高頻電子線路第十章反饋控制電路1

1、本章附錄 為了提高電子設(shè)備技術(shù)性能穩(wěn)定性或者實(shí)現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求，在通信系統(tǒng)或其它電子設(shè)備中，廣泛采用各種類型的反饋控制回路。 對(duì)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信息的傳載采用高頻信號(hào)。為獲得高指標(biāo)信息傳送，就要求該高頻信號(hào)有高穩(wěn)定性。說(shuō)通信系統(tǒng)反饋控制對(duì)象是高頻信號(hào)。 高頻信號(hào)含有三個(gè)基本參數(shù)，即振幅、頻率和相位。對(duì)于反饋控制電路來(lái)說(shuō)，也就是實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)參數(shù)的分別控制，即自動(dòng)振幅控制、自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制。 反饋控制電路可以看成由被控制對(duì)象和反饋控制器兩部分組成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 1.1.自動(dòng)振幅控制電路自動(dòng)振幅控制電路 自動(dòng)振幅控制電路通常稱為。它主要用于接收機(jī)中，使整機(jī)在輸入振幅變化時(shí)保持輸出電壓

2、振幅不變。 自動(dòng)振幅控制電路的被控量是電壓振幅，在反饋控制器中必須進(jìn)行振幅比較，利用誤差量去對(duì)輸出振幅進(jìn)行調(diào)整。振幅比較器振幅比較器 2.2. 自動(dòng)頻率控制電路自動(dòng)頻率控制電路 自動(dòng)頻率控制電路主要用于電子設(shè)備中保證振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定。被控量是頻率，被控對(duì)象是壓控振蕩器(VCO)。而在反饋控制中必須對(duì)振蕩頻率進(jìn)行比較，利用輸出誤差量對(duì)被控制對(duì)象的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。濾波器濾波器 3.3. 自動(dòng)相位控制電路自動(dòng)相位控制電路 自動(dòng)相位控制電路通常稱為鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路的被控量是相位被控對(duì)象是壓控振蕩器(VCO)。在反饋控制器中對(duì)振蕩相位進(jìn)行比較。利用輸出誤差量對(duì)被控對(duì)象的輸出相位進(jìn)行調(diào)整。 利用鎖

3、相環(huán)路可以實(shí)現(xiàn)許多功能。 鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)路中的被控量是相位相位。1 任何一個(gè)理想的模擬乘法器都可以作為鑒相器 設(shè)設(shè)：參考信號(hào)相位為1(t)；(VOC)輸出信號(hào)相位為v(t)。兩信號(hào)經(jīng)乘法器輸出，再由環(huán)路濾波器濾掉高頻分量后有：( (一一) )鑒相器及其相位模型鑒相器及其相位模型 鑒相器是相位比較器，其功能是比較比較參考信號(hào)的相位和(VOC)輸出信號(hào)的相位，其輸出電壓與這兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比。 e( t ) 1( t ) v( t ) Kd sin ud( t ) e( t ) 1( t ) v( t ) Kd ud( t ) ) ( ) ( sin) ( sin) (

4、1t tKtKt uvdedd ) () (sin) (sin) (1ttKtKt uvdedd ( (二二) )環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器為低通濾波器，用來(lái)濾除相位比較器輸出的高頻部分，并抑制噪聲，以保證環(huán)路達(dá)到要求的性能，提高環(huán)路的穩(wěn)定性。 RC濾波器濾波器 無(wú)源比例積分濾波器無(wú)源比例積分濾波器 有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器1.環(huán)路環(huán)路濾波器主要類型濾波器主要類型 因控制對(duì)象是相位，可將KF(s)中的 s 用微分算子p 替換，就可寫出表示濾波器激勵(lì)和響應(yīng)之間關(guān)系的微分方程。即: 2. 環(huán)路濾波器相位模型環(huán)路濾波器相位模型 )()()(tusKtudFc 無(wú)論何種低通濾波器及何

