《高频电子线路》-第8章

8.1概述反馈控制电路广泛应用于各种通信和电子设备中，根据需要控制和调节的参量不同，反馈控制电路主要分为自动增益控制电路（简称AGC）、自动频率控制电路（简称AFC）和自动相位控制电路（简称APC）3种。其中，自动相位控制电路又称为锁相环路（简称PLL），是应用非常广泛的一种反馈控制电路。反馈控制电路组成如图8-1所示。反馈控制电路是一个负反馈闭合环路，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络4部分构成，其中比较器的作用是将外加参考信号Xr和反馈信号Xf进行比较，输出二者的差值即误差信号Xe，然后经过控制信号发生器产生控制信号Xc，对可控器件进行控制。下一页返回8.1概述可控器件的受控情况可以是输入、输出特性受到控制信号Xc的控制，也可以是在不加输入的情况下，可控器件本身输出信号的某一参量受到控制信号Xc的控制。反馈网络的作用是从输出信号Xo中提取出需要进行比较的参量，然后送入比较器中进行比较。根据输入比较信号参量的不同，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）3种，所对应的外加参考信号Xr和反馈信号Xf可以是电压、频率或相位参量。误差信号Xe和控制信号Xc一般是电压，可控器件的可控制特性一般是增益或频率，输出信号Xo的量纲是电压、频率或相位。上一页返回8.2自动增益控制电路8.2.1自动增益控制电路的作用自动增益控制电路（AGC），又称自动电平控制电路，用来控制输出信号的幅度，需要调节的参量为电流和电压。在无线通信系统中，由于受发射功率大小的不同、通信距离远近的不同、电磁波传播信道的衰减不同及接收机环境变化等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大。如果接收机增益不变，则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞，而信号太弱时又可能接收不到信号，为了克服这一缺点，可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。当信号强时，使接收机的增益减小，而当信号弱时，使接收机的增益增大，这样可以补偿输入信号强弱变化的影响，使输出电平变化很小。下一页返回8.2自动增益控制电路故自动增益控制电路是接收机中不可缺少的辅助电路，在发射机或其他电子设备中，自动增益控制电路也被应用。8.2.2自动增益控制电路的工作原理自动增益控制电路是一种能在输入信号幅值变化较大的情况下，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，自动增益控制电路的组成如图8-2所示。在自动增益控制电路中，比较参量是信号电平，所以比较器采用电压比较器。可控增益放大器的增益控制方法很多，主要的方法有两种：一种是通过改变放大器本身的某些参数，如发射极电流、负载、电流分配比、恒流源电流、负反馈大小等来控制其增益；上一页下一页返回8.2自动增益控制电路另一种方法是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。常用的可控增益放大器有晶体管增益控制电路和差分放大器发射极负反馈增益控制电路。晶体管增益控制电路是通过控制电压控制发射极平均电流IE以改变晶体管的正向传输导纳，从而达到控制放大器增益的目的；差分放大器发射极负反馈增益控制电路主要用于集成电路中，它是通过控制电压控制两管的电流分配比来实现增益控制的。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。电平检测器检测出输出信号振幅电平（平均电平或峰值电平），经低通滤波器取出随输入信号幅度做相应变化的直流信号电压，再经过直流放大器放大后在电压比较器中与参考电平相比较而产生一个误差信号电压，误差信号电压通过控制信号发生器后输出控制电压去控制可控增益放大器。上一页下一页返回8.2自动增益控制电路反馈环路中的低通滤波器是非常重要的，由于发射功率大小变化、通信距离远近变化、电磁波传播信道的衰减变化及接收机环境变化等各种因素所引起的信号强度的变化比较缓慢，所以反馈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。尤其是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，合理选择低通滤波器的截止频率，使其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。上一页下一页返回8.2自动增益控制电路若输入信号电压ui减小而使输出信号电压uo

减小时，环路产生的控制信号将使可控增益放大器的增益Au

增大，从而使输出信号电压uo趋于增大；反之，若输入信号电压ui增大而使输出信号电压uo增大时，环路产生的控制信号将使可控增益放大器的增益Au

减小，从而使输出信号电压uo

趋于减小。通过环路的反馈控制作用，可使输入信号电压ui

幅度增大或减小时，输出信号电压幅度保持基本不变或仅在较小范围内变化，这就是自动增益控制电路的作用。8.2.3自动增益控制电路的分类及应用根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求，自动增益控制电路可分为简单AGC电路和延迟AGC电路这两类。上一页返回8.3自动频率控制电路8.3.1自动频率控制电路的工作原理自动频率控制电路（AFC），又称为自动频率微调电路，它需要比较和调节的参量为频率，用以维持工作频率的稳定，在通信系统和其他电子设备中被广泛应用。自动频率控制电路的组成如图8-7所示。自动频率控制电路由频率比较器、低通滤波器和压控振荡器3个部分组成，fo

