模擬系統(tǒng)第八章(改)

1、第八章第八章 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制（AGCAGC）電路電路第三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)頻率控制自動(dòng)頻率控制（AFCAFC）電路電路第四節(jié)第四節(jié) 模擬鎖相環(huán)路（模擬鎖相環(huán)路（APLLAPLL）第五節(jié)第五節(jié) APLLAPLL電路及應(yīng)用電路及應(yīng)用第六節(jié)第六節(jié) 數(shù)字鎖相環(huán)路數(shù)字鎖相環(huán)路（DPLLDPLL）第一節(jié)第一節(jié) 概述概述參考參考信號(hào)信號(hào)Xr(t)比較器比較器控制信號(hào)控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)生器可控器件可控器件反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋反饋信號(hào)信號(hào)Xf(t)誤差誤差信號(hào)信號(hào)Xd(t)控制控制信號(hào)信號(hào)Xc(t)輸入輸入信號(hào)信號(hào)Xi(t)輸出輸出信號(hào)信號(hào)X0(t

2、)由由比較器、控制信號(hào)發(fā)生器、可控器件比較器、控制信號(hào)發(fā)生器、可控器件和和反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)四部分構(gòu)成。四部分構(gòu)成。（一）、反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成：（一）、反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成：（二）、各部分的功能（二）、各部分的功能 比較器比較器將反饋信號(hào)將反饋信號(hào)X Xf f(t)(t)與參考信號(hào)與參考信號(hào)X Xr r(t)(t)比較后產(chǎn)生誤比較后產(chǎn)生誤差信號(hào)差信號(hào)X Xd d (t) (t)。控制信號(hào)發(fā)生器控制信號(hào)發(fā)生器 在誤差信號(hào)在誤差信號(hào)X Xe e(t)(t)的作用下產(chǎn)生控制信號(hào)的作用下產(chǎn)生控制信號(hào)X Xc c(t)(t)，以對(duì)可控器件的某一特性進(jìn)行控制。以對(duì)可控器件的某一特性進(jìn)行控制?？煽仄骷煽仄骷?

3、受控于控制信號(hào)受控于控制信號(hào)X Xc c(t),(t),對(duì)輸出信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)X X0 0(t)(t)進(jìn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) 從輸出信號(hào)從輸出信號(hào)X X0 0(t)(t)中提取需比較的分量饋送至比中提取需比較的分量饋送至比較器。較器。（三）、反饋控制電路的分類（三）、反饋控制電路的分類 據(jù)反饋控制的對(duì)象分為：據(jù)反饋控制的對(duì)象分為：自動(dòng)增益控制（自動(dòng)增益控制（AGC） 用于穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓的幅度用于穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓的幅度。自動(dòng)頻率控制（自動(dòng)頻率控制（AFC） 用于控制目標(biāo)信號(hào)的頻率，使其與通用于控制目標(biāo)信號(hào)的頻率，使其與通道中心頻率一致，以獲得諧頻增益。道中心頻率一致，以獲得諧頻增益

4、。 自動(dòng)相位控制（自動(dòng)相位控制（APC） 用于實(shí)現(xiàn)振蕩信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的頻率用于實(shí)現(xiàn)振蕩信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的頻率和相位的跟蹤。亦稱鎖相環(huán)路和相位的跟蹤。亦稱鎖相環(huán)路(PLL)。據(jù)環(huán)路內(nèi)部是模擬電路還是數(shù)字電路可細(xì)分為：據(jù)環(huán)路內(nèi)部是模擬電路還是數(shù)字電路可細(xì)分為： 模鎖相環(huán)（模鎖相環(huán)（APLL） 數(shù)字鎖相環(huán)（數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）。）。第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制電路電壓電壓比較器比較器可控增益可控增益放大器放大器控制信號(hào)控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)生器電平電平檢測(cè)器檢測(cè)器低通低通濾波器濾波器直流直流放大器放大器URuducUoui反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)一、一、AGCAGC電路的組成框圖：電路的組成框圖：比

