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1、第10章 反馈控制电路10.1 概述概述利用反馈实现对电子系统自身控制的电路称为反馈控制电路。前面介绍了放大电路、振荡电路、调制电路和解调电路等功能电路，用这些功能电路可以组成一个通信系统和其他电子系统，但是这样组成的系统的性能不一定完善。例如，在调幅接收机中，天线上感生的有用信号的强度往往由于电波传播衰减等原因会有较大的起伏变化，导致放大器输出信号时强时弱，发生不规则变化，有时还会造成阻塞。对于移动接收设备，由于接收设备和发射机的距离以及周围的环境时刻变化，接收天线感应到的信号强弱不断的、无规则地变化。若采用固定增益的放大器，则信号强时会造成阻塞，信号弱时又会造成输出信号太弱，这显然不利于信
2、号的处理。在电子技术中，由于需要具有性能优良的处理和传输信号的器件以及电路，因此广泛采用反馈技术，构成反馈控制系统，完成各种需要的任务。 各种类型的反馈控制电路，就其作用而言，都可看成由反馈控制器和对象两部分组成的自动调节系统，如图10-1所示。图中，Xi、Xo分别为反馈控制电路的输入量和输出量，它们之间有一确定的关系，设为Xo=f（Xi），这个关系是根据使用要求预先设定的。若由于某种原因，使这个关系受到破坏，则反馈控制器就能在对Xo和Xi的比较过程中检测出它们与预定关系之间的偏离程度，从而产生相应的误差量Xe加到对象上，对象根据Xe对Xo进行调节，使Xo与Xi之间接近或恢复到预定的关系。图1
3、0-1 反馈控制电路的组成框图根据控制对象参数的不同，反馈控制电路可分为以下3类：若需要比较和调节的参数为电压或电流，则相应的Xo和Xi为电压或电流的反馈控制电路称为自动增益控制电路（Automatic Gain Control，AGC）。需要比较和调节的参数为频率，则相应的Xo和Xi为频率的反馈控制电路称为自动频率控制电路（Automatic Frequency Control， AFC）。若需要比较和调节的参数为相位，则相应的Xo和Xi为相位的反馈控制电路称为自动相位控制电路（Automatic Phase Control，APC）。自动相位控制电路又称为锁相环路（Phase Locked
4、 Loop，PLL），它是应用最广的一种反馈控制电路，目前已制成通用的集成组件。10.2 自动增益控制电路自动增益控制电路 自动增益控制电路是接收机的重要辅助电路之一，它的作用是使接收机输出电平保持一定范围。接收机的输出电平取决于输入信号电平以及接收机的增益。若接收机的增益恒定不变，则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞，而信号太弱时又可能被丢失。因此希望接收机的增益随接收信号的强弱而变化，信号强时增益低，信号弱时增益高，这样就需要使用自动增益控制电路。10.2.1自动增益控制电路的工作原理自动增益控制电路的工作原理电路组成框图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
5、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，其组成框图如图10-2所示。图10-2 自动增益控制电路的组成它的反馈控制器由检波器、低通滤波器、直流放大器和电压比较器组成，对象就是可控增益放大器。可控增益放大器的电压增益A2受比较器输出误差电压ue的控制。这种控制是通过改变受控放大器静态工作点的电流值、输出负载值、反馈网络的反馈量或与受控放大器相连的衰减网络的衰减量等来实现的。滤波器的作用滤波器的作用当输入信号为调幅信号时，其调制信号为低频信号，经过振幅检波器可将该调制信号检测出来。显然，自动增益控制电路不应该按此信号的变化来控制增益A2。否则，调幅波的有用幅
