自动增益控制AGC电路

第8章反馈控制系统8.1概述8.2自动增益控制(AGC)电路8.3自动频率控制(AFC)电路8.4锁相环路(PLL)8.5利用PLL完成无线数字广播小结习题第8章反馈控制系统本章要点：·自动增益控制(AGC)·自动频率控制(AFC)·锁相环路(PLL)本章难点·自动增益控制(AGC)·自动频率控制(AFC)·利用PLL完成无线数字广播第8章反馈控制系统8.1概述在电子电路中，为提高系统的性能，广泛采用具有自动调节作用的控制电路，如自动增益控制(AGC)电路、自动频率控制(AFC)电路和自动相位控制(APC)电路。第8章反馈控制系统在具有自动调节作用的控制电路中，最常用反馈控制电路，其电路组成如图8-1所示。其中Xi为系统的输入量，也就是反馈控制电路的比较标准量；Xo为系统输出量。根据工作的实际需要，每个反馈控制电路的Xi和Xo之间都具有确定的关系，例如满足Xi＝g(Xo)。系统在工作过程中，这一关系一旦受到破坏，反馈控制电路能够检测出输出量与输入量的偏离程度，并产生相应的误差量Xe控制被控对象对输出量Xo进行调整，使输出量与输入量之间的关系接近或恢复到预定的关系Xi＝g(Xo)。第8章反馈控制系统图8-1反馈控制电路的组成框图第8章反馈控制系统自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)电路是一种反馈控制电路，是接收机的重要辅助电路，需要比较和调节的参量为电流和电压，用来控制输出信号的幅度。8.2自动增益控制(AGC)第8章反馈控制系统8.2.1AGC1.AGC接收机工作时，其输入信号取决于输入信号和接收机的增益。而接收机的输入信号由于发射台功率的大小，接收机与发射台距离的远近，接收环境的迅速改变和电波在传播过程中衰落等原因而强弱相差很大，例如从几微伏到几百毫伏，如果接收机的增益恒定不变，则输出信号也相差很大。第8章反馈控制系统若接收机的增益高，则弱信号时能够正常接收，但强信号时将会使接收机造成信号阻塞，甚至损坏负载；若接收机的增益低，则强信号时能够正常接收，而弱信号时却接收不到。因此，为使接收机能够正常工作，要求在弱信号接收时增益高，在强信号接收时增益低，必须增加自动增益控制电路。第8章反馈控制系统AGC电路的作用是：当输入信号变化很大时，保持接收机的输出信号基本稳定(变化不大)。即当输入信号弱时，接收机增益高；而当输入信号强时，接收机增益低。第8章反馈控制系统2.AGC为了实现自动增益控制，必须产生一个随输入信号而自动变化的AGC电压，利用这个电压去控制接收机某些级的增益，从而达到AGC的控制目的。图8-2为具有AGC的调幅接收机的方框图。第8章反馈控制系统图8-2为具有AGC的调幅接收机的方框图。第8章反馈控制系统图中，天线将接收到的信号经高放、混频、中放、检波、前置放大和低功放，推动扬声器工作。当接收信号较弱时，高放AGC、中放AGC都不起作用，此时高放级、中放级增益最大，完成正常信号的接收、还原；当接收信号较强时，检波器输出信号幅度大，经低通滤波器滤波，取出反映输入信号大小的直流分量，即AGC电压，去控制中放级的增益，不致于检波输出信号幅度过大；若接收信号幅度大到一定的数值，此时中放AGC已无法控制中放级的增益，延迟AGC开始起作用，进而控制高放级的增益，使检波器输出信号幅度降低，从而保证接收机接收不同幅度的信号时，检波器输出信号基本不变。第8章反馈控制系统8.2.2AGC接收机的AGC电压大都是利用它的中频输出信号经检波后产生的。按照AGC电压产生的方法不同，有平均值式AGC电路、延迟式AGC电路等。1.平均值式AGC平均值式AGC电路是利用检波器输出电压中的平均直流分量作为AGC电压的，如图8-3所示为典型的平均值式AGC电路，常用于超外差收音机电路中。第8章反馈控制系统图8-3平均值式AGC电路第8章反馈控制系统图中，由D、C1、C2、RL1、RL2构成大信号峰值包络检波器。中频信号ui(t)经检波后，在负载RL2两端得到原调制信号和直流成分，其中一路经Cc耦合送至低频放大器，得到调制信号uΩ(t)(收音机中即为音频信号)。