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1、第7章 反馈控制电路自动增益控制电路（AGC）自动频率控制电路（AFC）自动相位控制电路锁相环路频率合成器实用电路举例内内容容提提要要为什么引入反馈控制电路为什么引入反馈控制电路 放大器、振荡器、调制器和解调器等功能电路可组成完整的放大器、振荡器、调制器和解调器等功能电路可组成完整的通信系统通信系统,但系统性能不一定完善。但系统性能不一定完善。如如,在在AMAM接收机中接收机中,天线接收信号的强度往往由于电波传播天线接收信号的强度往往由于电波传播原因会有较大的起伏变化原因会有较大的起伏变化,导致放大器输出信号时强时弱不导致放大器输出信号时强时弱不规则变化规则变化,有时造成阻塞。有时造成阻塞。如
2、如,在通信系统中在通信系统中,收发两地的载频应保持严格同步收发两地的载频应保持严格同步,使输使输出中频稳定出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。而要做到这一点也比较困难。7.1 自动增益控制(AGC)7.1.1、AGC电路的工作原理与指标性能 1 电路组成框图当输入信号变化时，保证输出信号幅度基本恒定。包括：能够产生一个随输入信号大小而变化的控制电压，即AGC电压 (）；利用AGC电压去控制某些级的增益，实现AGC。组成具有AGC电路的接收机框图设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为g（uc）,即g 是控制信号uc的函数,则有：Uy=g(uc)Ux 2.2.误差信号提取
3、过程误差信号提取过程在AGC电路中,误差信号提取电路采用电压比较器。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得到Uy与恒定的参考电平UR比较,产生一个误差信号Ue。控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节,增益为1。若Ux减小而使Uy减小时,环路产生的控制信号uc将使增益g(uc)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g(uc)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。3.滤波器的作用 环路中的低通滤波器是非常重
4、要的。由于发射功率变化环路中的低通滤波器是非常重要的。由于发射功率变化,距离远近距离远近变化变化,电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的,因此整因此整个环路应具有低通传输特性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这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用化有控制作用。恰当选择环路的频率响应特性和上限截止频率恰当选择环路的频率响应特性和上限截止频率,使环路对高于截止使环路对高于截止频率的调制信号的变化无响应频率的调制信号的变化无响应,而仅对低于截止频率的缓慢变化的而仅对低于截止频率的缓慢变化的信号才有控制作用。信号才有控制作
5、用。环路截止频率必须低于调制信号的最低频率，才不会出现反调制。环路截止频率必须低于调制信号的最低频率，才不会出现反调制。环路带宽取决于低通滤波器的截止频率。环路带宽取决于低通滤波器的截止频率。4.控制过程说明输出信号振幅Uy与控制电压uc的关系其中：若低通滤波器对于直流信号的传递函数 H(S)=1,当误差信号ue0时,根据图7-1可得：UR 和Uy0、x0之间的关系:当输入信号振幅 ，且保持恒定，环路经自身调节后达到新的平衡状态，这时的误差电压为：-(1)又因为：-(2)比较（1），（2）可知，且 ，说明AGC电路是有电平误差的控制电路。5.动态范围 AGC电路的目的是利用电压误差信号u ue
6、 e去消除输出信号振幅U Uy y与理想电压振幅U Uy0y0之间的电压误差。电路达到平衡状态后,仍会有电压误差存在,从对AGC电路的实际要求考虑,一方面希望输出信号振幅的变化越小越好,即与理想电压振幅 的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅 的变化越大越好,设 是AGC电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比（输出动态范围）为AGC电路容许的输入信号振幅的最大值与最小值之比（输入动态范围）比值 越大,表明AGC电路输入动态范围越大,而输出动态范围越小,则AGC性能越佳。这就要求可控增益放大器的增益控制倍数Ag尽可能大。Ag也可称为增益动态范围,通常用分贝数表示。6.6.响应时间特性响
7、应时间特性 对AGC电路响应时间长度的要求取决于输入信号 的类型和特点,根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定,主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽,则响应时间越短,但容易出现反调制现象。AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制,而增益的变化又取决于输入信号振幅的变化。所以,要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调制现象,这就是响应时间特性。例例7.1 某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB,输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB,需要多少级AG
8、C电路才能满足要求？解：需要三级AGC电路。7.1.2 AGC 电路的类型1.简单 AGC 电路 （参考电平UR）无论输入信号振幅Ux大小如何,AGC的作用都会使增益g减小,从而使输出信号振幅Uy减小。简单电路的优点是线路简单,在实用电路中不需要电压比较器；缺点是对微弱信号的接收很不利,简单AGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。2.延迟 AGC 电路在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电平UR。对应的输入信号振幅即为Ux0,（Uxmin）xmax与xmax区间即为所容许的输入信号的动态范围,ymin与ymax 区间即为对应的输出信号的动态范围。这种AGC电路由于需要延迟到xxmax
