通信电子线路 课件 第9章 反馈控制电路

第9章反馈控制电路9.1概述9.2自动增益控制电路9.3自动频率控制电路9.4锁相环

9.1概述

在各种通信系统中，为了实现某些特定的要求或者改善某些性能指标，往往采用各种类型的控制电路。这些控制电路都是运用负反馈原理，因而统称为反馈控制电路。反馈控制电路的组成框图如图9-1所示。其包括比较器和控制对象两部分。

图9-1反馈控制电路的组成框图

根据被控制和调节的物理量不同，反馈控制电路分为自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制电路。自动增益控制电路被控制和调节的物理量是电压(或电流)，

它主要用于接收机中，以维持接收机输出电平基本恒定，使之不随输入信号强弱变化。自动频率控制电路被控制和调节的物理量是频率，它用于稳定电子设备的工作频率。自动相位控制电路被控制和调节的物理量是相位，自动相位控制电路又称为锁相环路，应用最为广泛，目前已制成多种类型的通用集成组件，使用起来极为方便。

9.2自动增益控制电路自动增益控制(AGC，AutomaticGainControl)电路(简称AGC电路)是接收机中普遍采用的一种反馈控制电路。如果接收机工作时，收到的信号强度有很大差异，在这种情况下，若接收机采用恒定增益放大，那么输入信号强时，后级放大器将过载；反之，为保证信号强时不过载，则希望增益小，这时接收灵敏度必然降低。解决上述矛盾的办法是在接收机中加入AGC电路。AGC的作用是当输入信号变化范围很大时，自动保持接收机输出电压基本恒定或在一个允许的小范围内变化，即输入信号强时，增益减小；输入信号弱时，增益增大。

1.AGC电路及其工作原理

在前面第6章的6.6.2节中，图653就是一种具有AGC的包络检波器。这种AGC电路，优点是电路简单，但缺点是一有输入信号，AGC立刻其作用，那么当输入信号较小时，放大器的增益受控制而有所减小，使接收机灵敏度降低。

AGC电路的振幅特性如图9-2所示。曲线①为无AGC电路，即放大器输出随着输入增大线性增大；曲线②为简单AGC电路，当输入信号较小时，AGC就起作用，输出信号减小。图9-2AGC电路的振幅特性

为了克服简单AGC电路的缺点，可以采用延迟式AGC电路，如图9-2中曲线③所示，只有当输入信号足够大，即大于Ur时，AGC才起作用，放大器输出电压才减小。延迟式AGC电路的组成框图如图9-3所示。图中高放、中放组成可控增益放大器，即是被控制对象；AGC检波器为比较器。图9-3延迟式AGC电路的组成框图

需要指出的是，AGC检波器与普通的包络检波器不同，其后接的低通滤波器不仅要滤除中频分量，还要滤除反映包络变化的调制信号分量，只取出反映载波幅度大小的直流分量。否则，AGC控制电压中若有调制信号时，通过AGC环路的反馈作用会把调幅波中的包络变化抑制掉，造成调制信息丢失。

2.实现增益控制的方法

控制放大器增益的方法很多。例如，通过改变受控放大器的某些参数，如静态工作电流、负反馈深度等，使其增益随AGC控制电压的大小而变化；通过改变信号通道中衰减网络的衰减量，使增益随AGC控制电压而变化。

图9-4是通过改变放大器静态工作电流实现增益控制的电路。图9-4(a)所示电路中AGC控制电压加在放大器的发射极，当UAGC增大时，晶体管的发射结电压减小，发射极电流减小，晶体管放大倍数减小，放大器增益减小；反之，当UAGC减小时，晶体管的发射结电压增大，发射极电流增大，晶体管放大倍数增大，放大器增益增大。图9-4(b)所示电路中AGC控制电压加在放大器的基极，但UAGC为负极性(如果晶体管为PNP管，UAGC极性如何?)，工作原理与图9-4(a)类似，这种电路实质是控制基极电流。因此所需要的控制电流较小，对AGC检波器要求较低，广播收音机的AGC电路大多数采用这种电路。图9-4改变放大器静态工作电流实现增益控制的电路