6、值变化将会被自动增益控制电路的控制作用所抵消，即当此调制信号幅度大时，可控增益放大器的增益下降；当此调制信号幅度较小时，可控增益放大器的增益增加，从而使放大器的输出保持基本不变，这种现象被称为反调制。显然当出现反调制后，可控增益放大器输出的调幅信号的调制度将下降。由于发射功率的变化、距离远近的变化和电波传播衰减等引起信号强度的变化是比较缓慢的，反映其变化的信号应是缓慢变化信号，其频率应该比调制信号的频率低。低通滤波器的作用应该是将调制信号滤除，而保留缓慢变化信号送给电压比较器进行比较。因此，必须选择适当的环路频率响应特性，使对于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
7、有控制作用，这主要取决于低通滤波器的截止频率。图10-3 具有AGC电路的接收机框图(a) 超外差收音机框图 (b)电视接收机框图图10-3b是电视接收机的框图，具有较复杂的AGC电路。电视天线收到的信号经放大、变频、再放大后，进行检波，取出视频信号。预视放对视频信号放大，除送到下一级视频放大外，还送到AGC电路。去除干扰后，再经AGC检波和放大。AGC检波的目的类似于超外差收音机中的AGC电压滤波器的作用，即取出信号平均值，作为AGC电压uAGC。uAGC除控制中放增益外，还经过延迟放大，去控制高放增益。图10-4 晶体管|yfe|IE特性图10-5 反向AGC电路10.2.4 AGC电压的
8、产生电压的产生接收机的AGC电压大都是利用它的输出信号经检波后产生的。按照控制电压uAGC产生的方式，AGC电路可分为平均值型和峰值型两种电路。平均值型平均值型AGC电路电路平均值型AGC电路最为简单，在广播收音机中广泛采用。图10-6 平均值型AGC电路图10-6是一种常见的平均值型AGC电路。其中二极管VD、电阻R1、R2以及电容C1、C2构成检波器，RP和CP构成低通平滑滤波器。中频信号电压uI经检波后，除得到所需的音频信号之外，还可得到一个直流分量U0，这个直流分量的大小与输入中频信号的载波电平成正比，与调幅系数无关。检波后的信号送给低通平滑滤波器，把检波后的音频信号滤除，将直流分量U
9、0作为AGC电压送至前级去控制放大器的增益。为使AGC电压只与中频信号的载波幅度有关，因此必须保证将音频信号滤除。这就要求合理选择低通平滑滤波器RP、CP的时间常数P。若P太大，则控制电压uAGC会跟不上外来信号电平的变化，接收机的增益将不能得到及时的调整，失去应有的AGC作用。反之，若P太小，则将无法完全滤除音频信号，uAGC将会随音频信号的变化而变化，使调幅波受到反调制，减弱输入信号的调幅度，从而降低检波器输出的音频信号电压的振幅。调制信号的频率越低，反调制越严重，容易产生频率失真。在选择时间常数P时，应根据输入信号的最低调制频率来选择。调制信号的最低频率为50Hz时，应使滤波电路的电阻R
10、P =4.7k、CP =1030F。峰值型峰值型AGC电路电路平均值型AGC是将检波器输出信号的平均值作为AGC电压。显然AGC电压不只与接收信号强弱有关，而且还与调制信号的内容有关。在电视系统中，调制信号是图像信号，它的内容变化很大，平均值型AGC控制方式会使图像质量变差，一般不宜采用。在电视系统中常采用峰值型AGC电路，它是采用峰值检波器检波，检波输出的AGC电压仅反映输入信号的峰值（即视频信号的同步头），只与接收信号的强弱有关，而与图像内容无关。该电路对于幅度低于同步信号峰值的干扰脉冲是有抑制能力的，但当有比同步脉冲幅度大的强干扰时，AGC电压将会反映出干扰峰值，使AGC工作不正常。因此
11、必须在进行峰值检波之前，加设消噪电路将强脉冲干扰消除。图10-7 峰值型AGC电路10.3 自动频率控制电路自动频率控制电路自动频率控制电路是一种频率反馈控制系统，其作用是自动调整振荡器的频率，使振荡器的振荡频率维持稳定。10.3.1自动频率控制电路工作原理自动频率控制电路工作原理自动频率控制电路的组成框图如图10-8所示。它的对象是振荡频率受误差电压控制的压控振荡器（VCO），反馈控制器由检测频率误差的混频器、差频放大器、将频率误差变换为相应误差电压的限幅鉴频器及放大器组成。图10-8 自动频率控制电路的框图图10-9是采用AFC电路的超外差式调幅接收机的组成框图。它将本机振荡器变为压控振荡
