高频电子线路第8章--反馈控制电路

《高频电子线路》第8章反馈控制电路1第8章反馈控制电路8.1自动增益控制电路8.2自动频率控制电路8.3锁相环的基本原理8.4频率合成器《高频电子线路》第8章反馈控制电路2一、反馈控制的概念及分类反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。电子线路中也常常应用反馈控制技术。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为以下三类：概述《高频电子线路》第8章反馈控制电路31、自动增益控制(AutomaticGainControl，简称AGC)，它主要用于接收机中，控制接收通道的增益，以维持整机输出恒定，使之几乎不随外来信号的强弱变化。2、自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，简称AFC)，它主要用于维持电子设备中工作频率的稳定。3、自动相位控制(AutomaticPhaseControl，简称APC)，又称为锁相环路(PhaseLockLoop，简称PLL)，它用于锁定相位，能够实现许多功能，是应用最广的一种反馈控制电路。《高频电子线路》第8章反馈控制电路4二、反馈控制电路的组成反馈控制电路的组成如图8-1所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。图8-1反馈控制系统的组成比较器控制信号发生器参考信号ur(t)误差信号ue(t)可控器件控制信号uc(t)反馈网络反馈信号uf(t)输入信号ui(t)输出信号uo(t)《高频电子线路》第8章反馈控制电路5比较器的作用：是将参考信号ur(t)和反馈信号uf(t)进行比较，输出二者的差值即误差信号ue(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号uc(t)，对可控器件的某一特性进行控制。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)。可控器件：或者是其输入输出特性受控制信号uc(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uc(t)的控制(如压控振荡器)。反馈网络的作用：是在输出信号uo(t)中提取所需要进行比较的分量，送到比较器与参考信号进行比较。《高频电子线路》第8章反馈控制电路68.1自动增益控制电路一、自动增益控制的意义自动增益控制电路在通信、导航、遥测遥控等无线电系统中应用非常广泛。高频放大器至解调器混频器中频放大器直流放大器AGC检波器ur图8-2具有AGC电路的接收机组成框图《高频电子线路》第8章反馈控制电路7二、工作原理1、自动增益控制电路的目的自动增益控制电路的目的：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益电路不起作用；而当输入信号很强时，自动增益电路进行控制，使接收机增益减小。从而达到当接收机信号强度变化时，其输出端的电压或功率基本不变或保持恒定的目的。《高频电子线路》第8章反馈控制电路82、自动增益控制电路框图自动增益控制电路框图如图8-3所示。设输入信号振幅为Ui，输出信号振幅为Uo，可控增益放大器增益为Kv(uc)，它是控制电压uc的函数，则有()ovciUKuU(8-1)《高频电子线路》第8章反馈控制电路9图8-3自动增益控制电路框图电压比较器KpUp控制信号发生器K1可控增益放大器AKueuc直流放大器K2低通滤波器电平检测器K2uiUo《高频电子线路》第8章反馈控制电路10三、自动增益控制电路根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求，AGC电路主要有以下几种类型。1．简单AGC电路(1)基本原理：在简单AGC电路里，参考电平Ur＝0。这样，只要输入信号振幅Ui增加，AGC的作用就会使增益Kv减小，从而使输出信号振幅Uo减小。图8-4为简单AGC的特性曲线。在简单AGC电路中，起控点电压为零。《高频电子线路》第8章反馈控制电路11图8-4简单AGC特性曲线Uo0Ui《高频电子线路》第8章反馈控制电路12(2)特点：电路简单，不需专门比较器；只要有输入信号，AGC电路就起作用，适合输入信号很大的场合。(3)动态范围：在AGC电路中，动态范围定义为输入（或输出）信号振幅的最大值与最小值之比。输出动态范围：maxmxoooiUmU(8-2)《高频电子线路》第8章反馈控制电路13mi为AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小值之比（输入动态范围），即：maxmxiiiiUmU(8-3)maxmxmaxmxmaxmaxmxmaxmxmx////iiiioiivvoooiooavimUUUUKnmUUUUK(8-4)则有nv称为增益动态范围。《高频电子线路》第8章反馈控制电路14图8-5延迟AGC特性曲线Uo0UiUominUomaxUiminUimax2．延迟AGC电路在延迟AGC电路里有一个起控门限，即比较器参考电压Ur，它对应的输入信号振幅Uimin，如图8-5所示。《高频电子线路》第8章反馈控制电路15图8-6延迟AGC电路至信号检波－＋延迟电压VCCC1R1RCAGC电压VD《高频电子线路》第8章反馈控制电路163．前置AGC、后置AGC与基带AGC前置AGC是指AGC处于解调以前，由高频（或中频）信号中提取检测信号，通过检波和直流放大，控制高频（或中频）放大器的增益。后置AGC是解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。《高频电子线路》第8章反馈控制电路17四、AGC的性能指标1．动态范围AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。在AGC电路中，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出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变化越大越好。AGC的动态范围是指：在给定输出信号振幅变化范围内，容许输入信号的变化范围。《高频电子线路》第8章反馈控制电路182．