《高频电子线路电子教案全套配套课件胡宴如 7反馈控制电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电子线路电子教案全套配套课件胡宴如 7反馈控制电路（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章反馈控制电路 根据需要控制的参量不同 反馈控制电路有 简称APC 用于锁定相位 故又称锁相环路 简称PLL 简称AFC 用于维持工作频率稳定 又称自动电平控制电路 简称AGC 用于控制输出信号大小 引言 7 1自动增益控制电路 主要要求 了解自动增益控制电路的组成 工作原理和应用 了解常用增益控制电路 7 1 1自动增益控制电路的作用 作用 通过闭合环路的反馈控制作用 可使输入信号ui幅度增大或减小时 输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化 一 AGC的组成 工作原理与作用 具有简单AGC的调幅接收机框图 反馈控制器LPF 简单AGC缺点 只要有输入信号 AGC就起控制作用 对接收弱
2、信号不利 二 AGC的应用 是高性能接收机的重要辅助电路 具有延迟式AGC的调幅接收机框图 当AGC检波器输入信号幅度小于UR时 AGC检波器不工作 AGC电压为零 AGC不起控制作用 当AGC检波器输入信号幅度大于UR时 AGC电路才起控制作用 7 1 2增益控制电路 1 控制晶体管发射极电流实现增益控制 AGC放大电路 Au gm gm IE UT 当信号电压 使 UC 则IE gm Au 通常将控制电压加至基极或发射极 2 差分放大器增益控制电路 通过改变对管的电流分配比 负反馈深度 恒流源电流等来实现对增益的控制 ic1 ic2 ic3 Ui一定时 则ic1一定 若Uc 则ic2 ic
3、3 输出电压 Au 利用Uc控制ic2和ic3的分配比来实现增益控制 7 2自动频率控制电路 主要要求 了解自动频率控制电路的组成 工作原理和应用 7 2 1工作原理 当fr fo时 uD t 0 fo不变 当fr fo时 uD t 正比于 fo fr 得uc t 控制fo向fr接近 有剩余频差是AFC的缺点 鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大 则 f越小 经若干调节周期 环路最后锁定在fo fr f这个 f称为剩余频率误差 简称剩余频差 7 2 2应用举例 广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路 比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器 低通滤波和放大电路等 并将本机振荡器改为VCO AF
4、C保证了混频器输出频率接近fI 从而提高接收机灵敏度和选择性 具有AFC的调幅接收机框图 具有AFC的调频发射机框图 鉴频器的中心频率调整在 fr fc 上 当调频振荡器的中心频率发生漂移时 混频器输出的频差也跟随变化 使鉴频器输出电压发生变化 经窄带LPF滤除调制频率分量后 将反映调频波中心频率漂移的缓变电压 加至调频振荡器上 调节其振荡频率使其中心频率漂移减小 由于fr稳定度很高 因此可提高中心频率稳定度 7 3锁相环路 PLL 主要要求 掌握PLL的作用 基本组成和工作原理 了解PLL的数学模型 了解PLL的捕捉与跟踪 了解集成PLL及其应用 7 3 1锁相环路基本原理 鉴相器 PD 用
5、以比较ui uo相位 输出反映相位误差的电压uD t 环路滤波器 LF 用以滤除误差信号中的高频分量和噪声 提高系统稳定性 压控振荡器 VCO 在uC t 控制下输出相应频率fo 两个正弦信号的频率和相位之间的关系 若能保证两个信号之间的相位差恒定 则这两个信号的频率必相等 若wi wo 则ui t 和uo t 之间产生相位变化 鉴相器输出误差电压uD t 它与瞬时误差相位成正比 经过环路滤波 滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc t 控制VCO的角频率wo 去接近wi 最终使wi wo 相位误差为常数 环路锁定 这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差 7 3 2锁相环路的数学模
