反馈控制电路.

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1、第10章 反馈控制电路 10-1 概述 10-2 自动增益控制（AGC） 10-3 自动频率控制（AFC） 10-4 锁相环路的基本组成及数学模型 10-5 锁相环路的基本分析 10-6 锁相环路的应用 1 10-1 概述 n闭环(自动)控制系统：反馈控制 将受控物理量自动调整到预定值。 n开环(自动)控制系统：前向控制 程控(数控)，智能化控制等。 如：开、关机，自动录放，程序工作等。 2 一、三种反馈控制系统分类 自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路。 自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统

2、， AFC电路控制的是信号的频率。 自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。 (Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位反馈控制系统， 锁相环路控制的是信号的相位。 3 二、反馈控制系统的原理（与负反馈放大器比较） 相同点：皆是自动调节系统。 不同点：一是调节对象不同。（有频率F与相位P） 二是分析方法不同。 负反馈放大器有放大器与 线性反馈电路； 反馈控制系统除有放大器外，还有非线性部件， 要用非线性分析方法,在一定条件下可以近似为线性。 三、反馈控制系统的特点 AFC的特点是：误差信号是频率，所以稳定时有频差。 APC的特点是：误差信号是相位，所以稳定时只有相差。 4

3、 四、自动控制系统的模式 5 10-2 自动增益控制（AGC） 一、 AGC目的与要求 1.目的： 若接收信号几v-几mv变化,即信号强弱比为103-104。 变化原因： 距离不同、电台发射功率不同； 移动电台、短波信号衰落，强弱变化相对缓慢。 因信号强弱变化大，若放大器增益固定，则造成： (1)使后级放大器偏离线性区,信号失真； 如：电视信号的同步头被压缩或消去,使同步失控。严重时 ,产生大信号阻塞(进入截止、饱和区)； (2)增加混频组合频率干扰和非线性； 若希望接收机输出电平变化范围尽可能小，避免过强的 信号使晶体管和终端器件过载，以致损坏，则需要进行增益控 制。 6 2.对AGC电路的

4、具体要求 (1)增益控制范围大； 如：电视AGC：20-60dB。 (2)保持系统良好的信噪比特性； (3)控制灵敏度高； 如：电视AGC：-3dB以内。 (4)控制增益变化时，幅频、群时延特性不变,以减小信号真； (5)控制特性受温度影响小。 7 二、带有AGC电路的调幅接收机 注意： 1.延迟式(先中放，后高放)AGC; 2.对于FM接收机： (1)鉴频前的限幅，要求中放增益高，以提供足够的驱动电压，故AGC一 般只控制高放； (2)鉴频器的输出信号幅度仅与已调信号的频偏有关，而与输入信号幅度 无关，故AGC电压一般取自中放的一部分信号。 8 三、 控制放大器增益的方法 1放大管电流控制法

5、 9 反向AGC：增益G随Ic正比变化， 即： Ic，G : Ic，G 优点： Ic小，节省功率。 缺点：信号过大时， Ic过快，放大器进入非线性 区。 正向AGC: 增益G随Ic反比变化， 即： Ic，G : Ic，G 专用正向AGC管，曲线较陡，即Ic时G较快(控制灵 敏度高)。 10 举例： 图(a)为反向AGC控制，VAGC为负电压 控制过程： 输出VAGC负向ib(ic)G 图(b)为正向AGC控制，VAGC为正电压 控制过程： 输出VAGC正向ib(ic)G 11 2放大管集电极电压控制法 因为|Yfe|与Vce直接相关，故可通过VAGC改变Vce-|Yfe|来改 变|Yfe|(A

6、vo)。 12 3放大管负载控制法 因为放大器的增益与负载直接相关，可通过VAGC控制负 载变化来改变增益。 13 4差动电路增益控制法 采用分流方式控制增益。 14 5双栅场MOS效应管增益控制 15 四、AGC电路举例 1.广播接收机中的AGC电路 16 2.AGC方式高线性调幅 17 3.AGC方式高线性功放 18 10-3 自动频率控制（AFC） n功能：使振荡器频率自动锁定到预定的频率上。 一、 AFC原理框图 19 1.鉴频器(比较器) fo(VCO输出) fs(标准频率) fo= fs ：比较器无输出 fo fs ：有正比于 fo-fs的输出,经LPF输出Vc去控制VCO，当|f

7、o- fs|减 少到f 时,自动微调过程停止,输出频率稳定在fsf 2.LPF 按系统要求，从鉴频器输出的误差信号中滤出控制信号Vc 3.受控元件 可变电抗元件。 4.受控振荡器 VCO 20 5.闭环系统满足负反馈 鉴频特性与振荡器控制特性的斜率相反(负反馈) 如图：振荡器控制特性曲线 A: 理想，无频差； B: 实际，有固有频差f ； C: fp 捕捉带宽; D: fH同步带宽(临界情况)。 21 二、 AFC系统应用框图举例 1.调幅接收机AFC系统 22 2.彩电接收机AFC系统 AFTAFT：自动频率调谐器：自动频率调谐器 Automatic Frequency TunerAutom