为输出信号频率，fr

为标准频率。当fo

＝fr

时，频率比较器无输出，误差电压uD

＝0，输出的直流控制信号uC

＝0，压控振荡器不受影响，此时压控振荡器输出的频率称为固有振荡角频率；下一页返回8.3自动频率控制电路当fo≠fr

时，频率比较器输出的误差电压uD≠0，其大小与fo

－fr成正比，低通滤波器滤除交流成分，输出的直流控制信号uC

迫使压控振荡器的振荡频率fo

向标准频率fr

靠近，而后在新的压控振荡器振荡频率基础上，再经历上述同样的过程，使误差频率逐步减小。如此循环下去，直到fo

和fr

的误差减小到某一最小值Δf时，自动频率微调过程停止，环路进入锁定状态。此时压控振荡器输出信号频率等于fr+Δf，Δf称为剩余频率误差，简称为剩余频差。这时，压控振荡器在剩余频差Δf通过频率比较器后产生的直流控制信号uC作用下，使其振荡频率保持在fr+Δf上。自动频率控制电路通过自身的调节，可以将原先因压控振荡器不稳定而引起的较大起始频差减小到较小的剩余频差Δf。上一页下一页返回8.3自动频率控制电路自动频率控制电路的缺点是，由于自动频率控制微调过程是利用误差信号的反馈作用来控制压控振荡器的振荡频率的，而误差信号是由频率比较器产生的，因而达到最后稳定状态（锁定状态）后，两个频率不能完全相等，一定会有剩余频差Δf的存在。一般要求剩余频差Δf越小越好，剩余频差Δf的大小取决于频率比较器和压控振荡器的特性，频率比较器的鉴频特性和压控振荡器的控制特性斜率值越大，环路锁定所需要的剩余频差就越小。自动频率控制电路的主要性能指标有暂态响应、稳态响应和跟踪特性等。8.3.2自动频率控制电路的应用自动频率控制电路广泛用作接收机和发射机的自动频率微调电路，如在接收机和发射机中用于稳定中频频率，在调频接收机中用于改善解调质量等。图8-8所示为采用AFC电路的调幅接收机原理模型。上一页返回8.4自动相位控制电路自动频率控制电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必然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。自动相位控制电路（APC）又称为锁相环路（PLL），它也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但其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。锁相环具有易于集成化、性能优越等许多优点，因此在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多领域被广泛应用。下一页返回8.4自动相位控制电路8.4.1自动相位控制电路（锁相环）的工作原理对于两个正弦信号而言，其频率和相位的关系如图8-10所示。可见，当两个正弦信号频率相等时，这两个信号之间的相位差必然保持恒定，如图8-10(a)所示；当两个正弦信号的频率不相等时，则两个信号之间的瞬时相位差将随时间的变化而不断变化，如图8-10(b)所示。因此，如果能保证两个正弦信号之间的相位差恒定，则这两个信号频率必然相等。锁相环路就是利用两个正弦信号之间的相位误差来控制压控振荡器的输出信号频率，最终使两个信号之间的相位保持恒定，从而达到两个信号频率相等的目的。根据上述原理构成的锁相环路原理模型如图8-11所示。上一页下一页返回8.4自动相位控制电路8.4.2锁相环路的捕捉与跟踪锁相环路根据初始状态的不同有两种不同的自动调节过程，一是捕捉过程，二是跟踪过程。1．环路的捕捉过程若环路的初始状态是失锁的，通过自身的调节，使VCO的频率ωo

逐渐向输入信号频率ωi靠近，直到ωo

＝ωi，环路即进入锁定状态。这种环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程，相应地能够由失锁状态进入锁定状态的最大固有频差称为环路捕捉带，通常用ΔωP表示。上一页下一页返回8.4自动相位控制电路2．环路的跟踪过程若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程，相应的能够保持跟踪的输入信号频率ωi与VCO输出振荡角频率ωo

的最大差频范围称为跟踪带（又称同步带），通常用ΔωH表示。捕捉带与跟踪带如图8-12所示。8.4.3锁相环路的应用1．锁相环路的基本特性由以上的分析可知，锁相环路具有以下几个重要特性：（1）环路锁定后，没有剩余频差，压控振荡器的输出频率严格等于输入信号的频率，但有很小的剩余相位误差存在。上一页下一页返回8.4自动相位控制电路（2）锁相环路具有良好的鉴频跟踪特性，当环路锁定后，输入信号频率ωi稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，最终使VCO输出频率等于输入信号频率，VCO输出频率在一定范围内具有跟踪输入信号频率变化的能力。（3）锁相环通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波特性，能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。（4）锁相环路易于集成化，组成环路的基本部件都易于采用模拟集成电路。利用锁相环路的上述基本特性，可以实现很多的特殊功能，故锁相环路的应用非常广泛。上一页下一页返回8.4自动相位控制电路2．锁相环在调幅波同步检波中的应用采用锁相环的同步检波器原理模型如图8-13所示。用锁相环对输入调幅信号进行解调，实际上是由于锁相环路中的环路滤波器通频带很窄，使锁相环能够锁定在输入调幅波的载频上，利用锁相环路从输入调幅信号中获取一个能跟踪输入调幅信号载波频率变化的稳定度高的同步信号，该同步信号经90°移相后，与输入调幅波一起加到同步检波器中即可解调出原调制信号。上一页下一页返回8.4自动相位控制电路3．锁相环在调频和鉴频中的应用锁相环直接调频电路原理模型如图8-14所示，锁相环直接调频电路可以使输出调频信号的中心频率锁定在晶振频率上，能够得到中心频率高度稳定的调频信号。其中的环路滤波器的通频带应该很窄，使环路仅对VCO中心频率不稳定所引起的缓变分量有所反映，保证调制信号频谱分量处于低通滤波器频带之外而不能形成交流反馈。4．锁相环在无线接收机中的应用由于种种原因，无线电信号到达接收天线时都很微弱，同时会产生一定的频率偏移，在这种情况下，为了提高信噪比，获得较好的接收效果，可利用锁相环路的窄带跟踪特性构成锁相接收机，其原理模型如图8-16所示。上一页下一页返回8.4自动