反馈控制电路.ppt

1、第6章 反馈控制电路,6.1 反馈控制电路概述 6.2 锁相环路性能分析 6.3 集成锁相环及其应用,第6章 反馈控制电路,6.1 反馈控制电路概述 6.1.1 自动电平控制电路ALC 6.1.2 自动频率控制电路AFC 6.1.3 自动相位控制电路APC （锁相环PLL）,第6章 反馈控制电路,6.1 反馈控制电路概述 反馈控制电路是一种自动调节系统，用于保证电子系统 在不同工作条件下，满足规定的技术性能指标。 基本组成： xi为设定输入； xo为对应目标输出； xo=g(xi)二者之间设定关系； xe=f(xi, xo)误差调节量，有差调节。 反馈控制电路是一种有误差的控制系统。 分类：按

2、控制对象目标输出量或反馈控制比较和调节量分 xo电压/电流：自动电平控制电路ALC； xo频率：自动频率控制电路AFC； xo相位：自动相位控制电路APC；（锁相环PLL）。,第6章 反馈控制电路,6.1.1 自动电平控制电路（ALC） （Automatic Level Control Circuit） 功能：通过自动调节电路参数，保证输出信号幅度稳定。 一、工作原理,比较放大器,可控增益 放大器,直流放大器,振幅检波器,控制对象,反馈控制器,设定关系：,设定输出,可控增益特性,反馈控制特性,（Vim一定）,剩余误差,第6章 反馈控制电路,第6章 反馈控制电路,6.1.1 自动电平控制电路（A

3、LC） 二、应用 1. 自动增益控制电路（Automatic Gain Control，AGC）,高频 放大器,混频器,中频 放大器,包络 检波器,低频 放大器,直流 放大器,AGC 检波器,输入最小：,输入最大：,输出最小：,输出最大：,增益最大：,增益最小：,设定输入量(固定),第6章 反馈控制电路,6.1.1 自动电平控制电路（ALC） 二、应用 2. 已调波线性功率放大器,包络 检波器,比较 放大器,包络 检波器,放大和滤波,已调波线性 功率放大器,已调波输入,已调波输出,设定输入量（已调波输入）(变化),第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动频率控制电路（AFC） （Automati

4、c Frequency Control） 一、工作原理,反馈控制器,控制对象,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动频率控制电路（AFC） 一、工作原理,压控特性,鉴频特性,压控振荡器自由频率,设定差频频率,同步带（锁定失锁）、捕捉带（失锁锁定）,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动频率控制电路（AFC） 二、应用 1. 自动频率微调电路 稳定中频频率，通频带裕量减小，提高灵敏度和选择性。 载波跟踪型（慢变化）,调幅波 输入,低频输出,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动频率控制电路（AFC） 二、应用 2. 调频负反馈解调器 调制跟踪型（快变化），解调性能比普通限幅鉴频器好。,调频波 输

5、入,解调 电压输出,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动相位控制电路（APC） （Automatic Phase Control） 锁相环路（PLL）（Phase Lock Loop） 环路锁定时：,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动相位控制电路（APC） 一. 发展历史 锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信 号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动反馈控制技术。 20世纪30年代接收设备锁相同步控制 20世纪40年代电视接收同步扫描 20世纪50年代锁相接收机实现卫星通信技术 20世纪60年代各部件制作费用昂贵，所以它的发展受限制 20世纪70年代成为现代通

6、信、电子技术领域中不可缺少的重要 控制技术 20世纪80年代以后数字锁相、集成锁相以及频率合成技术，大大 推动数字通信、卫星通信的发展。 总之,锁相环路是朝着集成化.多用化.数字化的方向发展。,第6章 反馈控制电路,6.1.2 自动相位控制电路（APC） 一. 锁相环路的特点 .具有频率准确跟踪性能 .具有良好窄带高频跟踪性能（称载波跟踪型） .具有良好的带通滤波性能（称调制跟踪型） .具有良好门限效应 .易集成化，数字化,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.1 基本环路方程 一、鉴相器,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.1 基本环路方程 二、压控振荡