6、型 一 鉴相器 PD 设压控振荡器的输出电压为 o0是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率 o t 是以 o0为参考的瞬时相位 环路输入电压ui t 为 其相位可改写为 则ui t 与uo t 之间的瞬时相位差为 以 o0为参考的输入信号瞬时相位 设鉴相器具有正弦鉴相特性 则 二 压控振荡器 VCO 在uc 0附近 控制特性近似线性 以 o0为参考的瞬时相位 o t 为 可见压控振荡器是一个理想的积分器 将积分符号用微分算子p d dt的倒数表示 则得 VCO的控制特性 VCO的相位模型 环路滤波器的电路模型 三 环路滤波器 LF 图 b 电路的传递函数为 将AF s 中的复频率s用微分算子
7、p替换 可得 四 PLL的相位模型和基本方程 环路的基本方程式为 两边对t求导数并移项 得 锁相环路相位模型 称瞬时角频差 表示VCO角频率 o偏离输入角频率 i的数值 称控制角频差 表示压控振荡器在uc t AdAF p sin e t 的作用下 产生振荡角频率 o偏离 o0的数值 称输入固有角频差 表示输入信号角频率 i偏离 o0的数值 可见 锁相环路闭合后的任何时刻 瞬时角频差 e t 与控制角频差 o t 之和恒等于输入固有角频差 i t 若输入固有角频差 i t i为常数 即ui t 为恒定频率的输入信号 则在环路进入锁定过程中 瞬时角频差 e t 不断减小 而控制角频差 o t 不
8、断增大 两者之和恒等于 i 直到瞬时角频差减小到零 控制角频差增大到 i 压控振荡器的振荡角频率 o等于输入信号角频率 i时 环路进入锁定 环路锁定时的相位误差 e t 是一个固定值 用 e 表示 称为剩余相位误差或稳态相位误差 正是这个稳态相位误差 才使鉴相器输出一个直流电压 控制压控振荡器的振荡角频率 使之等于输入信号角频率 环路锁定时 i增大 e 也相应增大 说明 i越大 将VCO振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越大 因而产生这个控制电压的 e 也就越大 但 i过大 环路将无法锁定 此时环路将不存在使它锁定的 e 7 3 3锁相环路捕捉与跟踪 由失锁进入锁定的过程称为捕捉
9、过程 能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带 用 p表示 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 能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带 又称跟踪带 用 H表示 捕捉过程 失锁 锁定 跟踪过程 锁定 维持锁定 当wi从低频至高频缓慢变化时 wi 失锁 锁定 wb 失锁 当wi从高频至低频缓慢变化时 wc 锁定 wd 捕捉带 同步带 wP wH 通常捕捉带小于同步带 7 3 4集成锁相环路 一 通用型单片集成锁相环路L562 工作频率达30MHz L562内部VCO采用射极耦合多谐振荡器电路 振荡频率
10、为 设起始时V1导通 V2截止 则VCC通过V3 V1向C充电 充电电流为I02 由于V1导通时UE1 VCC UBE on 故C充电使UE2下降 当其下降到 VCC UD UBE on 时 V2导通 使UC2由VCC下降为 VCC UD 致使V1截止 VCC通过V4 V2向C反向充电 充电电流为I01 使UE1下降 直到引起V1重新导通 V2又截止 如此循环 二 CMOS锁相环路CD4046 为数字PLL 内有两个PD VCO 缓冲放大器 输入信号放大与整形电路 内部稳压器等 具有电源电压范围宽 功耗低 输入阻抗高等优点 工作频率达1MHz 内部VCO产生50 占空比的方波 输出电平可与TT
11、L电平或CMOS电平兼容 具有相位锁定状态指示 PD 由异或门构成 具有三角形鉴相特性 它要求两个输入信号均为50 占空比的方波 当无输入信号时 其输出电压为VDD 2 用以确定VCO的自由振荡频率 信号输入端 允许输入0 1V左右的小信号或方波 经A1放大和整形 提供满足PD要求的方波 PD 采用数字式鉴频鉴相器 输入信号只在上 升沿起作用 故该PD能处理非常窄的脉冲 便于快速锁定 通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD 输入信噪比较高或固有频差较大时 采用PD R1 R2 C确定VCO频率范围 R1控制最高频率 R2控制最低频率 R2 时 最低频率为零 无输入信号时 PD 将VCO调整到