另一路经Rp、Cp组成的低通滤波器，得到直流电压UAGC，去控制中放级的增益。由于此电路中得到的UAGC为检波输出电压中的平均值，因此称之为平均值式AGC电路。第8章反馈控制系统低通滤波器的Rp、Cp值要正确地选择。若τ＝RpCp太小，则AGC电压中还含有残余的低频调制信号分量，UAGC将随外来信号的包络变化，这样会使放大器产生额外的反馈作用，从而使调幅波受到反调制；若τ＝RpCp太大，则UAGC跟不上外来信号的变化，接收机的增益得不到及时的调整，失去应有的AGC作用。一般选择RpCp＝(5～10)/Ωmin。第8章反馈控制系统2.延迟式AGC电路如图8-4所示为电视机采用的峰值延迟式AGC控制框图。图8-4电视机AGC控制框图第8章反馈控制系统在电视接收机中，通常由声表面波滤波器(SAWF)和IC内的中放构成集成宽带放大器，中放通常由三级双差分放大电路组成。AGC电路由AGC检波和AGC放大电路组成。AGC检波采用峰值AGC检波电路，先将视频信号中的同步脉冲切割出来加以放大，然后对同步脉冲进行平均值检波。第8章反馈控制系统AGC检出电压按不同比例分送三级中放，根据信号的强度，从第三级到第二级、第一级依次控制三级中放的增益。当电视信号增强至中放增益已不能再减小时，高放AGC起控，去控制高频调谐器内高放级的增益。在电路中都设置调整高放AGC起控点的电路，从而准确完成延迟式AGC控制。延迟AGC特性曲线如图8-5所示。第8章反馈控制系统图8-5延迟AGC特性曲线第8章反馈控制系统当接收信号电平较低(0~5μV之间)时，高放、中放AGC均不起作用，高放、中放的增益均为最大，总增益也最大；当接收电平升到5μV时，中放AGC起控，随接收电平上升，中放增益下降，且高放增益最大(不变)，总增益下降；当接收电平升到5mV时，中放AGC控制不了，中放增益降至最小，此时高放AGC起控，随接收电平上升，高放增益下降，总增益下降。第8章反馈控制系统采用这种延迟AGC分段控制，自动调节中放和高放的增益，可以提高信噪比。例如，电视机接收强弱不同的电视信号时，采用延迟AGC可使检波电路输出的视频信号幅度保持稳定。第8章反馈控制系统8.2.3实现AGC的方法实现AGC的方法很多，这里仅介绍两种常用的方法。1.改变发射极电流IE这是在分立元件电路组成的接收机中常用的实现AGC的方法。由于放大器的增益与晶体管参数β有关，而β又与管子的工作点电流IE有密切关系，因此可以通过改变IE来控制放大器的增益。第8章反馈控制系统(1)AGC的控制方式。如图8-6所示为AGC管的β~IE曲线。改变IE可达到改变β之值，完成AGC作用。通常用的有两种控制方式，一种是IE增大，β减小，即为正向AGC控制；另一种是IE减小，β减小，即为反向AGC控制。第8章反馈控制系统图8-6AGC管的β~IE曲线第8章反馈控制系统(2)电路举例。在分立元件AGC控制电路中，经常采用正向、反向AGC控制方式，图8-7(a)为正向AGC控制电路，图8-7(b)为反向AGC控制电路。在图8-7(a)中，UAGC通过R5、Tr1次级绕组加至晶体管基极，可产生如下变化：UAGC↓→UBE↓→IB↓→IC↓→IE↓→β从而实现正向AGC控制。在图8-7(b)中，UAGC通过R5加至晶体管发射极，产生UAGC↑→UBE↑→IB↑→IC↑→IE↑→β控制，从而实现反向AGC控制。第8章反馈控制系统图8-7正向与反向AGC控制电路第8章反馈控制系统2.这是在集成电路组成的接收机中常用的实现AGC的方法。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。在集成电路中，受控放大器的部分负载常是三极管的射极输入电阻，若用AGC电压控制管子的偏流，则该电阻也随着改变，从而达到控制放大器增益的目的。第8章反馈控制系统8.3自动频率控制(AFC)自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，AFC)电路是一种反馈控制电路，它能够自动调整振荡器的工作频率，使之稳定在某一预期的标准频率附近。