高频电子线路 课件 【ch07】反馈控制电路

高频电子线路反馈控制电路第七章内容提要在一个完整的通信系统或电子系统中，为了进一步完善其性能或满足某一个特定需求，广泛采取了多种具有自动调节功能的控制电路。根据自动控制理论相关知识，这种功能电路往往需要通过闭环负反馈利用误差调节来实现，因此也被称为反馈控制电路。01学习目标理解与掌握反馈控制电路的基本组成、结构框图与工作原理。掌握锁相环路的基本原理，学会运用拉普拉斯变换等多种方式对控制框图进行分析。理解频率合成器的工作原理与基本组成。02反馈控制电路反馈控制电路思政剖析本章的关键核心词就是“负反馈”，因为负反馈环节的设置，正弦波振荡器才得以存在。“负反馈”对高频电路系统的作用即“审视偏差，校正系统”。对于我们大学生、我们党而言，关键核心词便是敢于审视自身，敢于自我革命。在百年奋斗历程中，我们党领导人民取得一个又一个伟大成就、战胜一个又一个艰难险阻，历经千锤百炼仍朝气蓬勃，得到人民群众支持和拥护，原因就在于党敢于直面自身存在的问题、勇于自我革命，始终保持先进性和纯洁性，不断增强创造力、凝聚力、战斗力，永葆马克思主义政党本色。党的自我革命永远在路上。当代大学生不仅要在学业生活上做到“吾日三省吾身”，作为未来党的事业的接班人更要敢于斗争、善于斗争，保持先进性和纯洁性，勇于自我革命。0301自动增益控制电路自动增益控制电路自动增益控制电路的基本原理自动增益控制(AGC)电路属于反馈控制电路的一种，其结构组成相对固定。反馈控制电路的结构框图如图7-1所示。自动增益控制电路自动增益控制电路的基本原理反馈控制电路通常由反馈控制器与受控对象两部分组成。X代表系统输入量，X为系统输出量，它们之间应满足X=F(X)的预定关系。当该预定关系尚未满足或者遭受破坏时，反馈控制器负责监测实际情况与预定关系的偏离情况，并输出误差量X。X进而对受控对象增益产生反向影响，间接对X产生调节并使之趋近于原预定关系。通过一次又一次地反馈、对比与调节，反馈控制电路系统使X1与X的关系趋于稳定。该反馈控制电路常被应用于增益控制。自动增益控制电路自动增益控制电路的基本原理图7-3所示为具有简单自动增益控制电路的接收机环路框图。自动增益控制电路自动增益控制电路的基本原理振幅检波器输出的是反映包络线变化的解调电压。而AGC振幅检波器的设置目的为产生一个反映输入载波电压振幅的直流电压，并与参考电压，即起控门限电压U对比数值大小。当输入信号幅值高于UR时，自动增益控制电路开启工作并输出自动增益控制电压，即控制电压。此时，自动增益控制电压作用于各被控极并改变相应放大器的增益，使得接收机输出信号幅值相对稳定；当输入信号幅值低于U时，此时接收机的作用与普通接收机的相同，不具有自动增益控制功能。02自动频率控制电路自动频率控制电路在雷达、卫星导航系统等通信系统中，考虑到发射机与接收机之间存在的相对运动所导致的多普勒效应、振荡器的频率漂移与噪声等不确定因素，传输信号的载波信号频率可能会随着时间发生一定的或者不可预测的变化。自动频率控制电路往往以频率锁定环路(FrequencyLockLoop,FLL)来实现，它主要由频率鉴别器（简称鉴频器）、环路滤波器及压控振荡器组成。频率锁定环路的任务可以认为是令系统的输出信号uo()的频率f与参考标准信号u(t)的频率保持一致。当f与f数值一致时，鉴频器无输出；当存在误差时，鉴频器将输出与的数值成正比的误差电压信号u。自动频率控制电路若通过理想状态下的环路滤波器，u(t)可以认为是ua的直流信号成分。VCO可以认为是一种可以生成确定频率的周期正弦信号u(t)的环节，而该频率变化量恰恰与其控制信号的大小成正比。而误差信号必然由鉴频器产生，因此在锁定状态下，两频率无法完全相等，必然有剩余频差△f的存在。然而，稳定频率并不仅有这一种方案，若上述环路结构应用于相位跟踪而不是频率跟踪，则仅有剩余相位差，而没有剩余频差，这是可以接受的稳频结果。自动频率控制电路自动频率控制电路的应用自动频率控制电路被广泛用作接收载体和发射设备中的自动频率微调电路。调幅接收机中的自动频率控制电路混频器输出的中频信号经中频放大器放大后，除发送至包络检波器之外，还需送到限幅鉴频器进行鉴频。由于鉴频器中心频率调在规定的中频上，限幅鉴频器可将偏离于中频的频率误差变换成电压，该电压通过低通滤波和放大后作用到VCO上，VCO的振荡频率发生变化，使偏离于中频的频率误差减小。这样，在自动频率控制电路的作用下，接收机的输入调幅信号的载波频率和VCO的频率之差接近于中频。自动频率控制电路自动增益控制电路的应用图7-7所示为采用自动频率控制电路的调频发射机的组成框图。03锁相环路锁相环路锁相环路锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)是自动相位控制电路的实现形式，其通过跟踪调制相位误差以间接实现稳频，以应对多普勒效应、振荡器频漂与噪声对频率的影响。锁相环的环路结构概念最早可以追溯到1919年，并以模拟电路的形式制成，如今已大多实现数字式。其最早被描述为一种接收机辅助跟踪技术，如今其结构已经广泛应用于几乎所有的通信系统，包括我们国家自主建设运行的北斗卫星导航系统。在这一节，我们将主要介绍锁相环路的基本原理与数学模型。锁相环路锁相环路的基本原理锁相环路的基本构成形式与频率锁定环路几乎一致，差别仅仅在于鉴相器与鉴频器，其基本组成如图7-8所示。