12、器，并在压控振荡器和中放之间增加了一级限幅鉴频器和低通滤波器。中放的输出信号除送到包络检波器外，还送到鉴频器进行鉴频。将偏离于额定中频的频率误差变换为误差电压，该电压通过低通滤波器后加在压控振荡器上，改变压控振荡器的振荡角频率，使偏离于额定中频的频率误差减小。从而使混频器的输出频率接近额定中频。这样就可以使中频放大器的带宽减小，有利于提高接收机的灵敏度和选择性。图10-9 超外差接收机AFC系统10.3.2自动频率微调电路自动频率微调电路为了克服高频调谐器本振频率的不稳定而带来的彩色失真、图像质量下降等影响，通常在彩色电视机的图像通道中加入自动频率微调电路（以下简称AFT电路），使电视机的本振
13、频率能自动地稳定在正常值，以保证电视机所收看的彩色电视图像质量稳定。 1自动频率微调电路的组成自动频率微调电路的组成 自动频率微调电路（AFT电路）的作用就是自动检出图像中频频率（38 MHz）的误差分量，并将其转换成脉动直流电压反馈至高频调谐器中的本振电路，使本振电路严格按照被接收的频道节目，始终跟踪一个固定的中频频率。自动频率微调电路的组成如图10-10的右下部分（AFT电路）所示。它由中放限幅级、鉴频器、直流放大级以及频率控制器件等部分组成。 图10-10 自动频率微调电路的组成2AFT电路的工作原理电路的工作原理经中频放大器输出的图像中频信号除送入视频检波器进行检波外，还送入鉴频器进行
14、鉴频。当图像中频低于标准值38 MHz时，鉴频器的输出是一个负的直流控制电压Uc，此电压经直流倒相放大后，输出一个正向的UAFT（），这个电压送至高频头本振回路的变容二极管的负极上，使变容二极管的结电容容量减小，导致本振频率升高，于是高频头输出的图像中频也升高，直到回到正确的频率值。 当图像中频高于38 MHz时，鉴频器的输出是一个正的直流控制电压Uc，此电压经直流倒相放大后，输出一个负向的UAFT（），这个电压送至高频头本振回路的变容二极管的负极上，使变容二极管的结电容容量变大，使本振频率下降，于是高频头输出的图像中频也下降，直到回到正确的图像中频38 MHz为止。10.4锁相环路锁相环路利
15、用自动频率控制电路可以控制频率，并使其保持稳定。但由于AFC电路是在存在频率误差的基础上，利用该误差来减小误差。通过对AFC电路的分析可见，当最后达到平衡状态时，误差不可能完全消除，而是存在一个较小的剩余频率误差，这样往往达不到所要求的频率精度。与自动频率控制电路一样，锁相环路也是一种可以实现频率跟踪的自动控制电路。但与自动频率控制电路不同的是，锁相环路是通过对相位的控制来实现对频率的控制，可以实现无误差的频率跟踪。10.4.1 锁相环路的工作原理锁相环路的工作原理图10-13所示为最简单的锁相环路的组成框图。锁相环路的对象为压控振荡器（Voltage Controlled Oscillato
16、r，VCO），反馈控制器由能够检测出相位误差的鉴相器（Phase Detector，PD）和环路滤波器（Loop Filter，LF）组成。图10-13 基本锁相环路的框图鉴相器鉴相器鉴相器（PD）是一个相位比较器，它的两个输入信号电压分别为环路的输入信号电压ui（t）和压控振荡器的输出电压uv（t），如图10-14 a所示。它的作用是检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，产生相应的输出电压ud（t）。图10-14 鉴相器的电路模型(a) 鉴相器框图 (b) 鉴相器的数学模型此，鉴相器的电路模型如图10-14 b所示。环路滤波器（环路滤波器（LF）环路滤波器是一个低通滤波器，它的作用是滤除鉴相器
17、输出电压中的高频分量及其他干扰分量，而让鉴相器输出电压中的低频分量或直流分量通过，以保证环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。在锁相环路中，常用的环路低通滤波器除简单RC滤波器外，还广泛采用无源和有源的比例积分滤波器，分别如图10-15所示。图10-15 环路滤波器(a) 简单RC滤波器 (b) 无源比例积分滤波器 (c) 有源比例积分滤波器图10-16 环路滤波器的数学模型压控振荡器压控振荡器压控振荡器（VCO）是瞬时振荡角频率v（t）受控制电压uc（t）控制的一种振荡器。它的作用是产生频率随控制电压变化的振荡电压，其电路形式和调频振荡器相同。图10-17所示为压控振荡器的特性曲线。由图可知