7、器 三、环路低通滤波器,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.1 基本环路方程 三、环路低通滤波器 1. 简单RC滤波器 2. 无源比例积分滤波器 3. 有源比例积分滤波器（理想积分）,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.1 基本环路方程 四、基本环路方程 若 ，则环路锁定后,输入固有角频差,瞬时角频差,控制角频差,直流总增益,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.2 锁相环路的工作状态 失锁锁定状态：捕捉过程 捕捉范围：捕捉带：能够进入锁定所允许的最大 。 快捕带：能够快速进入锁定所允许的最大 。 锁定失锁状态：跟踪过程 同步范围：同步

8、带/跟踪带：能够维持锁定所允许输入信号频率 偏离的最大值 。,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3 跟踪特性 环路锁定状态下的响应特性。此时，输出能快速跟随输入变化，即 误差一般很小(e/6)，可将环路基本方程近似为线性微分方程。 鉴相特性： 环路方程： 近似线性微分方程。 闭环传递函数： 开环传递函数： 误差传递函数：,第6章 反馈控制电路,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3 跟踪特性 一、瞬态响应及稳态相位误差 瞬态响应：在环路锁定状态下，输入频率或相位产生阶跃变化，环路 重新锁定的整个跟踪过程。 稳态相位误差：重新锁定时的相位误差。 拉氏反变

9、换： 由终值定理： 例如，采用简单RC环路滤波器，由表6-2-1，得误差传递函数,环路固有角频率,阻尼系数,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3 跟踪特性 一、瞬态响应及稳态相位误差 设当 t = 0 时，输入信号频率发生突变 则输入相位 其拉氏变换 相位误差响应： 稳态相位误差：,环路直流 总增益,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3 跟踪特性 一、瞬态响应及稳态相位误差,环路良好的瞬态响应和 稳态相位误差，表明环 路能在尽可能短的有限 时间内快速跟踪输入的 变化，并且具有足够小 的误差。,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3

10、 跟踪特性 二、正弦稳态响应 锁定跟踪状态下，输入相位为正弦信号时环路的输出响应。 输入和输出相位均以角频率变化，传递函数应是对的响应，即 例如，如前简单RC环路滤波器，闭环传递函数为 用j替代s可得频率响应特性，其幅频特性为,第6章 反馈控制电路,6.2 锁相环路性能分析 6.2.3 跟踪特性 二、正弦稳态响应 对于输入相位的变化， 环路具有低通滤波特性。 最大平坦条件： 3dB上限频率： 采用不同的环路低通滤波器，上限频率关系式不同。,第6章 反馈控制电路,6.2 集成锁相环及其应用 6.3.1 集成锁相环路 即锁相环集成电路，类似集成运算放大器成为一种多用 途、多功能的电子器件。 按内部

11、结构分类： 模拟锁相环全部由模拟电路组成； 数字锁相环全部由数字电路组成； （数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器） 部分数字锁相环主要由数字鉴相器组成； 按用途分类： 通用型：锁相环的连接和电路参数可由外引脚改变； 专用型：针对特定功能设计，如调频立体声解调、电视机色差信 号同步检波、频率合成、电机速度控制等。,第6章 反馈控制电路,6.2 集成锁相环及其应用 例：NE562 主要特点： PD、VCO内部集成； 环路滤波器参数、 VCO 频率由外部电 路确定。 工作频率：30MHz VCO：射极耦合 多谐振荡器， 控制线性好。,第6章 反馈控制电路,6.3.2 锁相环在接收机中的应用 一、锁相

12、解调电路 1. 调频波锁相解调电路（无差频率调制跟踪） 传递函数： 频率响应：,输出解 调信号,第6章 反馈控制电路,6.3.2 锁相环在接收机中的应用 一、锁相解调电路 1. 调频波锁相解调电路（无差频率调制跟踪） 设输入调频波为单音调制： 则相位 相位复数振幅 输出解调电压复振幅 条件：环路锁定状态； 环路捕捉带必须大于输入FM波最大频偏； 环路带宽必须大于输入FM波中调制信号频谱带宽； 压控振荡器的控制线性良好。,第6章 反馈控制电路,6.3.2 锁相环在接收机中的应用 一、锁相解调电路 2. 振幅调制信号的同步检波（载波频率跟踪）,同步 检波器,相移器,输入振幅 调制信号,输出解调信号

