通信電子電路第5章_反饋控制電路

1、第五章：反饋控制電路第五章：反饋控制電路信息與通信工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院1 1綜述綜述( (一一) )反饋控制電路可在系統(tǒng)受到擾動時，反饋控制電路可在系統(tǒng)受到擾動時，通過通過反饋控制作用反饋控制作用使系統(tǒng)的使系統(tǒng)的某個參數(shù)某個參數(shù)達(dá)到達(dá)到所需的精度所需的精度，或者按照一定的規(guī)，或者按照一定的規(guī)律變化律變化0( )ixf x預(yù)先設(shè)定預(yù)先設(shè)定控制過程簡控制過程簡述：述：參考信號不變，輸出信號發(fā)生變化參考信號不變，輸出信號發(fā)生變化參考信號發(fā)生變化參考信號發(fā)生變化2綜述綜述( (二二) )較大的參考信較大的參考信號變化和輸出號變化和輸出信號變化，只信號變化，只引起引起小的誤差小的誤差信號變化信號變

2、化，條，條件為：件為：反饋信號變化的方向與參考信號變化的反饋信號變化的方向與參考信號變化的方向一致方向一致從誤差信號到反饋信號的整個通路的增從誤差信號到反饋信號的整個通路的增益要高益要高3綜述綜述( (三三) )根據(jù)需要比較和調(diào)節(jié)的參數(shù)不同，可根據(jù)需要比較和調(diào)節(jié)的參數(shù)不同，可對反饋控制電路進(jìn)行分類：對反饋控制電路進(jìn)行分類：AGCAGCAFCAFCAPC(PLL)APC(PLL)反饋控制系統(tǒng)的特點：反饋控制系統(tǒng)的特點：自動進(jìn)行自動進(jìn)行誤誤差檢測和調(diào)整差檢測和調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)誤系統(tǒng)根據(jù)誤差信號的變化差信號的變化進(jìn)行調(diào)整，不進(jìn)行調(diào)整，不管誤差信號由管誤差信號由何種原因產(chǎn)生何種原因產(chǎn)生存在剩余誤差存在剩余

3、誤差4基本工作原理基本工作原理( (一一) )基本作用是減小因各種因素引起的系基本作用是減小因各種因素引起的系統(tǒng)統(tǒng)輸出信號電平的變化范圍輸出信號電平的變化范圍，以維持，以維持整機(jī)輸出穩(wěn)定整機(jī)輸出穩(wěn)定在輸入信號幅值變化很大的情況下，在輸入信號幅值變化很大的情況下，通過調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)可控增益放大器可控增益放大器的的增益增益，使，使輸出信號幅值輸出信號幅值( (電平電平) )基本恒定或僅在基本恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種電路較小范圍內(nèi)變化的一種電路電路結(jié)電路結(jié)構(gòu)及反構(gòu)及反饋控制饋控制過程過程5基本工作原理基本工作原理( (二二) )低通濾波器的作用：低通濾波器的作用：濾除調(diào)制信號濾除調(diào)制信號反調(diào)制反

4、調(diào)制AGCAGC電路的輸入輸出電路的輸入輸出量及其關(guān)系量及其關(guān)系omrVKv靜態(tài)誤差的產(chǎn)生靜態(tài)誤差的產(chǎn)生00( )cos( )cosiimmv tVtv tVt022( )( )( )( ,)mimeVAVAv6自動電平控制電路的類型自動電平控制電路的類型簡單簡單AGCAGC電路：電路：0rv 優(yōu)點：電路簡單優(yōu)點：電路簡單缺點：對微弱信缺點：對微弱信號的接收不利號的接收不利延遲延遲AGCAGC電路：電路：0rv 不同輸入信號強(qiáng)不同輸入信號強(qiáng)度時電路的工作度時電路的工作狀態(tài)狀態(tài)7自動電平控制電路的應(yīng)用自動電平控制電路的應(yīng)用8自動頻率控制電路的原理自動頻率控制電路的原理可使用可使用自動頻率控制自動