18、，当未加控制电压（uc=0），而仅有静态偏压时，压控振荡器的振荡角频率为中心角频率0，称为固有角频率。v以o为中心而变化，在一定范围内v与uc成线性关系。图10-17 压控振荡器的特性曲线图10-18 压控振荡器的数学模型图10-19 锁相环路的相位模型10.4.4 锁相环路的基本特性锁相环路的基本特性总结以上的讨论可知，锁相环路在正常工作状态（锁定）时，具有以下的基本特性：（1）锁定后没有频差 在没有干扰和输入信号频率不变的情况下，环路一经锁定，环路的输出信号频率与输入信号频率相等，没有剩余频差，只有不大的固定相差。（2）有自动跟踪特性 锁相环路在锁定时，输出信号频率能在一定范围内跟踪输入信
19、号频率。（3）有良好的窄带特性 锁相环路相当于一个高频窄带滤波器，它不但能滤除噪声和干扰，而且还能跟踪输入信号的载频变化，从受噪声污染的未调或已调（有载波调制或抑制载波调制）的输入信号中提取纯净的载波。10.5 集成锁相环及其应用集成锁相环及其应用集成锁相环路的制成，使锁相环路的成本降低，可靠性提高，因而使它的应用日益广泛。10.5.1 集成锁相环路集成锁相环路集成锁相环路可分为模拟锁相环路和数字锁相环路两大类。无论是模拟锁相环路还是数字锁相环路，按其用途又可分为通用型和专用型两种。通用型是一种适应于各种用途的锁相环，其内部电路主要由鉴相器和压控振荡器两部分组成。有时还附加放大器和其他辅助电路
20、。环路滤波器一般需外接，也有用单独的集成鉴相器和集成压控振荡器连接成符合要求的锁相环路。专用型是一种专为某种功能设计的锁相环。如用于调频立体声解码电路以及彩色电视机的色解调电路等处的锁相环路。按照最高工作频率的不同，集成锁相环路可分成低频（1MHz以下）、高频（130MHz）、超高频（30MHz以上）等几种类型。各种集成锁相环路所采用的集成工艺不同，其内部电路也有些不同。目前生产的集成锁相环路已有成百上千种。集成锁相环路已成为继运算放大器和模拟乘法器后的又一种常用的集成器件。下面，以国产SL565和L562两种模拟集成锁相环路为例，介绍典型集成锁相环路的使用。图10-20所示为这两种集成锁相环
21、路的组成框图。图10-20模拟集成锁相环路的组成框图 (a) SL565 图10-20 模拟集成锁相环路的组成框图 (b) L56210.5.2 锁相环路的应用锁相环路的应用锁相倍频、分频和混频锁相倍频、分频和混频在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器，就组成了锁相倍频电路，图10-21所示为其框图。图10-21 锁相倍频电路的框图VCO的输出角频率v可以调整到等于所需的倍频角频率上，当环路锁定后，PD的输入信号角频率与反馈信号角频率相等，即i=v/n，v =ni，所以VCO输出信号角频率是输入信号角频率的n倍。若输入信号由晶振产生，分频器的分频比是可变的，则可以得到一系列稳定的间隔为i的角频率
22、信号输出。如果将插入的分频器改为倍频器，则可组成锁相分频电路，即v =i/n。在基本锁相环路的反馈通道中插入混频器和中频放大器，还可以组成锁相混频器，其框图如图10-22所示。设混频器输入本振信号角频率为L，则当环路锁定时，有i=|L-v|，即v=Li，从而实现混频作用。图10-22 锁相混频器的框图锁相调频和鉴频锁相调频和鉴频用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号，图10-23所示为其框图。锁相环使VCO的中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到VCO，对中心频率进行频率调制，得到FM信号输出。调制信号的频谱应处于LF的通频带之外，并且调频系数不能太大。调制信号不能通过LF，