图9-5给出了一种通过改变射极负反馈深度实现增益控制的电路。在图中，两个参数相同的二极管VD1、VD2分别和电阻R构成差动放大电路的射极负反馈网络，AGC控制电压UAGC经RA加于两个二极管正极端的A点。对于差模信号而言，A点电位为零，相当于接地端，因此差分管的射极等效负反馈电阻RE=R∥rd，其中，rd为二极管的动态电阻。当UAGC较大，使得两个二极管导通时，rd≈0，RE≈0，差分管的射极负反馈消失，使差动放大器的增益达到最大值。随着UAGC减小，VD1、VD2的导通程度减弱，rd

增大，则负反馈增强，差动放大器的增益随之而减小。当UAGC小到使两个二极管截止时，rd≈∞，RE≈R，此时负反馈最强，差动放大器的增益值达最小值。由此可见，电压UAGC通过对二极管动态电阻rd的控制，实现了对差动放大器增益的控制。

图9-5改变射极负反馈深度实现增益控制的电路

9.3自动频率控制电路

自动频率控制(AFC，AutomaticFrequencyControl)电路(简称AFC电路)，是一种使振荡器的频率自动调整到满足一定预定关系的负反馈控制电路。

1.组成框图及各部分作用

自动频率控制电路的组成框图如图9-6所示。它由鉴频器、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO，VoltageControlledOscillator)组成，输入信号频率为fi、输出信号频率为fo，设它们的预定关系为fo=fi。鉴频器的作用是比较fo与fi大小，鉴频器的S曲线如图9-7所示。利用S曲线的频率—电压转换特性将fo与fi的差值转换为误差电压ue。LPF的作用是将误差电压变为直流电压Uc。VCO是被控制对象，其作用是在直流电压Uc控制下调整其振荡频率fo。图9-6自动频率控制电路的组成框图图9-7鉴频器的S曲线

2.工作原理

如果预定关系fo=fi成立，则鉴频器没有误差电压输出，VCO也就没有控制电压。假设某种不稳定的因素使得VCO的振荡频率fo大于输入信号频率fi，则鉴频器输出误差

电压ue增大，则Uc增大，去控制VCO振荡频率fo，使其减小，这样循环往复，使得fo不断接近fi，两者的误差不断减小。这种调节作用最终使预定关系在很小的误差下得以维持，此时环路进入稳定状态，又称为锁定状态。环路锁定后的误差称为剩余频率误差Δfmin，也即环路锁定后鉴频器产生的误差电压恰好是VCO在这个控制电压作用下频率误差维持为Δfmin。

3.应用举例

1)具有AFC的调幅接收机

图9-8是具有AFC的调幅接收机的组成框图。其比普通的超外差式接收机多了一个由鉴频器、低通滤波器、VCO组成的反馈环路，同时将本地振荡器改为VCO。由图9-8可见，设输入调幅波的载频为fc，VCO输出的振荡频率为本振频率fL，混频器输出的额定中频为fI=fL-fc。图9-8具有AFC的调幅接收机的组成框图

2)具有AFC的调频发射机

图9-9是具有AFC的调频发射机组成框图。图中，环路的输入量是晶体振荡器的振荡频率fs(稳定度很高)，输出量是调频波的中心频率fc(频率稳定度较低)，混频器输出的额定中频为fI=fc-fs。由于fs的稳定度很高，因此混频器输出端产生的频率误差ΔfI主要是由fc不稳定引起的，这样，通过AFC电路的自动调节作用就能减小频率误差值，使fc趋于稳定。图9-9-具有AFC的调频发射机组成框图

例如，由于某种因素使得fc发生变化，即产生频差Δfc(较大)，同时设晶振频差为Δfs(较小)，则混频器输出中频出现误差ΔfI=Δfs-Δfc，由于鉴频器S曲线中心频率为fI=fc-fs，因此鉴频器输出误差电压，经LPF得到直流电压Ud，去控制调频器的中心频率fc，使其变化量Δfc减小，最终环路锁，ΔfI≈0，Δfc≈Δfs，fc的稳定度接近晶振fs的稳定度，使得fc的稳定度也很高。这种具有AFC的调频发射器的载频稳定度比一般调频器的载频要稳定得多，其稳定度是由高稳定度的晶体振荡器予以保证的。