5、較參量比較參量為電壓為電壓第三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)頻率控制（自動(dòng)頻率控制（AFCAFC）電路）電路 目的目的：穩(wěn)定振蕩頻率。：穩(wěn)定振蕩頻率。一、一、AFC電路工作原理：電路工作原理：1.電路組成電路組成:頻率比較器頻率比較器Kd低通濾波器低通濾波器F(S)可控頻率器件可控頻率器件Ko r r(S)uc(t)Uc(S)Ud(S)ud(t) v v(S)電路組成框圖電路組成框圖ui(t)結(jié)果：穩(wěn)定輸出頻率。結(jié)果：穩(wěn)定輸出頻率。第四節(jié)模擬鎖相環(huán)路（第四節(jié)模擬鎖相環(huán)路（APLAPL） 鎖相環(huán)路的功能鎖相環(huán)路的功能：實(shí)現(xiàn)頻率同步（頻差為實(shí)現(xiàn)頻率同步（頻差為 0）和相位跟蹤（相差為一很小的常數(shù)）。）和相位跟蹤（

6、相差為一很小的常數(shù)）。鎖相技術(shù)鎖相技術(shù)：是一種從噪聲中主動(dòng)捕捉目標(biāo)信號(hào)的技術(shù)。：是一種從噪聲中主動(dòng)捕捉目標(biāo)信號(hào)的技術(shù)。信號(hào)有一定的頻率、相位變化規(guī)律；信號(hào)有一定的頻率、相位變化規(guī)律；噪聲雖然其頻譜處于頻帶內(nèi)，但是隨機(jī)、離散、無(wú)規(guī)律的；噪聲雖然其頻譜處于頻帶內(nèi)，但是隨機(jī)、離散、無(wú)規(guī)律的；PLL正是根據(jù)它們這種本質(zhì)區(qū)別來(lái)捕捉提取信號(hào)的。正是根據(jù)它們這種本質(zhì)區(qū)別來(lái)捕捉提取信號(hào)的。信號(hào)和噪聲有本質(zhì)區(qū)別：信號(hào)和噪聲有本質(zhì)區(qū)別：一、模擬鎖相環(huán)路的構(gòu)成一、模擬鎖相環(huán)路的構(gòu)成PD：檢測(cè)捕者與被捕者之間的相位差，以控制電壓的形式去：檢測(cè)捕者與被捕者之間的相位差，以控制電壓的形式去調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)VCO實(shí)現(xiàn)頻率同步和相位

7、鎖定。實(shí)現(xiàn)頻率同步和相位鎖定。LF：傳遞相位誤差信息，濾除：傳遞相位誤差信息，濾除PD輸出的高次諧波分量和噪聲，輸出的高次諧波分量和噪聲，輸出控制電壓。輸出控制電壓。VCO：在控制電壓的的作用下，實(shí)現(xiàn)頻率同步和相位鎖定。：在控制電壓的的作用下，實(shí)現(xiàn)頻率同步和相位鎖定。（一）（一）APLL的構(gòu)成（如圖）：的構(gòu)成（如圖）：鑒相器鑒相器PD環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器LF壓控振蕩器壓控振蕩器VCO目標(biāo)信號(hào)目標(biāo)信號(hào)u(t)ud(t)uc(t)u0(t)輸出輸出各部分的功能各部分的功能：二、模擬鎖相環(huán)路的工作原理二、模擬鎖相環(huán)路的工作原理用旋轉(zhuǎn)矢量說(shuō)明：用旋轉(zhuǎn)矢量說(shuō)明： S o e(t)(a) o= S e S

8、(b)旋轉(zhuǎn)矢量旋轉(zhuǎn)矢量-目標(biāo)信號(hào)目標(biāo)信號(hào)；旋轉(zhuǎn)矢量旋轉(zhuǎn)矢量-vco信號(hào)信號(hào)。捕捉前：捕捉前： So兩矢量間相位差兩矢量間相位差 e(t)隨時(shí)間隨時(shí)間t增長(zhǎng)。圖（增長(zhǎng)。圖（a）鎖定后：鎖定后： o為為 o， o= S兩矢量間相位差兩矢量間相位差 e 為常數(shù)。圖（為常數(shù)。圖（b） S o e(t)(C)鎖定后鎖定后:當(dāng)當(dāng)目標(biāo)信號(hào)頻率目標(biāo)信號(hào)頻率 S（t）變動(dòng)時(shí)，）變動(dòng)時(shí)，VCO頻率頻率 e(t) 隨之變隨之變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了跟蹤。見圖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了跟蹤。見圖(C)Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)將上述三個(gè)基本環(huán)路部件的數(shù)學(xué)模型按環(huán)路鏈接，即得到將上述三個(gè)基