5、頻率控制的方法來的方法來穩(wěn)定振穩(wěn)定振蕩頻率蕩頻率。例如在。例如在高質(zhì)量的接收機(jī)高質(zhì)量的接收機(jī)中，中，采用采用AFCAFC電路電路對本地振蕩器的對本地振蕩器的頻率頻率進(jìn)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使混頻所得行自動調(diào)節(jié)，使混頻所得差頻差頻較精確較精確地等于地等于固定中頻固定中頻，從而提高接收機(jī)的，從而提高接收機(jī)的靈敏度靈敏度電路電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工及工作過作過程程9鎖相環(huán)的特點鎖相環(huán)的特點是一種是一種相位反饋控制系統(tǒng)相位反饋控制系統(tǒng)，能使，能使受控振蕩器受控振蕩器的的頻率和相位頻率和相位均與均與輸輸入信號入信號保持確定的關(guān)系保持確定的關(guān)系可分為可分為模擬鎖相環(huán)模擬鎖相環(huán)和和數(shù)字鎖相環(huán)數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)的特征是鑒

6、相器輸出模擬鎖相環(huán)的特征是鑒相器輸出的誤差信號是連續(xù)的，對環(huán)路輸?shù)恼`差信號是連續(xù)的，對環(huán)路輸出信號的調(diào)節(jié)也是連續(xù)的出信號的調(diào)節(jié)也是連續(xù)的10鎖相環(huán)的構(gòu)成鎖相環(huán)的構(gòu)成( (一一) )鑒相器鑒相器(PD)(PD)的類型及鑒相的類型及鑒相特性特性實質(zhì)上是個相實質(zhì)上是個相位位- -電壓變換電壓變換器器()devf11鎖相環(huán)的構(gòu)成鎖相環(huán)的構(gòu)成( (二二) )壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)(VCO)的類型的類型及其壓控特性及其壓控特性實質(zhì)上是個實質(zhì)上是個電電壓壓- -頻率變換頻率變換器器()ocf v在一定控制電壓范圍內(nèi)可在一定控制電壓范圍內(nèi)可近似用近似用線性函數(shù)線性函數(shù)表示壓控表示壓控特性：特性：0or

7、cA v ：壓控振蕩器的：壓控振蕩器的自由振自由振蕩角頻率蕩角頻率r ：壓控振蕩器的：壓控振蕩器的控制靈控制靈敏度敏度( (增益系數(shù)增益系數(shù)) )0A0000( )( )( )tccv ttAv t dtAp12鎖相環(huán)的構(gòu)成鎖相環(huán)的構(gòu)成( (三三) )環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(LPF)(LPF)的類型的類型及傳遞函數(shù)及傳遞函數(shù)還可使鎖相環(huán)獲得還可使鎖相環(huán)獲得所需的所需的帶寬和增益帶寬和增益，改善環(huán)路的性能以改善環(huán)路的性能以適應(yīng)對鎖相環(huán)多種適應(yīng)對鎖相環(huán)多種應(yīng)用的需要應(yīng)用的需要嚴(yán)格來說：嚴(yán)格來說：( )( )*( )cdv tf tv t在鎖相環(huán)的分析中，在鎖相環(huán)的分析中，習(xí)慣使用微分算子的習(xí)慣使用微

8、分算子的函數(shù)來表示函數(shù)來表示 和和 的關(guān)系，即：的關(guān)系，即：( )( )( )cFdv tAp v t( )cv t( )dv t可濾除鑒相器輸出可濾除鑒相器輸出中包含鑒相輸入信中包含鑒相輸入信號頻率在內(nèi)的號頻率在內(nèi)的高頻高頻分量分量，提高環(huán)路的，提高環(huán)路的抗干擾抗干擾能力能力13鎖相環(huán)的基本工作原理鎖相環(huán)的基本工作原理( (一一) )環(huán)路鎖定狀環(huán)路鎖定狀態(tài)時的情況態(tài)時的情況0( )( )( )ioettt dt()ioif00( )0,( )( )ettt dt 即當(dāng)加到鑒相器上兩個信號的頻率相等即當(dāng)加到鑒相器上兩個信號的頻率相等時，其瞬時相位差是一個常數(shù)時，其瞬時相位差是一個常數(shù)( )ei

