第二十讲 反馈控制电路20.1 概述20.2 自动增益控制电路20.3 自动频率控制电路20.4 锁相环路反馈控制电路20.１ 概述放大电路、 振荡电路、 调制电路和解调电 路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统, 但是这样组成的系统其性能不一定完善如, 调 幅接收机中, 天线上感生的有用信号的强度往往 由于电波传播衰落等原因有较大的起伏变化, 导 致放大器输出信号时强时弱；又如, 在通信系统 中, 收发两地的载频应保持严格同步, 使输出中频 稳定, 而要做到这一点也比较困难 反馈控制电路所以, 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 根据控制对象参量的不同, 反馈控制电路可 分为以下三类： 自动增益控制（ＡＧＣ）, 自动 频率控制（ＡＦＣ）和自动相位控制（ＡＰＣ） 自动相位控制电路又称为锁相环路（ＰＬＬ）, 是应用最广的一种反馈控制电路 反馈控制电路反馈控制电路的基本原理图20-1 反馈控制系统组成反馈控制电路比较器的作用是将外加参考信号ｒ（ｔ）和 反馈信号ｆ（ｔ）进行比较, 输出二者的差值即误 差信号ｅ（ｔ）, 然后经过控制信号发生器送出控 制信号ｃ（ｔ）, 对可控器件的某一特性进行控制 。
对于可控器件, 或者是其输入输出特性受控制 信号ｃ（ｔ）的控制（如可控增益放大器）, 或者 是在不加输入的情况下, 本身输出信号的某一参量 受控制信号ｃ（ｔ）的控制（如压控振荡器） 而反馈网络的作用是在输出信号ｙ（ｔ）中提取 所需要进行比较的分量, 并送入比较器 反馈控制电路根据输入比较信号参量的不同, 图中的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）三种, 所以对应的ｒ（ｔ）和ｆ（ｔ）可以是电压、频率或相位参量 误差信号ｅ（ｔ）和控制信号ｃ（ｔ）一般是电压 可控器件的可控制特性一般是增益或频率, 所以输出信号ｙ（ｔ）的量纲是电压、频率或相位 反馈控制电路根据参考信号的不同状况, 反馈控制电路的 工作情况有两种： １ 参考信号ｒ（ｔ）不变, 恒定为ｒ0假定 电路已处于稳定状态, 输入信号ｘ（ｔ）恒定为 ｘ0, 输出信号ｙ（ｔ）恒定为ｙ0, 误差信号恒 定为ｅ0 现由于输入信号ｘ（ｔ）或可控器件本身 的特性发生变化, 导致输出信号ｙ（ｔ）发生 变化, 产生一个增量Δｙ, 从而产生一个新的反 馈信号ｆ（ｔ）, 经与恒定的参考信号ｒ0比较, 必然使误差信号发生变化, 产生一个增量Δｅ。
反馈控制电路误差信号的变化将使可控器件的特性发生 变化, 从而使ｙ（ｔ）变化的方向与原来变化 的方向相反, 也就是使Δｙ减小 经过不断地 循环反馈, 最后环路达到新的稳定状态, 输出ｙ （ｔ）趋近于原稳定状态ｙ0 由此可见, 反馈控制电路在这种工作情况 下, 可以使输出信号y(t)稳定在一个预先规定的 参数上 反馈控制电路２. 参考信号ｒ（ｔ）变化，由于ｒ（ｔ）变 化, 无论输入信号ｘ（ｔ）或可控器件本身特性有 无变化, 输出信号ｙ（ｔ）一般均要发生变化从 ｙ（ｔ）中提取所需分量并经反馈后与ｒ（ｔ） 比较, 如果二者变化规律不一致或不满足预先设置 的规律, 则将产生误差信号, 使 ｙ（ｔ）向减小误 差信号的方向变化, 最后使ｙ（ｔ）和ｒ（ｔ）的 变化趋于一致或满足预先设置的规律 由此可见, 这种反馈控制电路可使输出信号ｙ（ｔ）跟踪参考信号ｒ（ｔ）的变化 反馈控制电路在通信系统中, 由于受发射功率大小、 收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响, 接收机所接收的信号强弱变化范围很大, 信号最强时与最弱时可相差几十分贝因此, 必须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。
20.2 自动增益控制电路反馈控制电路20.2.1 工作原理１ 电路组成框图自动增益控制电路是一种在输入信号幅值变化很大的情况下, 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 反馈控制电路图20-2 AGC系统组成设输入信号振幅为Ux, 输出信号振幅为Uy, 可控增益放大器增益为Ａg（uc）, 即其是控制信号uc的函数, 则有：Uy=Ag(uc)Ux反馈控制电路２ 比较过程在ＡＧＣ电路里, 比较参量是信号电平, 所以 采用电压比较器反馈网络由电平检测器、 低通 滤波器和直流放大器组成 反馈网络检测出输出 信号振幅电平（平均电平或峰值电平）, 滤去不需 要的较高频率分量, 然后进行适当放大后与恒定的 参考电平UR比较, 产生一个误差信号 控制信号 发生器在这里可看作是一个比例环节, 增益为ｋ1 若Ux减小而使Uy减小时, 环路产生的控制信号 uc将使增益Ａg增大, 从而使Uy趋于增大若Ux增 大而使Uy增大时, 环路产生的控制信号uc将使增 益Ａg减小, 从而使Uy趋于减小无论何种情况, 通过环路不断地循环反馈, 都应该使输出信号振幅 Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。