第8章反馈控制系统8.3.1AFCAFC电路的原理框图如图8-8所示，它由鉴频器、低通滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器(VoltageControlledOscillator，VCO)的输出频率fo和标准频率fr在鉴频器中进行频率比较，当fo＝fr时，鉴频器输出ud(t)=0，压控振荡器不受影响；当fo≠fr，鉴频器输出ud(t)，经低通滤波器后，获取误差直流控制电压uc(t)，去控制压控振荡器，使其输出频率fo趋近于fr，经过多次循环，最后fo与fr的误差减小到某一最小值Δf(称为剩余频差)，环路进入频率锁定状态，输出fo＝fr+Δf。第8章反馈控制系统图8-8AFC电路原理框图第8章反馈控制系统AFC电路利用负反馈作用控制VCO，使剩余频差Δf最小。在整个自动频率控制过程中，系统频差Δf始终存在，这是AFC电路的一个重要特点。系统的自动频率控制也有一定的控制范围。第8章反馈控制系统8.3.2AFC电路的应用AFC电路广泛应用于接收机和发射机中的自动频率微调电路、调频接收机中的解调电路及测量仪器中的线性扫描电路等。1.用于超外差接收机中稳定中频频率在超外差接收机中，选择性和灵敏度主要取决于中频放大器，而中频频率的稳定则是系统选择性与灵敏度的重要保证。为稳定中频频率，在高质量的接收机中，常采用AFC电路来实现中频频率的稳定。第8章反馈控制系统(1)采用AFC的调频收音机。具有AFC的调频收音机框图如图8-9所示。高放电路把88~108MHz调频广播接收频率范围的射频信号进行放大，加到混频器，本振信号也加到混频器，完成差频(fI=fL－fc)。本振、高放二者统调，与混频器一起完成超外差接收，产生10.7MHz的中频信号，经中放、限幅放大、鉴频、去加重及前置放大和功放，推动扬声器工作。同时，鉴频后另一路信号经低通滤波器，取出误差直流，控制本振频率fL。利用负反馈回路完成AFC作用，减小fI的频率漂移，实现稳频。第8章反馈控制系统图8-9具有AFC的调频收音机框图第8章反馈控制系统(2)调幅接收机AFC系统。调幅接收机AFC电路的组成框图如图8-10所示。混频器输出中频信号fI＝fL-fc，当不加AFC电路时，若本振频率fL发生偏移，变为fL+ΔfL，中频输出也将变为fI+ΔfL。加AFC电路时，若本振频率fL发生偏移，变为fL+ΔfL，中频输出为fI+ΔfL，鉴频器输出误差电压ud经低通滤波器变为误差直流电压uc，去控制压控振荡器，使压控振荡器频率降低，从而使中频频率fI降低。反之亦然，达到稳定中频的目的。第8章反馈控制系统图8-10调幅接收机AFC电路组成框图第8章反馈控制系统2.用于稳定调频发射机的中心频率采用AFC电路稳定调频发射机中心频率的原理框图如图8-11所示。调频振荡器的中心频率为fo，晶体振荡器输出的参考信号频率为fr，鉴频器中心频率设置在频率fr-fo上，也就是混频器输出的中心频率上。由于晶体振荡器输出的参考频率稳定度很高，因此混频器输出端产生的频率误差Δf主要是由fo的不稳定造成的，通过AFC电路的调节作用减少频率误差值，使输出调频信号的频率fo达到稳定。第8章反馈控制系统图8-11具有AFC的调频器框图第8章反馈控制系统8.4锁相环路(PLL)锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)是实现相位自动控制的负反馈系统，使振荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步，即自动相位控制(AutomaticPhaseControl，APC)，广泛应用于通信、电视、激光和空间技术等各行业。锁相技术是相位负反馈控制技术，其特点为：①锁定时，无剩余频差；②③④⑤易于集成化、数字化。第8章反馈控制系统8.4.1PLL电路的组成1.PLLPLL的构成框图如图8-12所示。图8-12PLL的构成框图第8章反馈控制系统图中，P