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1、第7章 反馈控制电路,7.1 概述,7.2 反馈控制电路的基本原理与分析方法,继续,返回,7.3 自动增益控制电路,休息1,休息2,7.4 自动频率控制(AFC)电路,7.5 锁相环路(PLL),7.6 锁相环的典型应用,7.1 概述,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。,反馈控制电路可分为三类,继续,自动增益控制(Automatic Gain Control，简称AGC),自动频率控制(Automatic Frequency Control，简称AFC),自动相位控制(Automatie Phase Con
2、trol，简称APC),自动相位控制电路又称为锁相环路(Phase Locked Loop，简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路。,返回,7.2 反馈控制电路的基本原理与分析方法,在反馈控制电路里，比较器、控制信号发生器、可控器件、反馈网络四部分构成了一个负反馈闭合环路。,根据参考信号的不同情况，反馈控制电路的工作情况有两种。,(1) 参考信号xr(t)不变，恒定为xro,(2) 参考信号xr(t)变化,返回,7.2.2 数学模型,将反馈控制电路近似作为一个线性系统分析。由于直接采用时域分析法比较复杂，所以采用复频域分析法，根据反馈控制电路的组成方框图，可画出用拉氏变换表示的数学模型,图
3、中Xr(s)，Xe(s)，Xc (s)，Xi (s)，Xy(s)和Xf (s)分别是，xr(t)，xe(t)，xc (t)，xi (t)，xy(t) 和xf (t)的拉氏变换。,比较器输出的误差信号xe(t)通常与xr(t)和xf (t)的差值成正比，设比例系数为kp，则有,xe(t)= kpxr(t)-xf (t),写成拉氏变换式，有Xe(s)= kpXr(s)-Xf (s),可控器件作为线性器件，有 xy(t)= kc xc (t),kc是比例系数。写成拉氏变换式，有Xy(s)= kc Xc (s),实际电路中一般都包括滤波器，其位置可归纳在控制信号发生器或反馈网络中，所以将这两个环节看作
4、线性网络。其传递函数分别为,闭环传递函数,误差传递函数,7.3 自动增益控制电路,自动增益控制(AGC)电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值。因此也称自动电平控制(ALC)电路。,7.3.1 AGC电路的工作原理,1. 电路组成框图,设输入信号振幅为Ui，输出信号振幅为Uy，可控增益放大器增益为Ag(uc)，是控制信号uc的函数，则有 Uy = Ag(uc)Ui,返回,7.4 自动频率控制(AFC)电路,AFC电路也是一种反馈控制电路。它与AGC电路的区别在于控制对象不同，AGC电路的控制对象是信号的电平，而AFC电路的控制对象则是信
5、号的频率。其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。,7.4.1 AFC电路的组成和基本特性,1. AFC电路的组成,(1) 频率比较器,频率比较器的输出误差电压ue与这两个输入信号的频率差有关，而与这两个信号的幅度无关，ue为,ue= kp (r-y),式中，kp在一定的频率范围内为常数，实际上就是鉴频跨导。,常用的频率比较电路有两种形式：一是鉴频器，二是混频-鉴频器。,返回,7.5 锁相环路(PLL),锁相环路（Phase locked loop缩写PLL）是一种相位自动控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。,PLL电路广泛应用于,返回,继续
6、,7.5.1 锁相环的基本原理,一、锁相环的组成部件,PLL是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实施跟踪。,三个基本部分构成一个负反馈环。,PD,LF,VCO,返回,继续,1、鉴相器（PD）,即,vi(t)/ i(t),vo(t) /o(t),vd(t) /e(t),正弦特性，三角波特性，锯齿波特 性等，其中最基本的是正弦波特性， 它可用一个模拟乘法器与低通滤波 器串接而成。,鉴相特性的形式有许多种， 如:,如果设环路输入信号：,PLL环输出的反馈信号：,经过相乘，并滤除和频分量，可得输出的误差电压为：,其中,为输入信号的瞬时相位差。,由上式可得鉴相器的数学模型， 如下图所示，,返回
7、,继续,2、环路滤波器LF,环路滤波器具有低通特性，其主要作用是滤除鉴相器输出端的高频分量和噪声， 经LF后得到一个平均电压 用来控制VCO的频率变化，常见的滤波器有以下几种形式。,vd（t）,vc（t）,RC积分滤波器,vd（t）,vc（t）,无源比例积分滤波器,vd（t）,vc（t）,有源比例积分滤波器, RC积分滤波器,传输函数：,返回,继续,休息1,休息2,无源比例积分滤波器,有源比例积分滤波器,如果将F（s）中的s用微分算子p替代，可写出滤波器的输出电压 与输入信号 之间的微分方程：,其中,为微分算子， 由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示。,返回,继续,休息1,休息2,3、压控