必须注意的是，图9-8中的LPF的带宽要足够窄，能够滤除鉴频器输出电压中调制频率分量，使加到调频器上的控制电压仅是反映调频载波频率漂移的缓变电压。

3)调频负反馈解调电路

采用AFC电路的调频负反馈解调电路的组成框图如图9-10所示。图9-10调频负反馈解调电路的组成框图

与普通调频接收机的鉴频电路相比较，其区别在于它把输出的解调电压又进行反馈，作为本机振荡器的VCO控制电压，使其振荡器频率按调制信号规律变化。这时对混频器而言，相当于加了两个载波频率不同而调制信号相同的调频波。若设输入调频波的瞬时频率为

在环路锁定时，VCO产生的调频振荡器的瞬时频率为

则混频器输出的中频瞬时频率为

式(9-3)中，fI=fL-fc，ΔfmI=ΔfmL-Δfmc分别为中频信号的载频和最大频偏。可见，中频信号仍为不失真的调频波，只是其最大频偏由Δfmc减小到ΔfmI，因而通过中频放大器、鉴频器后就可以解调出不失真的调制电压。

调频负反馈解调电路的突出优点就是解调门限值低，这是由于负反馈使中频信号的最大频偏减小，相当于压缩了信号的有效带宽，因此可以用通频带较窄的中频放大器进行放

大，这样送至鉴频器输入端的噪声功率将随之减小，使得信噪比提高，有利于小信号正常工作。因此，调频负反馈解调电路可以提高解调信号的质量。

9.4锁相环

1.组成框图及各部分作用PLL电路一般的组成框图如图9-11所示。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。图9-11PLL电路一般的组成框图

2.工作原理

在图9-11中，若因某种不稳定的因素使得VCO输出的振荡角频率ωo大于输入信号角频率ωi，则输出电压uo超前ui，相位φo越来越大，鉴相器由此产生误差电压ue，经过LF取出直流电压Uc，Uc控制VCO的振荡角频率ωo，使其减小，从而抑制uo的超前，则φo减小。这样循环往复，使得φo不断接近φi，两者的误差不断减小，最终环路锁定。环路锁定后，电路维持一个恒定的很小的剩余相位误差Δφmin，使得输出与输入信号的频率准确相等。

为了形象说明上述原理，将输入电压与输出电压用两个旋转矢量表示，如图9-12所示。由图9-12(a)可见，当ωo>ωi时，输出电压uo不断超前输入电压ui，输出电压相位φo大于输入电压相位φi，环路进入失锁调整状态；由图9-12(b)可见，只有当ωo=ωi时，输出电压相位φo与输入电压相位φi之间保持恒定的相位差Δφmin，环路进入锁定(同步)状态。因此锁相环路是一个无频率误差的频率跟踪电路。图9-12用矢量图说明PLL同步原理

3.应用举例

锁相环性能优越，具有一系列独特的优点。它具有良好的跟踪特性，在锁定状态下，锁相环输出信号的频率准确地等于输入信号的频率，所以利用锁相环能够实现无误差的频率

跟踪。具有良好的窄带滤波特性(例如，数百兆赫的中心频率上，带宽可以做到几赫兹)，而且可以通过改变环路增益和环路滤波器参数来调整带宽大小，因此利用锁相环可以把淹没在噪声中的微弱信号提取出来，可以把它用于弱信号检测。利用它的调频跟踪和载波跟踪特性，可以把它用于调制、解调、锁相、接收、载波恢复、位同步提取等。

1)锁相频率合成

频率合成是由标准频率源经过频率的加减乘除运算得到一系列频率信号的理论与技术。实现频率合成的设备称为频率合成器。利用锁相技术实现频率合成的方法称为间接频

率合成法。这种方法是目前频率合成中应用最广泛地方法之一。用于频率合成中的锁相环有锁相倍频电路、锁相分频电路和锁相混频电路。

锁相倍频电路的基本框图如图9-13所示。图中，在锁定状态下，输入信号频率fi与分频器输出信号频率fo/N相等，则环路输出信号频率为fo=Nfi，环路实现了N次倍频作用。图9-13锁相倍频电路的基本框图

锁相分频电路的基本框图如图9-14所示。图中，在锁定状态下，输入信号频