＣ电路里,比较参量是信号电平,所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。反馈网络检测出输出信号振幅电平（平均电平或峰值电平）,滤去不需要的较高频率分量,然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较,产生一个误差信号。控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节,增益为ｋ1。若Ux减小而使Uy减小时,环路产生的控制信号uc将使增益Ａg增大,从而使Uy趋于增大。若Ux增大而使Uy增大时,环路产生的控制信号uc将使增益Ａg减小,从而使Uy趋于减小。无论何种情况,通过环路不断地循环反馈,都应该使输出信号振幅Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。反馈控制电路第十四页，共三十页，2022年，8月28日反馈控制电路第十五页，共三十页，2022年，8月28日３滤波器的作用环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路应具有低通传输特性,这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时,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（此现象称为反调制）,必须恰当选择环路的频率响应特性,使对高于某一频率的调制信号的变化无响应,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。反馈控制电路第十六页，共三十页，2022年，8月28日４控制过程说明设输出信号振幅Uy与控制电压uc的关系为:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy

又有:Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux

其中Ag(uc)=Ag(0)+kguc

又有Uy0=Ag(0)Ux0反馈控制电路第十七页，共三十页，2022年，8月28日式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出信号振幅,Ux0和Ａg（０）是相应的输入信号振幅和放大器增益,ｋc和ｋｇ皆为常数。若低通滤波器对于直流信号的传递函数为１,当误差信号ue＝０时,写出UR和Uy0、Ｕx0之间的关系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0当输入信号振幅Ux≠Ux0且保持恒定时,环路经自身调节后达到新的平衡状态,这时的误差电压反馈控制电路第十八页，共三十页，2022年，8月28日

ue∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞)又Uy∞=［Ag(０)+kck1ue∞］Ux

从以上两式可知,ue∞≠0,否则将有Ux=Ux0,与条件不符合。同时也说明Uy∞≠Ｕy0,即ＡＧＣ电路是有电平误差的控制电路。式中，k2、k3和kb均为比例系数。反馈控制电路第十九页，共三十页，2022年，8月28日20.3自动频率控制电路

20.3.1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。图20-3AFC控制系统组成反馈控制电路第二十页，共三十页，2022年，8月28日ＡＦＣ电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种,一种是鉴频器,另一种是混频—鉴频器。在前一种情况,鉴频器的中心角频率ω0起参考信号ωr的作用。在后一种情况,本振信号(角频率为ωL)先与输出信号(角频率为ωy)进行混频,然后再进行鉴频。参考信号ωr=ω0+ωL。反馈控制电路第二十一页，共三十页，2022年，8月28日

频率比较器输出的误差信号ue是电压信号,送入低通滤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器（ＶＣＯ）,其输出振荡角频率可写成:ωy(t)=ωy0+kcuc(t)其中ωy0是控制信号uc(t)=0时的振荡角频率,称为ＶＣＯ的固有振荡角频率,ｋc是压控灵敏度。

反馈控制电路第二十二页，共三十页，2022年，8月28日

当频率比较器是鉴频器时,输出误差电压为：ue=kb(ω0-ωy)=kb(ωr-ωy)若输出信号角频率ωy与鉴频器中心角频率ω0不相等时,误差电压ue≠０,经低通滤波器后送出控制电压uc,调节ＶＣＯ的振荡角频率,使之稳定在ω0上。kb是鉴频灵敏度。当频率比较器是混频—鉴频器时,其中混频器输出差频ωd=ωy-ωL,而鉴频器输出误差电压为:ue=kb(ω0-ωd)=kb［(ω0+ωL)-ωy］=kb(ωr-ωy)

反馈控制电路第二十三页，共三十页，2022年，8月28日

这时,ωL可以看成是输入信号角频率ωi,而输出信号角频率ωy跟随ωi变化,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,但在一定条件下,可工作在近似线性状态,则ｋp与ｋc均可视为常数。

若差频ωd与ω0不相等时,误差电压ue≠0,经低通滤波器后送出控制电压uc,调节ＶＣＯ的振荡角频率ωy,使之与ωL的差值ωd稳定在ω0上。若ωL是变化的,则ωy将跟随ωL变化,保持其差频ωd基本不变。反馈控制电路第二十四页，共三十页，2022年，8月28日20.4锁相环路

ＡＦＣ电路有剩余频率误差存在,即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。反馈控制电路第二十五页，共三十页，2022年，8月28日

20.4.1基本原理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。设旋转矢量和分别表示鉴相器输入参考信号ui（ｔ）和压控振荡器输出信号uy（ｔ）,它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为ωi（ｔ）、ωy（ｔ）和φi（ｔ）、φy（ｔ）。显然,只有当两个旋转矢量以相同角速度（即ωi＝ωy）旋转时,它们之间的相位差才能保持恒定值。