12、最低频率 接低电平时才允许VCO工作 7 3 5锁相环路的应用 一 锁相环路的基本特性 1 环路锁定时 鉴相器的两个输入信号频率相等 没有频率误差 2 频率跟踪特性 环路锁定时 VCO输出频率能在一定范围内跟踪输入信号频率的变化 3 窄带滤波特性 可以实现高频窄带带通滤波 二 锁相鉴频电路 工作原理 输入为调频信号 当环路锁定后 压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化 产生具有相同调制规律的调频信号 只要压控振荡器的频率控制特性是线性的 压控振荡器的控制电压uc t 就是输入调频信号的原调制信号 三 调幅波的同步检波 有p 2固定相移 工作原理 输入为调幅信号或带有导频的
13、单边带信号 LF的通频带很窄 使锁相环路锁定在调幅信号的载频上 这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号 再利用同步检波器可以得到解调电压输出 注意 压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有 2的固定相移 因此须经过 2的移相器加到同步检波器上 这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相 四 锁相接收机 利用窄带跟踪特性 信号频率漂移较严重时 若采用普通接收机 就要求带宽较宽 这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号 采用锁相接收机 利用PLL的窄带跟踪特性 就可自动跟踪信号频率进行接收 有效提高输出信噪比 7 4频率合成器 为实现高质量的无线通信
14、抗干扰 近代通信系统往往要求通信机具有大量的 可供用户选择的 能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率 晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高 但其频率值只能在很小范围内微调 频率合成器作用 利用一个或多个基准频率 产生一系列等间隔的离散频率 这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同 且频率转换的时间很短 主要要求 掌握频率合成器的作用 了解频率合成器的种类与主要性能指标 掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理 了解提高锁相频率合成器输出频率的方法 7 4频率合成器 7 4 1频率合成器的主要技术指标 1 频率范围 2 频率间隔 又称分辨率 频率稳定度指 在规定的观测时间内 输出频率偏离
15、标称值的程度 一般用偏离值与输出频率的相对值来表示 频率准确度指 实际工作频率与标称频率值之差 又称频率误差 3 频率转换时间 4 频率稳定度和准确度 相邻频率之间的最小间隔 从一个工作频率转换到另一个工作频率 并达到稳定工作所需要的时间 它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间 频率合成器的工作频率范围 5 频谱纯度 5 频谱纯度 指输出信号接近正弦波的程度 用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示 多数来自混频器 对称分布于有用信号两侧 7 4 2锁相频率合成器 一 简单锁相频率合成器 环路锁定时 fr fs R fo N 故得 fo Nfs R Nfr 改变N可得不同输出频率 频
16、率分辨率为fr 参考分频器由12级二进制计数器构成 取分频比R 28 256 则得频率间隔为 fr 1024kHz 256 4kHz CD4046组成的频率合成器实例 N分频器采用可编程分频器CC40103构成 图中N 29 改变N可获得不同频率的信号输出 作业 二 简单频率合成器存在的问题 1 频率间隔不能很小 2 锁相环路内接入分频器后 环路增益下降为原来1 N 对于输出频率高 频率覆盖范围宽的合成器 当要求频率间隔很小时 N的变化范围将很大 这将使环路增益也大幅度变化 从而影响环路的动态性能 3 输出频率受到可编程分频器的限制 可编程分频器的工作频率比较低 无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求 fr小时 环路滤波器的带宽也要小 带宽需小于fr 以滤除PD输出信号中的参考频率及其谐波分量 这使频率转换时的环路捕捉时间或跟踪时间加长 即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的 另外 fr小不利于降低VCO引入的噪声 减小频率间隔而不降低参考频率fr 采用多环式锁相频率合成器 解决问题的方法如下 由于固定分频器速度远比程序分频器的高 故采用由固定分频器与程序分频器组成的吞脉冲可变分频