8、振荡器（VCO）,压控振荡器：是瞬时频率 控制的振荡器。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。,K0：压控灵敏度,由于VCO的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，VCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位，故对上式积分即可求出相位：,压控振荡器数学模型如右图所示。,返回,继续,休息1,休息2,二、锁相环路相位模型和基本方程,1、相位模型,将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：,2、基本方程,根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本微分方程：,环路的微分方程为：,返回,继续,休息1,休息2,3、环路工作的定性分析,设输
9、入信号为固定频率的正弦信号（即 均为常量）,由于,代入环路的微分方程可得：,左边第二项：,由以上分析可得：,结论：闭合环路中任何时刻满足： 瞬时频差+控制频差=固有频差。,返回,继续,休息1,休息2,三、锁相环路的工作原理,设压控振荡器的固有振荡频率为 ,而当环路闭合瞬间，外输入信号角频率 与 即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：,失锁状态,如果环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带,则差拍电压 将被滤除，而不能形成控制电压,压控振荡器输出角频率 不变化即,则,即：环路的瞬时频差= 固有频差 环路此时处于失锁状态。,返回,继续,休息1,休息2,锁定状态,如果 十分接近 ，即固有频差 ，
10、则差拍电压 不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 ，去控制压控振荡器，VCO产生中心频率为 的调频信号,VCO的瞬时振荡频率 将以 为中心在一定范围内来回摆动，即环路产生了控制频差,此时鉴相器输出电压是一个较小的直流电压，环路进入锁定状态。,返回,继续,牵引捕捉状态,当 介于上述两者之间时，如果VCO的瞬时频率 围绕 为中心摆动的范围小，至使 不可能摆动到 处时，环路不能立即入锁。此时VCO输出的调频波，其调制频率就是差拍频率，与输入信号 经鉴相器PD鉴相，输出一个正弦波与调频波的差拍电压：,如果令:,另有,其中,返回,继续,跟踪状态,例如：,则,返回,继续,四、锁相环性能分析,1.同步带宽,设
11、环路已处于锁定状态，当缓慢改变输入信号频率使固有频差值向正或负方向逐步增大时，由于环路的自身调节作用，能够维持环路锁定的最大频差 称为环路同步带，记作 。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于 也是对称的。,2.捕捉带宽,设锁相环路处于失锁状态，改变 使固有频差 减少, 环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值 称为环路 捕捉带 。通常 。,返回,继续,3稳态相差,环路处于锁定状态时，存在着的固定相差称为稳态相位 误差 。,由方程：,环路锁定意味着瞬时频差为零，即,此时,式中， 为环路直流总增益，其值增大可使 减少。,返回,继续,4锁相环性能特点,锁相环路用作调频信号解调时，与普通鉴
12、频器相比较，有低门限信噪比特性。这是因为环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，降低了鉴相特性的非线形影响，从而改善了门限效应。,（1） 环路在锁定状态下无剩余频差,锁相环路对输入的固定基准频率锁定后，压控振荡器输出频率与基准频率的频差为零。环路输出可做到无剩余频差存在，是一个理想的频率控制系统。,（2） 锁相环有良好的窄带特性,锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在输入频率上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形式进入环路，而绝大多数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制，从而减少了对压控振荡器的影响。,（3） 良好的跟踪特性,VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现出良好的跟踪特性。在接收有多普勒频移的动目标时，这种特性尤为重要。,(4) 低门限特性,返回,继续,