9、ft常數(shù)( )0,oit 即當(dāng)加到鑒相器上兩個信號的瞬時相位即當(dāng)加到鑒相器上兩個信號的瞬時相位差為常數(shù)時，其頻率必然相等差為常數(shù)時，其頻率必然相等14鎖相環(huán)的基本工作原理鎖相環(huán)的基本工作原理( (二二) )0( )( )ett dt當(dāng)輸入輸出頻當(dāng)輸入輸出頻率不等時，由率不等時，由鎖相環(huán)與鎖相環(huán)與AFCAFC均利用誤差信號的反饋作均利用誤差信號的反饋作用來控制用來控制VCOVCO的振蕩頻率，根本差別在的振蕩頻率，根本差別在于：于：可知，可知，VCOVCO的電的電壓將不斷改變，壓將不斷改變，直至鎖定直至鎖定鎖相環(huán)路中的比較器為鎖相環(huán)路中的比較器為鑒相器鑒相器，環(huán)路鎖，環(huán)路鎖定時定時存在剩余相差存在

10、剩余相差，不存在剩余頻差不存在剩余頻差A(yù)FCAFC中的比較器為中的比較器為鑒頻器鑒頻器，環(huán)路鎖定時，環(huán)路鎖定時存在剩余頻差存在剩余頻差15鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt推導(dǎo)可得鎖相環(huán)路的基本方程為：推導(dǎo)可得鎖相環(huán)路的基本方程為：16環(huán)路的鎖定狀態(tài)環(huán)路的鎖定狀態(tài)( (一一) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt( )( )( )eeeiodtpttdt 0( )sin( )dFeA A Apt( )oort( )( )iiirptt 環(huán)路鎖定過程簡述環(huán)路鎖定過程簡述鎖定后壓控振蕩器角頻率與輸入信號同頻

11、，鎖定后壓控振蕩器角頻率與輸入信號同頻，但存在穩(wěn)態(tài)相位誤差但存在穩(wěn)態(tài)相位誤差VCOVCO振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的值，振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的值，稱為稱為瞬時角頻差瞬時角頻差閉環(huán)后控制電壓作用于壓控振蕩器后引起閉環(huán)后控制電壓作用于壓控振蕩器后引起的輸出角頻率的變化，稱為的輸出角頻率的變化，稱為控制角頻差控制角頻差輸入信號角頻率偏離輸入信號角頻率偏離 的數(shù)值，稱為環(huán)路的數(shù)值，稱為環(huán)路的的輸入固有角頻差輸入固有角頻差，又稱為，又稱為開環(huán)角頻差開環(huán)角頻差r17環(huán)路的鎖定狀態(tài)環(huán)路的鎖定狀態(tài)( (二二) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt當(dāng)環(huán)路鎖定時，有：當(dāng)環(huán)路

12、鎖定時，有：0(0)sindFeiA A A 00arcsinarcsin(0)iiedFA A AA無環(huán)路濾波器無環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)稱為的鎖相環(huán)稱為一階鎖相環(huán)一階鎖相環(huán)，此時有：此時有：18環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例一環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例一3sindevV設(shè)設(shè)PDPD的特性為：的特性為：VCOVCO的特性為：的特性為：33(299 10210)/odvrad s求輸入角頻率分別為求輸入角頻率分別為 時的穩(wěn)態(tài)相差時的穩(wěn)態(tài)相差555210 ,21.01 10 ,21.03 10解：解：3299 10r53111210210iiir 311302101arcsinarcsinarcsin3 2103iedA

13、 A同理可同理可得：得：22arcsin3e34arcsin3e故最后一種故最后一種情況下環(huán)路情況下環(huán)路不能鎖定不能鎖定19環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例二環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例二解：解：已知一階鎖相環(huán)路中正弦鑒相特性的鑒相已知一階鎖相環(huán)路中正弦鑒相特性的鑒相器的器的 ；VCOVCO的的 ，自由振蕩頻，自由振蕩頻率率 。問當(dāng)輸入頻率分別為。問當(dāng)輸入頻率分別為 和和 的正弦信號時，環(huán)路能否鎖定？的正弦信號時，環(huán)路能否鎖定？若能鎖定，穩(wěn)態(tài)相差多大，壓控振蕩器的若能鎖定，穩(wěn)態(tài)相差多大，壓控振蕩器的控制電壓多大？控制電壓多大？2dAV020/AkHz V1rMHz0.98MHz1.05MHz(0.98)iifMHz0