反馈控制电路反馈控制电路３ 滤波器的作用环路中的低通滤波器是非常重要的整个环 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, 使 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这就 主要取决于低通滤波器的截止频率 反馈控制电路４ 控制过程说明设输出信号振幅Uy与控制电压uc的关系为:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy 又有: Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc 又有 Uy0=Ag(0)Ux0反馈控制电路式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出 信号振幅, Ux0和Ａg（０）是相应的输入信号振 幅和放大器增益, ｋc和ｋｇ皆为常数 若低通滤波器对于直流信号的传递函数为１, 当误差信号ue＝０时, 写出UR和Uy0、Ｕx0之间的 关系: UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0 当输入信号振幅Ux≠Ux0且保持恒定时, 环路 经自身调节后达到新的平衡状态, 这时的误差电 压反馈控制电路u e∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞) 又 U y∞=［Ag(０)+kck1u e∞］Ux 从以上两式可知, u e∞≠0, 否则将有Ux=Ux0, 与条件不符合。
同时也说明U y∞≠Ｕy0, 即ＡＧＣ电路是有电平误差的控制电路式中，k2、k3和kb均为比例系数反馈控制电路20.3 自动频率控制电路20.3.1 工作原理自动频率控制（ＡＦＣ）电路由频率比较器 、 低通滤波器和可控频率器件三部分组成 图20-3 AFC控制系统组成反馈控制电路ＡＦＣ电路的控制参量是频率频率比较器通常有两种, 一种是鉴频器, 另一种是混频—鉴频器在前一种情况, 鉴频器的中心角频率ω0起参考信号ωr的作用在后一种情况, 本振信号(角频率为ωL)先与输出信号(角频率为ωy)进行混频, 然后再进行鉴频参考信号ωr=ω0+ωL 反馈控制电路频率比较器输出的误差信号ue是电压信号, 送入低通滤波器后取出缓变控制信号uc可控频率器件通常是压控振荡器（ＶＣＯ）, 其输出振荡角频率可写成: ωy(t)=ωy0+kcuc(t) 其中ωy0是控制信号uc (t)=0时的振荡角频率, 称为ＶＣＯ的固有振荡角频率, ｋc是压控灵敏度 反馈控制电路当频率比较器是鉴频器时, 输出误差电压为 ： ue=kb(ω0-ωy)=kb(ωr-ωy) 若输出信号角频率ωy与鉴频器中心角频率ω0 不相等时,误差电压ue≠０, 经低通滤波器后送出控 制电压uc, 调节ＶＣＯ的振荡角频率, 使之稳定在 ω0上。
kb是鉴频灵敏度 当频率比较器是混频—鉴频器时, 其中混频 器输出差频ωd=ωy-ωL, 而鉴频器输出误差电压为:ue=kb(ω0-ωd)=kb［(ω0+ωL)-ωy］=kb(ωr-ωy) 反馈控制电路这时, ωL可以看成是输入信号角频率ωi, 而 输出信号角频率ωy跟随ωi变化, 从而实现了频率 跟踪 鉴频器和压控振荡器均是非线性器件, 但在 一定条件下, 可工作在近似线性状态, 则ｋp与ｋc 均可视为常数 若差频ωd与ω0不相等时, 误差电压ue≠0, 经低 通滤波器后送出控制电压uc, 调节ＶＣＯ的振荡 角频率ωy, 使之与ωL的差值ωd稳定在ω0上若ωL 是变化的, 则ωy将跟随ωL变化, 保持其差频ωd基 本不变 反馈控制电路20.4 锁相环路 ＡＦＣ电路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 锁相环路也是一种以消除频率误差为目的 的反馈控制电路但它的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。
反馈控制电路20.4.1基本原理锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控 振荡器三部分组成被控参量是相位 设旋转矢量 和 分别表示鉴相器输入参考 信号ui（ｔ）和压控振荡器输出信号uy（ｔ）, 它 们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为ωi（ｔ）、 ωy（ｔ）和φi（ｔ）、 φy（ｔ）显然, 只有当两 个旋转矢量以相同角速度（即ωi＝ωy）旋转时, 它 们之间的相位差才能保持恒定值 反馈控制电路图20-4 PLL控制系统组成反馈控制电路图20-5 跟踪原理反馈控制电路鉴相器将此恒定相位差变换成对应的直流电 压, 去控制ＶＣＯ的振荡角频率ωy, 使其稳定地振 荡在与输入参考信号相同的角频率ωi上这种情 况称之为锁定反之, 两者角频率不相等, 相位差 不恒定, 则称为失锁若某种因素使ωy偏离了ωi, 比如说, ωy＜ωi, 则 比 旋转得慢一些, 瞬时相位 差［φi（ｔ）－φy（ｔ）］将随时间增大, 则鉴相 器产生的误差电压也相应变化该误差电压通过 环路滤波器（实际上是一个低通滤波器）后, 作为 控制电压调整ＶＣＯ的振荡角频率, 使其增大, 因 而瞬时相位差也将减小。
反馈控制电路经过不断地循环反馈, 矢量的旋转角速度逐渐加快, 直到与 旋转角速度相同, 重新实现ωy＝ωi, 这时环路再次锁定, 瞬时相位差φ0为恒值, 鉴相器输出恒定的误差电压反馈控制电路。