9、本環(huán)路部件的數(shù)學(xué)模型按環(huán)路鏈接，即得到APLL的數(shù)學(xué)模型：的數(shù)學(xué)模型：結(jié)論：結(jié)論：（1）PLL是一個(gè)相位反饋系統(tǒng)。是一個(gè)相位反饋系統(tǒng)。（2）F(p)、Ko在較大變化范圍內(nèi)可近似認(rèn)為是線性，但在較大變化范圍內(nèi)可近似認(rèn)為是線性，但PD的傳輸特性是非線性的，則的傳輸特性是非線性的，則PLL系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。三、三、APLL環(huán)路的數(shù)學(xué)模型環(huán)路的數(shù)學(xué)模型四、模擬鎖相環(huán)路的基本方程和鎖定概念四、模擬鎖相環(huán)路的基本方程和鎖定概念（一）模擬鎖相環(huán)路的基本方程：（一）模擬鎖相環(huán)路的基本方程：由數(shù)學(xué)模型可得：由數(shù)學(xué)模型可得：PKpFtSinUtoed)()()(2則環(huán)路輸入相位和輸出相位之間都存在

10、著動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。則環(huán)路輸入相位和輸出相位之間都存在著動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。)()()()()()(12tPKpFtSinUtttoedee此式是此式是APLL的的動(dòng)態(tài)相位動(dòng)態(tài)相位平衡方程。平衡方程。即：即：Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)通常稱鑒相特性通常稱鑒相特性 e(t)0時(shí)的斜率為時(shí)的斜率為PD的增益函數(shù)的增益函數(shù)KddtedteddUtCOSUtdtduKee0)(0)()()()()()()()(1tppFtSinKKtpeode此式是此式是APLL的的動(dòng)態(tài)頻率平衡動(dòng)態(tài)頻率平衡方程方程。)()()()()()(12tPKpFtSinUttt

11、oedee將上式兩端微分后得：將上式兩端微分后得：（三）模擬鎖相環(huán)路的鎖定特征（三）模擬鎖相環(huán)路的鎖定特征（ 1 ）鎖定后：）鎖定后：由于瞬時(shí)頻率誤差為由于瞬時(shí)頻率誤差為0；則則 V= S，即，即VCO信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)頻率同步（輸入與輸出同步）信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)頻率同步（輸入與輸出同步）。（2）鎖定后：）鎖定后：eettLim)(常數(shù)。常數(shù)。 e -APLL剩余相位誤差。剩余相位誤差。（3）鎖定后：）鎖定后：由于由于 e =常數(shù)；常數(shù)；)0(sin)(LimtdeddUUtu)0()0()(LimCedctUSinUFtuF(0)-LF的直流傳輸函數(shù)。的直流傳輸函數(shù)。0)(tpe即即ud(t)、uc

12、(t)均與時(shí)間無(wú)關(guān)，即成為直流電壓。均與時(shí)間無(wú)關(guān)，即成為直流電壓。Ko/PuC(t)(sintUed1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)(4)鎖定后：鎖定后：VedSinFKK)0(0VVdVeKarcSinFKKarcSin)0(0KV-APPL的環(huán)路鎖定增益。的環(huán)路鎖定增益。顯見，顯見，KV 或或V e ，而而 e 越小，跟蹤效果越好。越小，跟蹤效果越好。VeodepFtSinKKtp)()()(固有頻差固有頻差為有限制為有限制五、模擬鎖相環(huán)路兩種調(diào)節(jié)過(guò)程五、模擬鎖相環(huán)路兩種調(diào)節(jié)過(guò)程（一）跟蹤過(guò)程：（一）跟蹤過(guò)程：環(huán)路鎖定后：環(huán)路鎖定后：若輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化，而使瞬時(shí)相位變

13、化若輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化，而使瞬時(shí)相位變化產(chǎn)生控制電產(chǎn)生控制電壓壓控制控制VCO，跟蹤輸入信號(hào)頻率，跟蹤輸入信號(hào)頻率再次鎖定。再次鎖定。對(duì)鎖定的對(duì)鎖定的APLL，鎖定的動(dòng)態(tài)平衡有一定極限。，鎖定的動(dòng)態(tài)平衡有一定極限。同步帶：同步帶：把在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，能維持鎖定所允許的最大固把在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，能維持鎖定所允許的最大固有頻差的有頻差的 2 2 倍稱為倍稱為跟蹤帶或同步帶。跟蹤帶或同步帶。（用（用H H表示表示）。）。:;)0(0時(shí)增大到當(dāng)可知由VVVVVdVeKKarcSinFKKarcSin能維持鎖定所允許的最大固有頻差能維持鎖定所允許的最大固有頻差Vmax=KV；H= Vmax= KV=