9、之后才开始控制作用,1、晶体管收音机中的简单AGC电路 7.1.3 实用电路介绍分析：中频信号电压经检波后，除得到所需音频信号之外，还得到一个平均直流分量。音频信号由RL2两端取出。平均直流分量(反映了输入信号的幅度)从C3两端取出，经低通后，作为AGC电压，加到中放管上去控制中放的增益。V1、R7和C4组成AGC检波电路，运放A为直流放大器，UREF为延迟电平。当输入信号较小时，AGC不起作用。当输入信号较大时,AGC将起作用。可见，该AGC电路具有延迟功能。(2)延迟式AGC电路(3)改变放大器的负反馈深度7.1.4 增益控制电路(AGC)实现AGC的方法（可控增益放大器是AGC电路的关键
10、部件）(1)改变发射极电流IE 正向AGC 反向AGC(2)改变放大器负载由于放大器的增益与负载密切相关，因此通过改变负载就可以控制放大器的增益。通过控制负反馈的深度来控制放大器的增益。具有AGC功能的三极管是特制的三极管，管子的（y参数为yfe）随静态发射极电流IE的改变而迅速变化，2SC398的 的特性曲线。由图可以看出，若取f=100HZ，当 小于5mA的范围内变化时，随 的减小而降低，称反向AGC；当 在大于5mA的范围内变化时，随 的增大而降低，称正向AGC。该管正向AGC的线性范围大于反向AGC，故该管称为正向AGC管。（a）正向AGC（b）反向AGC（a），当Uc IIE yfe
11、时,放大器增益降低。（b），当Uc IIE yfe时,放大器增益降低。反向AGC的优点是工作电流较小，对晶体管安全工作有利，但工作范围较窄，而正向AGC正好相反。7.2 自动频率控制电路（AFC）调幅接收机中的AFC系统具有AFC电路的调频发射机nAFC的工作原理nAFC的应用n组成n工作原理AFC电路组成作用：自动控制振荡器频率稳定组成：频率误差信号提取、低通滤波器和可控频率器件标准频率fr；输出频率fo；误差电压ue(t)；直流控制电压uC(t)。AFC电路的控制参量是频率,可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,压控振荡器的输出角频率为：鉴频器的中心角频率0起参考角频率r的作用，输出误差
12、电压为:若输出信号角频率y与鉴频器中心角频率0不相等时,误差电压ue,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0上。kb是鉴频灵敏度。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：b与c均可视为常数。AFC工作原理 混频鉴频器本振信号本振信号(角频率为角频率为L L)先与输出信号先与输出信号(角频率为角频率为y y)进行混频进行混频,输输出差频出差频:d d=y y-L L,然后再进行鉴频。参考角频率然后再进行鉴频。参考角频率r r=0 0+L L。鉴频器输出误差电压为。鉴频器输出误差电压为:u ue e=k=kb b(0 0-d d)=
13、k)=kb b(0 0+L L)-)-y y=k=kb b(r r-y y)若差频若差频d d与与0 0不相等时不相等时,误差电压误差电压u ue e0,0,经低通滤波器后送出经低通滤波器后送出控制电压控制电压u uc c,调节调节VCOVCO的振荡角频率的振荡角频率y y,使之与使之与L L的差值的差值d d稳稳定在定在0 0上。若上。若L L是变化的是变化的,则则y y将跟随将跟随L L变化变化,保持其差频保持其差频d d基本不变。这时基本不变。这时,L L可以看成是输入信号角频率可以看成是输入信号角频率i i,而输出而输出信号角频率信号角频率y y跟随跟随i i变化变化,从而实现了频率跟
14、踪。从而实现了频率跟踪。7.2.2 AFC电路的主要性能指标1.暂态和稳态响应根据图7-10,可求得AFC电路的闭环传递函数为：所以：即：得：由此得到输出信号角频率的拉氏变换式为：对该式求拉氏反变换,即可得到AFC电路的时域响应,包括暂态响应和稳态响应。2.跟踪特性根据图7-10,可求得AFC电路的误差传递函数如下：由此：可进一步求得AFC电路中误差角频率e的时域稳态误差值如下：增大kb和kc,即提高鉴频灵敏度和压控灵敏度是减小稳态误差、改善跟踪性能的重要途径。增大环路的直流总增益也是减小时域稳态误差的重要方法。例例7.3.7.3.设在图7-10所示AFC电路中,当t0时,y=i=1,若输入信
15、号角频率i在t=0时刻由角频率1变为另一角频率2,增量为,求输出信号角频率的时域响应y(t)的变化量y(t)和稳态误差值e。解：由题意可知,这是一个频率跟踪电路,此处的频率误差信号提取电路应是混频鉴频器,r=0+i，其中0是常数。所以,在t=0时,r的增量也是,其拉氏变换式为r(s)=/s。设低通滤波器为一简单RC无源网络,如下图所示,其传递函数：代入 得：拉氏反变换,可得到：式中:等号右端第一项是稳态响应,第二项是暂态响应。可见暂态响应是由于低通滤波器而引起的,其衰减系数与低通滤波器的时间常数RC成反比。当输入信号角频率增加了,输出信号角频率即使达到稳态后也才增了 ,误差为 。所以,AFC电
16、路是有频率误差的频率控制电路。同时,从式中可知,增大 和 ,即提高鉴频灵敏度和压控灵敏度是减小稳态误差、改善跟踪性能的重要途径。时域稳态误差值：i(t)和y(t)的变化曲线。7.2.3 AFC应用调幅接收机 混频器输出的中频信号经中频放大器放大后，除送到包络检波器外，还送到限幅鉴频器进行鉴频。鉴频器中心频率调在fI上，它可将偏离中频的频率误差变换成电压，该电压通过处理后加到VCO上，VCO振荡频率发生变化，使偏离中频的频率误差减小，直至达到要求。晶体振荡器提供标准频率fr，调频振荡器的中心频率为fc；鉴频器的中心频率调在(frfc)上。由于fr稳定度很高，当fc发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使限幅鉴频器输出电压发生变化，经滤波器后的误差电压加到调频振荡器上，调节其振荡频率使之中心频率稳定。7.2.3 AFC应用调频发射机 7.3 锁相环路的基本原理7.3.1锁相环路的基本原理ui(t)和VCO的uo(t)在PD中进行比较，PD输出的误差电压ud(t)是二者相位差的函数。如果两者频率相同，相位差恒定，则经LF后无输出；如果两者频率不同，则经LF后得到控制电压uc(t)去控制VC
