《通信電子線路》課件6反饋控制電路（new）

1、第 6 章反饋控制電路 6.1反饋控制電路概述 6.2鎖相環(huán)路性能分析 6.3集成鎖相環(huán)及其應(yīng)用 第 6 章反饋控制電路6.1反饋控制電路概述6.1.1自動電平控制電路 6.1.2自動頻率控制電路6.1.3自動相位控制電路(鎖相環(huán)路) 為了提高通信系統(tǒng)和電子設(shè)備的性能指標(biāo)或?qū)崿F(xiàn)某些特定要求，必須采用各種反饋控制電路。 反饋控制電路的預(yù)定關(guān)系：xo = g(xi) 反饋控制器：比較 xo、xi 產(chǎn)生誤差量 xe。 對象：根據(jù) xe 對 xo 調(diào)解，穩(wěn)定時接近預(yù)定關(guān)系。 反饋控制電路是一種有誤差的控制電路。根據(jù)控制對象參數(shù)不同反饋控制電路分為以下三類：自動電平控制電路自動頻率控制電路自動相位控制電

2、路6.1.1自動電平控制電路一、工作原理對象為可控增益放大器，其輸入信號：vi = Vimcos t 輸出信號：vo = Vomcos t 增益： 受誤差電壓控制。 自動電平控制電路 輸入量 xi 為 vr ，輸出量 xo 為 Vom 。預(yù)定關(guān)系：Vom = KvrK 特定常數(shù)誤差電壓： 滿足預(yù)定關(guān)系時：ve = 0 調(diào)節(jié)過程： 增益控制特性， 反饋控制器的比較特性。 滿足預(yù)定關(guān)系 ve = 0，Vom = Kvr Vom(Vim 增大或 A(0) 變化)增大到 Vom0 ，使誤差電壓增大，Vom0 調(diào)整為 V om，振幅減小，誤差電壓減小，再調(diào)整使振幅變?yōu)?V om ，反復(fù)循環(huán)直到達到 A

3、點，進入穩(wěn)定狀態(tài)。 AI 、Ar 越大剩余幅差越小。 二、應(yīng)用1自動增益控制電路(AGC)自動增益控制電路的作用：當(dāng)輸出信號電壓變化很大時，保持輸出電壓幾乎不變。 調(diào)幅接收機加入 AGC 電路是為了接收機輸出的信號穩(wěn)定，避免聲音忽強忽弱。高放、混頻、中放構(gòu)成的可控增益放大器。 AGC 檢波器輸出正比于中放輸出的調(diào)幅波的載波振幅Vom 的直流，經(jīng)直流放大器產(chǎn)生誤差電壓 ve ，控制放大器的增益，使輸出信號的載波振幅 Vom 穩(wěn)定。 2已調(diào)波功率放大器已調(diào)波功率放大器電路加入自動電平控制電路是為了減小非線性失真，實現(xiàn)良好的線性放大。 根據(jù)輸入信號檢出的 vr 與輸出檢出的 v+ 相比較，輸出誤差電

4、壓 ve ，調(diào)整功率放大器的增益，從而有效地減小非線性失真。 6.1.2自動頻率控制電路一、工作原理自動頻率控制電路的主要作用是自動調(diào)整振蕩器的頻率。 環(huán)路的輸入量： vi(t) 的角頻率 i 環(huán)路的輸出量： vo(t) 的角頻率 o 預(yù)定關(guān)系：o - i = e0 e vd vc o 反復(fù)循環(huán)后，環(huán)路鎖定。VCO 不穩(wěn)定引起的較大角頻差 e0 ，減小到 e。 限幅鑒頻器 頻率比較器 轉(zhuǎn)換特性 e vc放大器 VCO 可控頻率電路 轉(zhuǎn)換特性 vc e混頻器 (a)o = e0， (b)M 鎖定時的平衡點，剩余角頻差 (c)M 、P 穩(wěn)定平衡點，但 P 點環(huán)路已失去調(diào)解作用。 N 不穩(wěn)定平衡點。