5、種濾波方式，ud(t)與瞬時(shí)控制電壓uc(t)間的關(guān)系可以表示為：)()()(tupKtudFc( (三三) )壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)(VCO)及其相位模型及其相位模型1.1.壓頻變換特性曲線壓頻變換特性曲線是壓控振蕩器固有振蕩頻率。Kv是壓控振蕩器調(diào)頻特性的直線部分的斜率。 壓控振蕩器振蕩頻率u(t)受電壓uc(t)控制，它是一種變換器。Kv VCO的輸出相位： 壓控振蕩器輸出電壓信號(hào)對(duì)鑒相器直接發(fā)生作用的不是瞬時(shí)角頻率，而是瞬時(shí)相位。因此就整個(gè)鎖相環(huán)路來(lái)說(shuō)，壓控振蕩器應(yīng)該以它的輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位作為輸出量。 壓控振蕩器的關(guān)系特性曲線如圖。在一定范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為是線性關(guān)系 可見(jiàn)：可

6、見(jiàn)：壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中的作用是積分環(huán)節(jié)， 若用微分算子 pd( ) /dt 表示，則上式可表示為：（四）鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程（四）鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程 pe(t) 是壓控振蕩器振蕩角頻率pv(t)偏離輸入?yún)⒖夹盘?hào)角頻率1 1的值，稱瞬時(shí)角頻差瞬時(shí)角頻差; KdKvKF(p)sine(t) 是壓控振蕩器受uc控制輸出偏離o的角頻率偏離值V , 稱為控制角頻差控制角頻差； p1(t) 是輸入?yún)⒖夹盘?hào)角頻率1與壓控振蕩器固有振蕩角頻率o 的差值, 稱為輸入固有角頻差輸入固有角頻差。 上式表明，環(huán)路閉合后的任何時(shí)刻，瞬時(shí)角頻差和控制角頻差之代數(shù)和恒等于輸入固有角頻差)()(1010

7、 ttve)()()(1tttve )(sin)()()()()(11tpKKpKtttteFdvve )()(sin)()(1tptpKKKtpeFvde )()()(1tttve )(sin)()()(tKpKpKupKpKupKtedFvdFvcvv 鑒相器低通濾波器壓控振蕩器)2010( e(t)0 產(chǎn)生控制電壓 控制角頻差就產(chǎn)生環(huán)路的瞬時(shí)角頻差減小。直到控制角頻差增大到等于固有角頻差，此時(shí)e(t) =0。 這一瞬時(shí)角頻差減小過(guò)程稱為 跟蹤跟蹤 。 1. 環(huán)路的跟蹤與鎖定概念：環(huán)路的跟蹤與鎖定概念： 在環(huán)路剛閉合的瞬間, 輸入?yún)⒖茧妷汗ぷ黝l率為1；因?yàn)榭刂齐妷簽榱? v(0)=0, V

8、CO 工作在0；環(huán)路的瞬時(shí)角頻差e等于固有頻差1 。 e(t) =0時(shí)，控制電壓作用下的VCO 工作頻率v(t)不再隨時(shí)間變化，維持一固定的值。此時(shí)環(huán)路頻率達(dá)到一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這時(shí)認(rèn)為鎖相環(huán)路進(jìn)入鎖定鎖定狀態(tài)。 此時(shí)壓控振蕩器工作頻率v(t) = 0 +v= 1 。1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( 2. 環(huán)路鎖定特性：環(huán)路鎖定特性： 1）環(huán)路進(jìn)入鎖定后，瞬時(shí)頻差為0，即 pe(t) = e(t) = 02）環(huán)路進(jìn)入鎖定后，VCO工作頻率= 輸入信號(hào)頻率，即 v( t ) = 0 +v= 1。 3）環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)