14、KdKoF(0) 據(jù)跟蹤帶定義為：據(jù)跟蹤帶定義為：上式無(wú)解，即環(huán)路不存在鎖定的上式無(wú)解，即環(huán)路不存在鎖定的 e ,；（二）環(huán)路的捕捉過(guò)程（二）環(huán)路的捕捉過(guò)程環(huán)路失鎖時(shí)：環(huán)路失鎖時(shí)：VCO與目標(biāo)信號(hào)頻率間存在頻差與目標(biāo)信號(hào)頻率間存在頻差V= S- V ，1）若）若V很小：很?。簎d(t)=sin e (t)頻率較低容易通過(guò)頻率較低容易通過(guò)LF，產(chǎn)生控制，產(chǎn)生控制電壓電壓uc(t)，VOC輸出一調(diào)頻波輸出一調(diào)頻波 V(t)在在 0(t)上下擺動(dòng)。由于上下擺動(dòng)。由于V很小，很容易擺動(dòng)到很小，很容易擺動(dòng)到 s，使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。，使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。-環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程

15、2 2）若）若V V過(guò)大：過(guò)大：u ud d(t)(t)頻率較頻率較大大不能通過(guò)不能通過(guò)LFLF，產(chǎn)生不了控制電，產(chǎn)生不了控制電壓壓u uc c(t)(t)，環(huán)路無(wú)法捕捉到，環(huán)路無(wú)法捕捉到 S S、一直處于失鎖。、一直處于失鎖。存在著一個(gè)保證環(huán)路由失鎖經(jīng)捕捉而進(jìn)入鎖定的最大允許值存在著一個(gè)保證環(huán)路由失鎖經(jīng)捕捉而進(jìn)入鎖定的最大允許值VmaxVmax, , 稱為稱為捕捉帶捕捉帶（用（用p p表示）。表示）。（五）數(shù)字頻率合成系統(tǒng)（五）數(shù)字頻率合成系統(tǒng)頻率合成技術(shù)在雷達(dá)、通信、電視廣播、遙控遙測(cè)和測(cè)量領(lǐng)頻率合成技術(shù)在雷達(dá)、通信、電視廣播、遙控遙測(cè)和測(cè)量領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。域已得到廣泛應(yīng)用。具其組成原

16、理，可分為兩類：具其組成原理，可分為兩類：1.以濾波器為主的直接頻率合成技術(shù)以濾波器為主的直接頻率合成技術(shù)2.鎖相頻率合成技術(shù)鎖相頻率合成技術(shù)數(shù)字頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗小、便于集成等。體積小、重量輕、功耗小、便于集成等。1.單環(huán)數(shù)字頻率合成器單環(huán)數(shù)字頻率合成器:組成框圖如圖：組成框圖如圖：晶振晶振1/NVCO LF PD設(shè)要求移動(dòng)電臺(tái)頻道識(shí)別能力為設(shè)要求移動(dòng)電臺(tái)頻道識(shí)別能力為100Hz，則基準(zhǔn)頻率，則基準(zhǔn)頻率fr和鑒和鑒相器的工作頻率取為相器的工作頻率取為100Hz；VCO輸出頻率輸出頻率f0為為3 3.9999MHz，求可變分頻器的分頻系數(shù)，求可變分頻器的分頻系數(shù)N。所以：所以：N= f0/ fr=（ 3 3.9999 ） 106/100=30000 39999由由f0=Nfr可知，改變分頻系數(shù)可知，改變分頻系數(shù)N可改變輸出頻率可改變輸出頻率f0。frf0f0頻道間隔頻道間隔 f0（亦稱步長(zhǎng)）為（亦稱步長(zhǎng)）為fr = 100Hz因?yàn)榄h(huán)路所定后：因?yàn)榄h(huán)路所定后：f0/ N= fr本章小結(jié)本章小結(jié)1. 反饋系統(tǒng)的構(gòu)成及分類反饋系統(tǒng)的構(gòu)成及分類2. AGC電路的構(gòu)成、原理、類型（簡(jiǎn)單、延遲