第5章_反饋控制電路150427

1、第五章：反饋控制電路第五章：反饋控制電路 鄧鄧 鋼鋼GG綜述綜述( (一一) )反饋控制電路可在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，反饋控制電路可在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)反饋控制作用使系統(tǒng)的通過(guò)反饋控制作用使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需的精度，或者按照一定的規(guī)達(dá)到所需的精度，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(guò)程簡(jiǎn)控制過(guò)程簡(jiǎn)述：述：參考信號(hào)不變，輸出信號(hào)發(fā)生變化參考信號(hào)不變，輸出信號(hào)發(fā)生變化參考信號(hào)發(fā)生變化參考信號(hào)發(fā)生變化綜述綜述( (二二) )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(duì)反饋控制電路進(jìn)行分類：對(duì)反饋控制電路進(jìn)行分類：AGCAGCAFCAFCA

2、PC(PLL)APC(PLL)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：自動(dòng)進(jìn)行誤差自動(dòng)進(jìn)行誤差檢測(cè)和調(diào)整檢測(cè)和調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)誤差系統(tǒng)根據(jù)誤差信號(hào)的變化而信號(hào)的變化而進(jìn)行調(diào)整，不進(jìn)行調(diào)整，不管誤差信號(hào)由管誤差信號(hào)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誤差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)輸出信號(hào)電平的變化范圍，以維持統(tǒng)輸出信號(hào)電平的變化范圍，以維持整機(jī)輸出穩(wěn)定整機(jī)輸出穩(wěn)定在輸入信號(hào)幅值變化很大的情況下，在輸入信號(hào)幅值變化很大的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，使通過(guò)調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，使輸出信號(hào)幅值輸出信號(hào)幅

3、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(guò)程過(guò)程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(hào)濾除調(diào)制信號(hào)反調(diào)制反調(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( )( )( )( ,)mimeVAVAv自動(dòng)電平控制電路的類型自動(dòng)電平控制電路的類型簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單AGCAGC電路：電路：0rv 優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：對(duì)微弱信缺點(diǎn)：對(duì)微弱信

4、號(hào)的接收不利號(hào)的接收不利延遲延遲AGCAGC電路：電路：0rv 不同輸入信號(hào)強(qiáng)不同輸入信號(hào)強(qiáng)度時(shí)電路的工作度時(shí)電路的工作狀態(tài)狀態(tài)自動(dòng)電平控制電路的應(yīng)用自動(dòng)電平控制電路的應(yīng)用自動(dòng)頻率控制電路的原理自動(dòng)頻率控制電路的原理可使用自動(dòng)頻率控制的方法來(lái)穩(wěn)定振可使用自動(dòng)頻率控制的方法來(lái)穩(wěn)定振蕩頻率。例如在高質(zhì)量的接收機(jī)中，蕩頻率。例如在高質(zhì)量的接收機(jī)中，采用采用AFCAFC電路對(duì)本地振蕩器的頻率進(jìn)電路對(duì)本地振蕩器的頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使混頻所得差頻較精確行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使混頻所得差頻較精確地等于固定中頻，從而提高接收機(jī)的地等于固定中頻，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(guò)作過(guò)程程鎖相環(huán)的特點(diǎn)

5、鎖相環(huán)的特點(diǎn)是一種相位反饋控制系統(tǒng)，能使是一種相位反饋控制系統(tǒng)，能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定的關(guān)系入信號(hào)保持確定的關(guān)系可分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)。可分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)的特征是鑒相器輸出模擬鎖相環(huán)的特征是鑒相器輸出的誤差信號(hào)是連續(xù)的，對(duì)環(huán)路輸?shù)恼`差信號(hào)是連續(xù)的，對(duì)環(huán)路輸出信號(hào)的調(diào)節(jié)也是連續(xù)的出信號(hào)的調(diào)節(jié)也是連續(xù)的鎖相環(huán)的構(gòu)成鎖相環(huán)的構(gòu)成( (一一) )鑒相器鑒相器(PD)(PD)實(shí)質(zhì)上是個(gè)相實(shí)質(zhì)上是個(gè)相位位- -電壓變換電壓變換器器()devf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)實(shí)質(zhì)上

6、是個(gè)電實(shí)質(zhì)上是個(gè)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)可近似用線性函數(shù)表示壓控近似用線性函數(shù)表示壓控特性：特性：0orcA v ：壓控振蕩器的固有角：壓控振蕩器的固有角頻率頻率r ：壓控振蕩器的控制靈：壓控振蕩器的控制靈敏度敏度( (增益系數(shù)增益系數(shù)) )0A0000( )( )( )tccv ttAv t dtAp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)還可使鎖相環(huán)獲得還可使鎖相環(huán)獲得所需的帶寬和增益，所需的帶寬和增益，改善環(huán)路的性能以改善環(huán)路的性能以適應(yīng)對(duì)鎖相環(huán)多種適應(yīng)對(duì)鎖相環(huán)多種應(yīng)用的需要應(yīng)用的需要