5、 同步帶：H = e02 捕捉帶：p = e03 二、應(yīng)用1自動頻率微調(diào)電路 采用微調(diào)電路的調(diào)幅接收機，中頻放大器的帶寬可以減小，有利于提高接收機的靈敏度和選擇性。 2調(diào)頻負反饋解調(diào)器與普通限幅鑒頻器相比，調(diào)頻負反饋解調(diào)器的突出優(yōu)點是解調(diào)門限低。 3線性掃頻電路 采用自動頻率控制電路的掃頻信號發(fā)生器能減小掃頻信號的失真。 6.1.3自動相位控制電路(鎖相環(huán)路)與自動頻率控制電路一樣，鎖相環(huán)路 (PLL) 也是一種實現(xiàn)頻率跟蹤的自動控制電路，而且跟蹤是無誤差的，即 VCO 輸出信號頻率恒等于輸入信號頻率。 一、組成框圖 二、控制過程 o (o i) o(t) - i(t) 調(diào)整 VCO o =

6、i 環(huán)路鎖定，保持固有相差 o。 圖 613用旋轉(zhuǎn)矢量說明鎖相環(huán)路的控制過程(a)失鎖( 0 i) (b)鎖定( 0 = i)以上討論了三種反饋控制電路，它們的區(qū)別在輸入和輸出所取得參量不同，因而反饋控制器和對象也就不同，但都是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有相同的調(diào)解過程，可以采用相同的分析方法。 第 6 章反饋控制電路6.2鎖相環(huán)路性能分析 6.2.1基本環(huán)路方程 6.2.2捕捉過程的定性討論6.2.3跟蹤特性分析環(huán)路鎖定的動態(tài)過程及其性能特點。 6.2.1基本環(huán)路方程(a)圖 621鑒相器的電路模型一、鑒相器作用：比較兩個輸入電壓之間的相位差，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓 vd(t) 。 設(shè) r 為參考角頻率。

7、 r VCO 未加控制電壓時的固有振蕩角頻率。 (a)圖 621鑒相器的電路模型即vo(t) = Vom cosrt + o(t) + 一般取(a)圖 621鑒相器的電路模型即vo(t) = Vom sinrt + o(t) 鑒相器輸出的平均電壓 vd(t) = Ad sine(t) Ad 鑒相器最大輸出電壓 e(t) = i(t) - o(t) 電路模型 (b)圖 621鑒相器的電路模型二、壓控振蕩器(VCO) 壓控振蕩器是振蕩頻率隨控制電壓變化的振蕩器，是環(huán)路中固有的積分環(huán)節(jié)。 特性曲線 (a)圖 622VCO 的電路模型在有限的控制電壓范圍內(nèi)，用線性方程近似表示 o - r = Aovc

8、(t) Ao 壓控靈敏度，vc = 0處的斜率，單位 rad/s V (a)圖 622VCO 的電路模型o - r = Aovc(t) 根據(jù)可得 或 用微分算子 p = d/dt 表示 電路模型 三、環(huán)路低通濾波器作用：濾除鑒相器輸出電流中的無用組合分量及其干擾分量，以達到環(huán)路要求的性能，并保證環(huán)路的穩(wěn)定性。 1簡單 RC 濾波器 圖 623環(huán)路低通濾波器(a)簡單 RC 濾波器傳遞函數(shù) 式中， = RC。2無源比例積分濾波器 圖 623環(huán)路低通濾波器(b)無源比例積分濾波器傳遞函數(shù) 式中，1 = R1C ，2 = R2C 。3有源比例積分濾波器 圖 623環(huán)路低通濾波器(c)無源比例積分濾波

9、器傳遞函數(shù) 集成運放滿足理想化條件時 式中，1 = R1C ，2 = R2C 以微分算子 p 替換 s ，得微分方程 vc(t) = AF(p)vd(t) 電路模型 四、基本環(huán)路方程基本回路方程 或 pe(t) + AdAoAF(p)sine(t) = pi(t) 瞬時角頻差 e(t) 控制角頻差 o(t) 固有角頻差 i(t) 根據(jù)回路方程，回路閉合后的任何時刻 e(t) + o(t) = i(t) 若輸入固有角頻差i(t) = i 環(huán)路鎖定時 即 i = o，e(t) 為固定值，以 e 表示，稱為穩(wěn)態(tài)相位誤差。 據(jù)回路方程有 AdAoAF(0)sine = i 式中， AF(0) 為低通濾