8、atic Frequency Tuner 23 3.AFC用于调频反馈解调 24 11-4-1 PLL基本原理 （1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。 （2）基本原理： 鉴相器的输出信号 是输入信号 和压控振荡器输出 信号 之间相位差的函数。 经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分 量后，成为压控振荡器的控制电压 。 在 的作用下，压控振荡器输出信号的频率将发生相应变 化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。 10-4 锁相环路的基本组成及数学模型 25 (2)锁定状态VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过 程。 当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入

9、信号频率的 方向变化，这就是捕获状态。 当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦波，则压 控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们之间的相位差为 一常值，这种状态称为环路的锁定状态。 锁相环通常有两种不同的跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。 压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是 调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪环路可 实现高质量的调角信号的解调。 压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之 为载波跟踪状态，这叫载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。 锁相环路具有两种工作状态： (1)捕获状态环路由失锁进入锁定的过程； 26 10-4

10、-2 PLL各部件的特性与数学模型： 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样鉴相器 和鉴频鉴相器等。 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。 式中， 为输入信号 的瞬时相位； 为压控振荡器输出信号 的瞬时相位。 一、鉴相器 （PD） 27 设相乘器的相乘系数为k，单位为1/V。输入信号为： 式中， 为正弦信号的振幅， 为中心角频率， 是以载波相位 为参考的瞬时相位。若输入信号 为一固定的正弦波，则 是一常数， 即 的初始相位。 假设输出信号为： 式中， 为余弦信号的振幅， 为环路VCO自由振荡角 频率， 是输出信号以其自由振荡相位 为参考的 瞬时相位。 28 统一参考相

11、位：一般情况下，两信号的频率是不同的。为了便于比 较，现统一以VCO 的自由振荡相位 为参考 ，于是输入信号相 位需改写为： 式中： 改写输入和输出信号表示式： 29 输入信号与输出信号经过相乘器后得到： 再经过低通滤波滤除 成分，便得到误差电压： 令, ，不难看出 为鉴相器的最大输出电压， 它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。单位为（V）。 30 假设 ，有 若用 代表相乘器两个输入信号的瞬时相位误差，即 则上式 可写成： 这就是正弦鉴相特性。 需要指出的是，在上面的推导过程中，设两个输入信号互为正交 信号形式，因而得到正弦特性。若改设两信号同为正弦或余弦，则将 会得到余弦特性。不论是那种特

12、性，环路的稳态工作区域总是在特性 的线性区域内，环路锁定时相位比较器输出电压为零附近。 则可写成线性表示式： 讨论： 31 正弦鉴相器的数学模型 频率域中的鉴相模型频率域中的鉴相模型s s为拉氏算子为拉氏算子 32 二、环路滤波器（LF ） 锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能： 第一，滤除误差信号中的高频分量； 第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪 声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。 环路滤波器由线性元件、电阻、电容和运算放大器组成。 环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。 锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。 有时需要较强地抑制鉴相器

13、输出中的交流分量时，也采用高阶 滤波电路。 锁相环路中，通常采用直通电路和三种滤波器电路， 假设传递函数为： 33 直通电路 RC积分 滤波器 无源比例积分滤波器 理想积分滤波器 2 R1 R 1 R 2 R R 34 三、压控振荡器 (VCO) 在PLL中，压控振荡器是在外加控制电压 的作用下，输出 信号频率按一定规律变化的振荡电路。它的工作原理与电路和前面 所讲的调频电路基本相同。 压控振荡器的一般特性如下图 所示。它的振荡频率与控制电压的 关系可表示为： 0 式中， 称压控振荡器的中心 角频率或自由振荡频率，即控制 电压 = 0 时的振荡频率。 表示频率随电压 变化的函数关系。 35 在

14、一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制 电压呈线性关系，即： 其中, 是曲线的斜率，也称压控振荡器的调制灵敏度。 单位为（ ）。 在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬 时角频率而是它的瞬时相位。 由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称为 环路中的固有积分环节。 VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。基本要求是： 频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度要好； 线性区域要宽；噪声尽可能低。 而这些要求之间往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。 36 时域模型： 频域模型： p p为微分算子为微分算子s s为拉氏算子为拉氏算子 37 10-4-3 P

15、LL的环路方程与相位数学模型 二、相位数学模型 PDLFVCO 一、方框原理图 38 令， ，为环路增益，单位为（ ）。 从相位数学模型可得到： 这就是PLL环路的非线性微分方程。 PDLFVCO 39 三、讨论： 方程的三项： 第一项是瞬时相位误差 对时间的微分，由于 是输入信号 与压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控 振荡器输出信号的瞬时频差。 第二项是压控振荡器在控制电压 的作用下，所产生的角 频率变化量，所以一般称为控制频差。 第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它不 随时间变化而是决定于环路开始工作时的状态，称为“初始频差” 。 在闭环后的任何时刻，初始频差总等于瞬时频差和控制频差的代 数和。 在锁定时刻， 是常数，所以控制频差等于初始