9、，鑒相器的輸出電壓為直流。即ud =Kd sine 4）環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，剩余相位差可由式(1020)求得： Kd Kv KF e=1 1其中KF(0) 為直流傳遞值1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( pFvdeKKKK1e1)0( 分頻器N)(ti 鑒相器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸出信號(hào)輸出信號(hào))(to 輸入信號(hào)輸入信號(hào)No 0Ntt)()(00 倍頻器N)(ti 鑒相器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸出信號(hào)輸出信號(hào))(to 輸入信號(hào)輸入信號(hào)oN 0)()(00tNt 鎖相分頻器 IRIIsv0= 0 +v反 饋控制器

10、)(tR 鑒頻器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸入信號(hào)輸入信號(hào)No 0eo )(tue)(tud 自動(dòng)頻率控制電路基本組成一、自動(dòng)頻率控制電路的工作原理一、自動(dòng)頻率控制電路的工作原理其中：其中：VCO是被控對(duì)象;反饋控制器由混頻器、差頻放大器、限幅鑒頻器和放大器等組成。頻率誤差經(jīng)鑒頻器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電壓誤差信號(hào)去控制壓控振蕩器。 環(huán)路的頻率關(guān)系： 當(dāng)o=R=時(shí),則其輸出誤差電壓ud為零，VCO不受控制,環(huán)路沒(méi)有控制作用。 當(dāng)o因某種不穩(wěn)定因素發(fā)生變化而增加了o ，經(jīng)限幅鑒頻后ud不為零輸出，控制振蕩頻率減小。這個(gè)減小量使得角頻率由o減小到o。 在新的角頻率差e作用下，再經(jīng)過(guò)限幅鑒頻放大，使得VC0的振蕩

11、頻率繼續(xù)減小，如此多次循環(huán)，與鎖相環(huán)路相似，最后環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。 因?yàn)榄h(huán)路傳輸?shù)氖穷l率，故鎖定后環(huán)路存在有誤差角頻率，稱為剩余角頻率誤差，用e表示。實(shí)際上， 自動(dòng)頻率控制電路是將大的起始角頻率誤差e 通過(guò)環(huán)路的調(diào)節(jié)作用減小到較小的剩余角頻率誤差。eoRo 二、自動(dòng)頻率控制電路的應(yīng)用二、自動(dòng)頻率控制電路的應(yīng)用自動(dòng)頻率控制電路廣泛用于接收機(jī)中作自動(dòng)頻率微調(diào)電路。下圖是一個(gè)具有自動(dòng)頻率微調(diào)電路的調(diào)幅接收機(jī)方框圖。與普通調(diào)幅接收機(jī)不同的是，本機(jī)振蕩器改為能進(jìn)行調(diào)整頻率的壓控振蕩器，同時(shí)增加了限幅鑒頻器、放大器和低通濾波器，與混頻器和中頻放大器組成一個(gè)自動(dòng)頻率控制電路。 該自動(dòng)頻率控制電路使VCO頻率

12、跟隨接收機(jī)輸入信號(hào)頻率的變化而變化，中頻穩(wěn)定度高。 工作過(guò)程：工作過(guò)程：上圖是調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)器的方框圖。它與普通調(diào)頻接收機(jī)中的鑒頻器的區(qū)別是，它利用鑒頻后經(jīng)低通濾波器輸出的解調(diào)信號(hào)反饋給VCO，使VCO的角頻率按解調(diào)電壓變化。而解調(diào)電壓就是輸入調(diào)頻波的調(diào)制電壓?；祛l器輸入： VCO輸出：混頻器輸出：式中：式中：I為中頻放大器的中心頻率， (m1- m2)為輸給中頻放大器的調(diào)頻波的最大頻率偏移。顯然，中頻信號(hào)仍為不失真的調(diào)頻波，但其最大角頻率偏移小于混頻器輸入調(diào)頻波的最大角頻率偏移。因而負(fù)反饋解調(diào)器的中頻放大器的通帶可以比普通鑒頻器接收機(jī)的中頻放大器的通帶小。若維持混頻器輸入信晚比相同，加到調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)器的限幅鑒頻器的輸入信噪比就比普通接收機(jī)中