14、.02iMHz 611300.02 101arcsinarcsinarcsin2 20 1026iedA A 1sin2 sin()16cdevAV (1.05)iifMHz00.05idMHzA A 故環(huán)路不能鎖定故環(huán)路不能鎖定20環(huán)路的鎖定狀態(tài)環(huán)路的鎖定狀態(tài)( (三三) )假設(shè)環(huán)路已處于假設(shè)環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)，然后緩慢，然后緩慢地改變輸入信號頻率，能夠地改變輸入信號頻率，能夠繼續(xù)維持繼續(xù)維持環(huán)路鎖定所允許的最大輸入固有角頻環(huán)路鎖定所允許的最大輸入固有角頻差差 的的2 2倍倍，稱為鎖相環(huán)的，稱為鎖相環(huán)的同步帶同步帶或或跟蹤帶跟蹤帶，用，用 表示表示im2H故要增大鎖相環(huán)的同步帶，必須

15、提高故要增大鎖相環(huán)的同步帶，必須提高其其直流總增益直流總增益使用使用正弦型鑒相器正弦型鑒相器時時0HA 同步帶主要受到同步帶主要受到VCOVCO最大頻率控制范最大頻率控制范圍圍的限制的限制210( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt一階環(huán)路的平衡點一階環(huán)路的平衡點0()idifA A在在A A、B B兩點時：兩點時：A A、B B兩點的區(qū)別兩點的區(qū)別0( )sin( )edeidtA Atdt 0sin( )()eedeiedA Atfdt 002arcsin(21)arcsinieAdieBdnA AnA A0e22一階環(huán)路的捕捉過程一階環(huán)路的捕捉過程捕捉是指捕捉是指

16、鎖相環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入到鎖相環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入到鎖定狀態(tài)的過程鎖定狀態(tài)的過程捕捉時間捕捉時間捕捉帶捕捉帶 ：環(huán)路由失鎖到環(huán)路由失鎖到鎖定所允許的鎖定所允許的最大固有角頻最大固有角頻差差( (或固有頻或固有頻差差) )2p對于一階環(huán)路對于一階環(huán)路來說，其來說，其捕捉捕捉帶與同步帶相帶與同步帶相等等23一階環(huán)路的差拍狀態(tài)一階環(huán)路的差拍狀態(tài)0()idifA A差拍狀態(tài)的含義差拍狀態(tài)的含義*0000011sin()teedeetdtddA Af0( )sin( )edeidtA Atdt 01sin1()edeieedtdA Adf24一階環(huán)路的頻率牽引一階環(huán)路的頻率牽引差拍狀態(tài)狀態(tài)下差拍狀態(tài)狀態(tài)下盡

17、管環(huán)路不能鎖盡管環(huán)路不能鎖定，但卻能使壓定，但卻能使壓控振蕩器的頻率控振蕩器的頻率向著向著縮小頻差方縮小頻差方向向牽引，即向著牽引，即向著鎖定方向牽引鎖定方向牽引牽引作用隨著牽引作用隨著 的增大而減弱的增大而減弱025高階鎖相環(huán)的同步與捕捉高階鎖相環(huán)的同步與捕捉此時的特性需要同時考慮環(huán)路濾波器此時的特性需要同時考慮環(huán)路濾波器的通頻帶及的通頻帶及VCOVCO的頻率控制范圍的頻率控制范圍假定假定VCOVCO的頻率控制范圍足夠大，則：的頻率控制范圍足夠大，則：環(huán)路始終處于失鎖狀態(tài)環(huán)路始終處于失鎖狀態(tài)若若 遠(yuǎn)大于環(huán)路濾波器的通頻帶遠(yuǎn)大于環(huán)路濾波器的通頻帶i若若 的值在環(huán)路濾波器的通頻帶內(nèi)的值在環(huán)路濾波