7、嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：( )( )*( )cdv th 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)慣使用微分算子的函數(shù)來(lái)表示函數(shù)來(lái)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(hào)頻率在內(nèi)的高頻號(hào)頻率在內(nèi)的高頻分量，提高環(huán)路的分量，提高環(huán)路的抗干擾能力抗干擾能力鎖相環(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(shí)的情況態(tài)時(shí)的情況0( )( )( )ioettt dt()ioif00( )0,( )( )ettt dt 即當(dāng)加到

8、鑒相器上兩個(gè)信號(hào)的頻率相等即當(dāng)加到鑒相器上兩個(gè)信號(hào)的頻率相等時(shí)，其瞬時(shí)相位差是一個(gè)常數(shù)時(shí)，其瞬時(shí)相位差是一個(gè)常數(shù)( )eift常數(shù)( )0,oit 即當(dāng)加到鑒相器上兩個(gè)信號(hào)的瞬時(shí)相位即當(dāng)加到鑒相器上兩個(gè)信號(hào)的瞬時(shí)相位差為常數(shù)時(shí)，其頻率必然相等差為常數(shù)時(shí)，其頻率必然相等鎖相環(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(shí)，由率不等時(shí)，由鎖相環(huán)與鎖相環(huán)與AFCAFC均利用誤差信號(hào)的反饋?zhàn)骶谜`差信號(hào)的反饋?zhàn)饔脕?lái)控制用來(lái)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

9、不斷改變，直至鎖定直至鎖定鎖相環(huán)路中的比較器為鑒相器，環(huán)路鎖鎖相環(huán)路中的比較器為鑒相器，環(huán)路鎖定時(shí)存在剩余相差，不存在剩余頻差定時(shí)存在剩余相差，不存在剩余頻差A(yù)FCAFC中的比較器為鑒頻器，環(huán)路鎖定時(shí)存中的比較器為鑒頻器，環(huán)路鎖定時(shí)存在剩余頻差在剩余頻差鎖相環(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：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 Ap

10、t( )oort( )( )iiirptt 環(huán)路鎖定過(guò)程簡(jiǎn)述環(huán)路鎖定過(guò)程簡(jiǎn)述鎖定后壓控振蕩器角頻率與輸入信號(hào)同頻，鎖定后壓控振蕩器角頻率與輸入信號(hào)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(hào)振蕩角頻率偏離輸入信號(hào)角頻率的值，稱為角頻率的值，稱為瞬時(shí)角頻差瞬時(shí)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(hào)角頻率偏離輸入信號(hào)角頻率偏離 的數(shù)值，稱為環(huán)路的數(shù)值，稱為環(huán)路的輸入固有角頻差，又稱為的輸入固有角頻差，又稱為開環(huán)角頻差開環(huán)角頻差r環(huán)路的鎖定狀態(tài)環(huán)路的鎖定

11、狀態(tài)( (二二) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有：當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有：0(0)sindFeiA A A 00sinarcsinarcsin(0)iiedFA A AA無(wú)環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)稱為一階鎖相環(huán)，無(wú)環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)稱為一階鎖相環(huán)，此時(shí)有：此時(shí)有：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(shí)的穩(wěn)態(tài)相差時(shí)的穩(wěn)態(tài)相差555210 ,21.01 10 ,21.03 10解：解：3299

12、10r53111210210iiir 311302101arcsinarcsinarcsin3 2103iedA 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(wèn)當(dāng)輸入頻率分別為。問(wèn)當(dāng)輸入頻率分別為 和和 的正弦信號(hào)時(shí)，環(huán)路能否鎖定？的正弦信號(hào)時(shí)，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

13、？控制電壓多大？2dAV020/AkHz V1rMHz0.98MHz1.05MHz(0.98)iifMHz0.02iMHz 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)路已處于鎖定狀態(tài)，然后緩慢假設(shè)環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)，然后緩慢地改變輸入信號(hào)頻率，能夠繼續(xù)維持地改變輸入信號(hào)頻率，能夠繼續(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，稱為鎖

14、相環(huán)的倍，稱為鎖相環(huán)的同步帶或同步帶或跟蹤帶跟蹤帶，用，用 表示表示im2H故要增大鎖相環(huán)的同步帶，必須提高故要增大鎖相環(huán)的同步帶，必須提高其直流總增益其直流總增益使用正弦型鑒相器時(shí)使用正弦型鑒相器時(shí)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的限制圍的限制0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt一階環(huán)路的平衡點(diǎn)一階環(huán)路的平衡點(diǎn)0()idifA A在在A A、B B兩點(diǎn)時(shí)：兩點(diǎn)時(shí)：A A、B B兩點(diǎn)的區(qū)別兩點(diǎn)的區(qū)別0( )sin( )edeidtA Atdt 0sin( )()eedeiedA Atfdt 002arcsin(21)ar