13、,（调幅或者 带有导频的 单边带信号）,第6章 反馈控制电路,6.3.2 锁相环在接收机中的应用 二、锁相接收机（载波跟踪）,中频 放大器,限幅器,鉴相器,混频器,压控 振荡器,环路 滤波器,频率捕 捉电路,窄带 滤波器,至测速系统,卫星信号极微弱； 多普勒效应载频偏移。,信号 解调,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 一、概述 晶体振荡器：频率稳定性高，可变性差； 压控振荡器：频率稳定性差，可变性好； 频率合成器：频率稳定性高，可变性好。 频率合成（Frequency Synthesis）： 利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的高稳定离 散频率信号的技

14、术。 1. 直接合成（Direct Synthesis）：采用混频、倍频、分频和带通滤波 器对一组基准晶体振荡频率进行四则运算产生； 2. 间接合成（Indirect Synthesis）：采用锁相环和频率变换电路由一 个或两个基准晶体振荡频率产生； 3. 直接数字合成（Direct Digital Synthesis DDS）：数字方法直接产生,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 一、概述 频率合成器主要技术指标： 工作频率范围：由最高和最低输出频率确定。 频率间隔（分辨率）：每个离散频率之间的最小间隔。 频率转换时间：从一个频率转换到另一个频率所需时间。 频率准确

15、度和稳定度： 频谱纯度：输出信号接近正弦波的程度。,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 二、锁相倍频和锁相混频电路 锁相频率合成器的基本组成部件。锁相环工作在锁定跟踪状态。 1. 锁相倍频电路 条件：锁定状态 鉴相器： 分频器： 倍频输出： 分辨率： i基准频率，由晶体振荡器产生，频率稳定； N分频比，数字可编程分频器改变分频比，输出一系列频率。,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 二、锁相倍频和锁相混频电路 锁相频率合成器的基本组成部件。锁相环工作在锁定跟踪状态。 2. 锁相混频电路 鉴相器： 则,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在

16、频率合成器中的应用 三、锁相频率合成器 锁相倍频简单频率合成器的主要缺点： 频率间隔与工作频率范围、最高频率和转换时间的矛盾； 1. 前置分频频率合成器 鉴相器： N可变分频比 P固定分频比 分辨率： 采用前置固定分频器可提高 工作频率，但分辨率变差。,可编程分频器 工作频率低,固定分频器 工作频率高,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 三、锁相频率合成器 2. 前置混频频率合成器 鉴相器： 分辨率： 特点： 不改变分辨率，可改变fL提高fo， 但混频器产生频率分量，导致输 出信号频谱纯度下降。,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 三、锁相频

17、率合成器 3. 双模吞脉冲频率合成器 双模分频器： 分频比：P+1，P 可变分频器：N A 第一步：P+1分频； 双模分频器和两个可变分频 器同时对fo脉冲计数，至A分频 器计满A个脉冲，切换模式到P, 此时，总计数为(P+1) A，而 N 分频器剩余计数脉冲为(NA) ； 第二步：P分频； 继续再以P分频比计数至N分频器计满N个脉冲，总计数P(NA)。 N分频器计满数后，完成一个周期计数，再切换模式到P+1 。,模式控制：,高电平 P+1,低电平 P,第6章 反馈控制电路,6.3.3 锁相环在频率合成器中的应用 三、锁相频率合成器 3. 双模吞脉冲频率合成器 一周期内总计数即总分频比： 输出频率： 分辨率： 输出频率表达式中没有明显反映(P+1)分频，只有P分频，好像吞掉 了一个脉冲，故称为吞脉冲技术。 特点： N是可变分频，产生Pfi间隔频率变化，提高输出频率范围； A确定分辨率，即最小频率间隔，称为