10、波器的直流增益。 所以 式中，A0 = AdAoAF(0) 為環(huán)路直流總增益。 i A0，無解，環(huán)路失鎖。 環(huán)路能鎖定的最大輸入固有頻差 I ，稱為同步帶以 L 表示 L = A0 在 VCO 的最大頻率控制范圍內(nèi)，若增大同步帶，必須提高直流總增益。 6.2.2捕捉過程的定性討論捕捉過程就是環(huán)路從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程。 無信號輸入時，VCO 振蕩角頻率為 r。 加入輸入信號，固有角頻差 i = i - r。 瞬時相差， 鑒相器輸出電壓，vd(t) = Adsin it 如果 I 很大，vd(t) 被低通濾波器衰減，環(huán)路失鎖。 如果 I 很小，vd(t) 通過低通濾波器，環(huán)路鎖定。 若 I

11、 處于兩者之間，分兩種情況討論。 1I 較大，超過環(huán)路濾波器的通頻帶 vd(t) 雖然受到較大衰減，但仍可以使 VCO 振蕩頻率擺到 i ，環(huán)路很快鎖定。稱為快捕過程?？觳稁В耗軌蜴i定的最大 |i| ，以 c 表示 c AdAoAF(c) 2I 比第一種情況大 vd(t) 受到很大衰減，不能使 VCO 振蕩頻率擺到 I 。捕捉過程如下： o r ，i - o 減小，e(t) 隨時間增長變慢。 o 調(diào)頻波的最大頻偏 環(huán)路的帶寬 調(diào)制信號的頻譜寬度VCO 輸出為具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波，環(huán)路濾波器輸出解調(diào)輸出電壓。設(shè) VCO 的頻率控制特性是線性的設(shè)輸入調(diào)頻波為單音調(diào)制i(t) = mcos t

12、解調(diào)電壓的復(fù)振幅用 L562 組成的調(diào)頻波鎖相解調(diào)電路2振幅調(diào)制信號的同步檢波 鎖相環(huán)路恢復(fù)載波信號，VCO 輸出電壓與載波電壓之間有 /2 的固定相移，經(jīng)移相 /2 后送入同步檢波器。同步檢波可以避免一般包絡(luò)檢波器檢波弱信號時門限電平高，檢波效率低與失真大等問題。 二、鎖相接收機輸入信號角頻率為 I + d ，d 是多卜勒頻移。 環(huán)路鎖定時：I = r ，保證中頻角頻率不變。 6.3.3鎖相環(huán)在頻率合成器中的應(yīng)用一、概述頻率合成技術(shù)是利用一個或多個高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生出一系列等間隔的頻率信號的一種技術(shù)，這些離散頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。 二、鎖相倍頻和鎖相混頻電路1鎖相倍頻電路環(huán)

13、路的反饋通路中插入分頻器。 環(huán)路鎖定時所以o = Ni 2鎖相混頻電路 環(huán)路的反饋通路中插入混頻器和中頻放大器?；祛l器輸出電壓的角頻率：|o - L|環(huán)路鎖定時： i = |o - L|所以 o = L Io L，取 o = L + Io I 的場合。三、鎖相頻率合成器1吞脈沖頻率合成器 在保持頻率間隔為 fi 的前提下提高輸出頻率。雙模分頻器： P 和 (P + 1)分頻模式主計數(shù)器： N輔助計數(shù)器： AN A模式控制：1 ( P + 1) 0 P 計數(shù)周期開始計數(shù)周期結(jié)束一個計數(shù)周期內(nèi)的總計脈沖數(shù)Ni = (P + 1)A + P(N - A) = PN + A輸出頻率fo = Nt fi = (PN + A) fi2多環(huán)頻率合成器 以三環(huán)頻率合成器為例fi = 100 kHz300 NA 399351 NB 397輸出