15、csinieAdieBdnA AnA A0e一階環(huán)路的捕捉過(guò)程一階環(huán)路的捕捉過(guò)程捕捉是指鎖相環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入到捕捉是指鎖相環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入到鎖定狀態(tài)的過(guò)程鎖定狀態(tài)的過(guò)程捕捉時(shí)間捕捉時(shí)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 的含義的含義0對(duì)于一階環(huán)路對(duì)于一階環(huán)路來(lái)說(shuō)，其捕捉來(lái)說(shuō)，其捕捉帶與同步帶相帶與同步帶相等等一階環(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 Af 0( )sin( )edeidtA Atdt 01

16、sin1()edeieedtdA Adf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縮小頻差方向著縮小頻差方向牽引，即向著向牽引，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0一階鎖相環(huán)的頻一階鎖相環(huán)的頻率牽引特性率牽引特性環(huán)路的跟蹤過(guò)程環(huán)路的跟蹤過(guò)程環(huán)路鎖定時(shí)，輸入信號(hào)頻率與輸出信號(hào)頻環(huán)路鎖定時(shí)，輸入信號(hào)頻率與輸出信號(hào)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(duì)于頻率和相位固定的輸入鎖定狀態(tài)：相對(duì)

17、于頻率和相位固定的輸入信號(hào)而言信號(hào)而言跟蹤狀態(tài)：相對(duì)于頻率和相位變化的輸入跟蹤狀態(tài)：相對(duì)于頻率和相位變化的輸入信號(hào)而言信號(hào)而言當(dāng)輸入信號(hào)的頻率和相位改變時(shí)，只要相當(dāng)輸入信號(hào)的頻率和相位改變時(shí)，只要相位變化不超過(guò)一定的范圍，通過(guò)環(huán)路的作位變化不超過(guò)一定的范圍，通過(guò)環(huán)路的作用，壓控振蕩器輸出的頻率和相位也會(huì)以用，壓控振蕩器輸出的頻率和相位也會(huì)以同樣規(guī)律隨之變化，不斷地跟蹤輸入信號(hào)同樣規(guī)律隨之變化，不斷地跟蹤輸入信號(hào)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)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(shí)無(wú)剩余頻差存在環(huán)路在鎖定狀態(tài)時(shí)無(wú)剩余頻差存在是

18、一個(gè)理想的頻率控制系統(tǒng)是一個(gè)理想的頻率控制系統(tǒng)輸出信號(hào)頻率可以精確地跟蹤輸入信號(hào)的輸出信號(hào)頻率可以精確地跟蹤輸入信號(hào)的變化。環(huán)路鎖定后，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)變化。環(huán)路鎖定后，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過(guò)增加環(huán)路增之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過(guò)增加環(huán)路增益的辦法被控制在所需數(shù)值范圍之內(nèi)益的辦法被控制在所需數(shù)值范圍之內(nèi)對(duì)干擾來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)窄帶高頻帶通濾對(duì)干擾來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)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(shí)要低于普通鑒頻器在調(diào)制指數(shù)相同時(shí)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鎖相調(diào)頻電路鎖相調(diào)

19、頻電路對(duì)調(diào)頻波的基本要求：中心頻率足夠穩(wěn)定，對(duì)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(hào)頻率較高，若低通濾波器的通帶能夠?yàn)V號(hào)頻率較高，若低通濾波器的通帶能夠?yàn)V除調(diào)制信號(hào)的頻譜，則可實(shí)現(xiàn)要求除調(diào)制信號(hào)的頻譜，則可實(shí)現(xiàn)要求VCOVCO的振蕩頻率同時(shí)受輸入調(diào)制信號(hào)和反的振蕩頻率同時(shí)受輸入調(diào)制信號(hào)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 t鎖相鑒頻電路鎖相鑒頻電路要求要求LPFLPF在調(diào)制信號(hào)的有效頻譜范圍內(nèi)有在調(diào)制信號(hào)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(duì)注意對(duì)VCOVCO和和LPFLPF的要求的要求00( )rcA v t若環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)得足夠?qū)?，則環(huán)路鎖定時(shí)若環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)得足夠?qū)挘瑒t環(huán)路鎖定時(shí)VCOVCO能夠能夠跟蹤跟蹤輸入調(diào)頻波中反映調(diào)制規(guī)律輸入調(diào)頻波中反映調(diào)制規(guī)律變化的瞬時(shí)頻率，此時(shí)變化的瞬時(shí)頻率，此時(shí)VC