18、器的通頻帶內(nèi)i環(huán)路能夠被鎖定環(huán)路能夠被鎖定若若 大于環(huán)路濾波器的通頻帶大于環(huán)路濾波器的通頻帶i環(huán)路能夠通過頻率牽引過程被鎖定環(huán)路能夠通過頻率牽引過程被鎖定若若 的值超出環(huán)路濾波器通頻帶一定值的值超出環(huán)路濾波器通頻帶一定值i環(huán)路能夠通過快捕過程被鎖定環(huán)路能夠通過快捕過程被鎖定高階環(huán)路中，捕捉帶一般大于快捕帶，高階環(huán)路中，捕捉帶一般大于快捕帶，但小于同步帶但小于同步帶26環(huán)路的跟蹤過程環(huán)路的跟蹤過程環(huán)路鎖定時，輸入信號頻率與輸出信號頻環(huán)路鎖定時，輸入信號頻率與輸出信號頻率相同，但兩者之間有一穩(wěn)態(tài)相差率相同，但兩者之間有一穩(wěn)態(tài)相差e跟蹤的定義跟蹤的定義鎖定狀態(tài)：相對于頻率和相位固定的輸入鎖定狀態(tài)：相

19、對于頻率和相位固定的輸入信號而言信號而言跟蹤狀態(tài)：相對于頻率和相位變化的輸入跟蹤狀態(tài)：相對于頻率和相位變化的輸入信號而言信號而言當(dāng)輸入信號的頻率和相位改變時，只要相當(dāng)輸入信號的頻率和相位改變時，只要相位變化不超過一定的范圍，通過環(huán)路的作位變化不超過一定的范圍，通過環(huán)路的作用，壓控振蕩器輸出的頻率和相位也會以用，壓控振蕩器輸出的頻率和相位也會以同樣規(guī)律隨之變化，不斷地跟蹤輸入信號同樣規(guī)律隨之變化，不斷地跟蹤輸入信號頻率和相位的變化，這種情況稱為環(huán)路處頻率和相位的變化，這種情況稱為環(huán)路處于跟蹤狀態(tài)于跟蹤狀態(tài)27鎖相環(huán)的重要特性鎖相環(huán)的重要特性環(huán)路在鎖定狀態(tài)時無剩余頻差存在環(huán)路在鎖定狀態(tài)時無剩余頻差

20、存在是一個理想的是一個理想的頻率控制系統(tǒng)頻率控制系統(tǒng)輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入信號的輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入信號的變化。環(huán)路鎖定后，輸入信號和輸出信號變化。環(huán)路鎖定后，輸入信號和輸出信號之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過增加環(huán)路增增加環(huán)路增益益的辦法被控制在所需數(shù)值范圍之內(nèi)的辦法被控制在所需數(shù)值范圍之內(nèi)對干擾來說，相當(dāng)于一個窄帶高頻帶通濾對干擾來說，相當(dāng)于一個窄帶高頻帶通濾波器波器良好的跟蹤特性良好的跟蹤特性良好的窄帶濾波特性良好的窄帶濾波特性在調(diào)制指數(shù)相同時要低于普通鑒頻器在調(diào)制指數(shù)相同時要低于普通鑒頻器良好的門限特性良好的門限特性易于集成化易于集成化28鎖相調(diào)頻

21、電路鎖相調(diào)頻電路對調(diào)頻波的基本要求：中心頻率足夠穩(wěn)定，對調(diào)頻波的基本要求：中心頻率足夠穩(wěn)定，頻偏足夠?qū)掝l偏足夠?qū)捰捎谥行念l率的漂移為慢變化，而調(diào)制信由于中心頻率的漂移為慢變化，而調(diào)制信號頻率較高，若低通濾波器的通帶能夠濾號頻率較高，若低通濾波器的通帶能夠濾除調(diào)制信號的頻譜，則可實現(xiàn)要求除調(diào)制信號的頻譜，則可實現(xiàn)要求VCOVCO的振蕩頻率同時受輸入調(diào)制信號和反的振蕩頻率同時受輸入調(diào)制信號和反映映VCOVCO中心頻率漂移的電壓中心頻率漂移的電壓 控制控制( )cv t29鎖相鑒頻電路鎖相鑒頻電路要求要求LPFLPF在調(diào)制信號的有效頻譜范圍內(nèi)有在調(diào)制信號的有效頻譜范圍內(nèi)有平坦的幅頻特性和相頻特性平坦的幅頻特性和相頻特性注意對注意對VCOVCO和和LPFLPF的要求的要求00( )rcA v t若環(huán)路帶寬設(shè)計得足夠?qū)挘瑒t環(huán)路鎖定時若環(huán)路帶寬設(shè)計得足夠?qū)?，則環(huán)路鎖定