23、因此不形成调制信号的环路，这时的锁相环仅仅是载波跟踪环，调制频率对锁相环路无影响。锁相环路只对VCO的平均中心频率的不稳定因素起作用，此不稳定因素引起的波动可以通过LF。这样，当锁定后，VCO的中心频率锁定在晶振频率上。输出的调频波中心频率稳定度很高。用锁相环路的调频器能克服直接调频中心频率稳定度不高的缺点。图10-23 锁相环调频器 根据锁相环路的频率跟踪特性，在系统处于调制跟踪状态时，可用于解调调频信号，如图10-24所示。若输入为调频波，且其最大瞬时频率满足跟踪的条件，则当输入调频波的频率发生变化时，经过PD和LF后，将输出一个控制电压，与输入信号的频率变化规律相对应，以保证VCO的输出
24、频率与输入信号频率相同。如果从环路滤波器引出控制电压，即可得到调频波的解调信号。 图10-24 锁相环鉴频器图10-25所示为使用L562组成的锁相鉴频器的外接电路。由图可见，输入调频信号电压ui经耦合电容C4、C5以平衡方式加到鉴相器的一对输入端点11和12，VCO的输出电压从端点3取出，经耦合电容C6以单端方式加到鉴相器的另一对输入端中的端点2，而另一端点15则经0.1F的电容交流接地。从端点1取出的稳定基准电压经1k电阻分别加到端点2和15，作为双差分对管的基极偏置电压。放大器A3的输出端点4外接12 k电阻到地，其上输出VCO电压。放大器A2的输出端点9外接15 k电阻到地，其上输出解
25、调电压。端点10外接去加重电容C3，以提高解调电路的抗干扰性。图10-25 采用L562的锁相鉴频器的外接电路4彩色电视中彩色副载波的提取彩色电视中彩色副载波的提取为使彩色电视机与黑白电视机能够兼容，对彩色电视信号有一定的要求。要求之一就是彩色电视信号与黑白电视信号占有同样的带宽。为此将传送彩色信息的色度信号频带压缩到1.3MHz（我国标准），并用与图像载波不同的载波来传送。此载波称为彩色副载波。在接收端为了接收和重现彩色信息，要从全电视信号中将彩色副载波提取出来。具体来说，要根据全电视信号中的色同步信号产生频率和相位都正确的解调副载波。因为只有收发两端必须保持严格的同步，才能正确再现彩色图像
26、，所以解调出来的（或再生的）彩色副载波必须与色同步信号的频率严格相等，相位保持正确的关系。利用锁相环路即可满意地完成上述任务。图10-26所示是解调副载波锁相环，解调副载波由压控振荡器产生，其频率与相位均受色同步选通电路输出的色同步信号的控制。图10-26 解调副载波锁相环 5振幅调制信号的同步检波振幅调制信号的同步检波对DSB及SSB调幅信号进行解调时，必须使用同步检波，即必须保证本地产生的载波信号与调幅信号中的载波信号同频同相。此外，在数字通信中还有位同步、帧同步和网同步等。可见，同步信号的产生是非常重要的。显然，用载波跟踪型锁相环路就能得到这样的信号，如图10-27所示。不过采用模拟鉴相
27、器时，VCO输出电压与输入已调信号的载波电压之间有90的固定相移，因此，必须加90相移器使VCO输出电压与输入已调信号的载波电压同相。将这个信号与输入已调信号共同加到同步检波器上，就可得到所需要的解调电压。图10-27 采用锁相环的同步检波电路本章小结本章小结1反馈控制电路是一个闭环负反馈系统，是一种在电子电路中十分重要、应用十分普遍的技术。反馈控制技术可以分别自动控制电路中的信号幅度、频率或相位。由于自动控制电路是利用参数的误差来减小误差，因此不能完全消除误差。2自动增益控制电路可以维持输出电压基本恒定。它将输出电压的一部分反馈到前级受控晶体管，可按照输入信号的强弱自动改变受控晶体管的增益。在输入信号弱时增益高，反之增益低。3自动频率控制电路可以使频率保持稳定。它是将频率的变化解调后，送至压控振荡器改变其振荡频率，使振荡频率与标准频率接近一致。4锁相环路通过控制信号的相位，达到控制信号频率的目的。控制的结果是存在剩余相位差，而没有剩余频率差，因此可以实现精确的频率跟踪。由于锁相环路的良好性能，其应用极其广泛。锁相环路可用于频率合成与频率变换、调制与解调、混频、倍频与分频、自动频率调谐跟踪、位同步提取与载波恢复等方面。