响应时间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。根据AGC的响应时间长短可分为慢速AGC和快速AGC两类。《高频电子线路》第8章反馈控制电路198.2自动频率控制电路一、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，如图8-7所示。低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucrr(s)频率比较器KpUe(s)Uc(s)r(s)r输出信号图8-7自动频率控制电路的组成《高频电子线路》第8章反馈控制电路20AFC电路的被控参数为频率1、频率比较器频率比较器：将电路的输出角频率与参考角频率进行比较，输出其误差（电压）。频率比较器有两种：鉴频器或混频-鉴频器。在鉴频器中的中心角频率就是参考角频率；在混频-鉴频器中，参考频率为本振频率与鉴频器中心频率之和。《高频电子线路》第8章反馈控制电路212、可控频率器件可控频率器件通常为压控振荡器（VCO），将在误差信号的控制下，产生输出信号。压控振荡器的输出振荡角频率可写成：0yyccku(8-5)《高频电子线路》第8章反馈控制电路22二、主要性能指标对于AFC电路，其主要的性能指标是暂态和稳态响应以及跟踪特性。1．暂态和稳态特性由图8-7可得频率比较器得输出为：()[()()]epryUsKss低通滤波器得输出为：输出信号为：()()()()[()()]cepryUsHsUsHsKss()()()[()()]ycccprysKUsKHsKss《高频电子线路》第8章反馈控制电路23故可得AFC电路的闭环传递函数：()()()()1()ybcrbcskkHsTsskkHs由此可得到输出信号角频率的拉氏变换(8-6)(8-7)()()()1()bcyrbckkHssskkHs由上式求拉氏逆变换，即可得AFC得时域响应。《高频电子线路》第8章反馈控制电路242．跟踪特性由图8-7可求得AFC电路的误差传递函数Te（s），它是误差角频率Ωe（s）与参考角频率Ωr（s）之比，其表达式为：()1()()1()eerpcsTssKKHs从而可得AFC电路中误差角频率ω的时域稳定误差值(8-8)(8-9)00llim()lim()1()eersspcssssKKHs《高频电子线路》第8章反馈控制电路25三、应用1．自动频率微调电路（简称AFC电路）图8-8是一个调频通信机的AFC系统的方框图。这里是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率，亦作为AFC系统的标准频率（见教材P330）。《高频电子线路》第8章反馈控制电路26图8-8调频通信机的AFC系统方框图fs混频中放鉴频fI＝|fs－f0|fI中心频率fI本振(压控振)低放低通滤波器f0《高频电子线路》第8章反馈控制电路27图8-9AFT原理方框图自中放来限幅放大移相网络u2u1uo2、电视机中自动微调电路（简称AFT电路）AFT电路完成将输入信号偏离标准中频(38MHz)的频偏大小鉴别出来，并线性地转化为直流误差电压，然后反送至调谐器本振回路的AFT变容二极管，以微调本振频率，从而保证中频稳定、准确。《高频电子线路》第8章反馈控制电路288.3锁相环的基本原理据前面介绍可知，AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，必然会有剩余频率误差存在，即频率误差不可能为零——AFC的固有缺点。锁相环也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但是它是利用相位误差去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，尽管存在剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零。《高频电子线路》第8章反馈控制电路29图8-10锁相环的基本构成参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号一、工作原理1、电路结构锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PhaseDetector，缩写为PD)、环路滤波器(LoopFilter，缩写为LF)和电压控制振荡器(VoltageControlledOscillator，缩写为VCO)三个基本部件组成，如图8-10所示。《高频电子线路》第8章反馈控制电路30(1)鉴相器(PD)：是相位比较器，它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差θe(t)的误差电压ud(t)。(2)环路滤波器(LF)：其作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，保证环路性能，提高系统稳定性。(3)电压控制振荡器(VCO)：受控制电压uc(t)的控制，使其振荡频率向参考频率靠近，使两者频率误差越来越小，直至频差消除而被锁定。《高频电子线路》第8章反馈控制电路312、工作原理设参考信号为：()sin[()]rrrrutUtt(8-10)其中：如果参考信号是未调载波时，则θr(t)=θr=常数。设输出信号为：()cos[()]ooooutUtt(8-11)两信号之间的瞬时相差为：0000()()(())()()crrrrtttttt（8-12）《高频电子线路》第8章反馈控制电路32由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为00()()erdtdtdtdt(8-13)因此，锁相环的工作原理为：首先鉴相器把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差大小的误差电压；此电压经环路滤波器过滤后得到控制电压；最后由控制电压去控制振荡器的振荡频率，使其向参考频率靠近，直到两者频率相等而相位同步实现锁定。《高频电子线路》第8章反馈控制电路33锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即：()lim0etdtdt（8-14此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率ω0(控制电压uc(t)=0时的频率)