锁相环路锁相环路的基本原理锁相环路的基本构成形式与频率锁定环路几乎一致，差别仅仅在于鉴相器与鉴频器，其基本组成如图7-8所示。

锁相环路锁相环路的基本原理在图7-9中，输入与输出分别为对应信号的初相位的拉普拉斯变换。

锁相环路锁相环路的数学模型现在对锁相环路与频率锁定环路进行对比，不同点如下：(1)在锁定状态下，锁相环路仅有一定的剩余相位误差，稳频效果相对较好；而频率锁定环路却有剩余频差。(2)锁相环路的噪声带宽比较窄，可紧密地跟踪信号，然而噪声带宽窄是双刃剑，其抗噪声能力较差，对动态应力的容忍性并不好，鲁棒性差；而频率锁定环路的噪声带宽比较宽，鲁棒性更好，但跟踪效果相对较差。在实际应用中，需要均衡考虑对准确性与抗干扰能力的需求，然后对稳频电路进行选择。特殊地，若想充分发挥锁相环路与频率锁定环路的综合优势，也存在基于频率锁定环路辅助的锁相环路组合稳频电路，读者可查阅相关文献进行了解。锁相环路锁相环路的捕获与跟踪相应地，能够从失锁状态进入锁定状态的最大输入固有频差被称为环路捕获带，如图7-10所示的△wp。

04频率合成器频率合成器频率合成器为了实现更高质量的无线通信，近代通信系统对频率源的要求越来越高，往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。石英晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值是单一确定的，或者说只能在很小范围内进行微调。为了满足现代通信技术的需要，采取一个或者多个石英晶体标准振荡源，可产生一系列等间隔的与标准振荡源具有相同频率稳定度及准确度的多种离散频率，这里采用的器件即本节将讨论的频率合成器。频率合成器频率合成器频率合成器有多种实现形式，包括直接频率合成器、间接频率合成器（锁相频率合成器）及直接数字频率合成器等。其中，直接频率合成器利用倍频、分频、混频等方法直接产生，信号质量相对较差。间接频率合成器利用锁相技术实现，其结构简单、输出频率成分的频谱纯度高，控制方便。直接数字频率合成器则基于全数字技术，其输出频率可高达几百兆赫兹，由参考时钟、相位累加器、只读存储、数字模拟转换器(DAC)和滤波器等组成。本节主要针对间接频率合成器（锁相频率合成器）展开介绍。频率合成器主要技术指标总体来说，要评判一个频率合成器，主要有以下几个主要技术指标。1.频率范围：频率范围即主要的工作频率范围。2.分辨率：相邻频率之间的最小频率间隔被称为分辨率。分辨率的设置与频率合成器的实际应用场景相关。3.频率转换时间：频率转换时间即从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和锁相环路捕获时间。频率合成器主要技术指标4.频率稳定度和准确度：频率稳定度是指在规定的观测时间内，频率合成器的输出频率偏离标称值的程度。5.频率纯度：频率纯度是指输出信号接近正弦波的程度，用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。其主要表征多种周期性干扰、多次谐波与随机干扰对输出频率的影响。频率合成器间接频率合成器（锁相频率合成器）一种简单锁相频率合成器的基本组成结构如图7-11所示。频率合成器间接频率合成器（锁相频率合成器）简单锁相频率合成器所存在的问题上述的锁相频率合成器结构简单，且仅包含单一的锁相环路，或称为单环式。单环式频率合成器在实际应用中需要注意以下问题。(1)分辨率不能太小。f太小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于f,以滤除鉴相器输出信号中的参考频率及其谐波分量)，这使频率转换时的环路捕获时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的。另外，f太小不利于抑制由VCO引入的噪声。频率合成器间接频率合成器（锁相频率合成器）(2)锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来的1/N。对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能。(3)输出频率受到可编程分频器的限制，比较低。在实际应用中，为了解决以上问题，更多的是采用多环式频率合成器及吞脉冲锁相频率合成器。读者可阅读相关文献进行学习。反馈控制电路疑难释疑本章的关键难点在于对“负反馈”的掌握与对反馈控制系统的认识。负反馈过程是指将输出的误差值反馈至前端，通过控制器调整下一循环的输出的过程，以实现误差值缩小至特定范围。反馈控制电路的关键也在于负反馈，这是提高接收性能常用的辅助电路。01本章小结(1)在现代通信与电子设备中，反馈控制电路被广泛采用，其中主要包括自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制电路。(2)为进一步满足现代通信技术的需要，采取一个或者多个石英晶体标准振荡源，可以构成频率合成器。02反馈控制电路思考与练习1.调幅接收机采用自动频率控制电路的作用是()。A.稳定中频输出B.稳定输出电压C.稳定VCOD.改善解调质量2.锁相环路的作用是()。A.维持工作频率稳定B.实现无频率误差的