第5章-反饋控制電路150427

第五章：反饋控制電路

鄧

鋼Gdeng@263.net綜述(一)綜述與內(nèi)容提要反饋控制電路可在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，通過反饋控制作用使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需的精度，或者按照一定的規(guī)律變化預(yù)先設(shè)定控制過程簡(jiǎn)述：參考信號(hào)不變，輸出信號(hào)發(fā)生變化參考信號(hào)發(fā)生變化綜述(二)綜述與內(nèi)容提要根據(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：AGCAFCAPC(PLL)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：自動(dòng)進(jìn)行誤差檢測(cè)和調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)誤差信號(hào)的變化而進(jìn)行調(diào)整，不管誤差信號(hào)由何種原因產(chǎn)生存在剩余誤差基本工作原理(一)第一節(jié)：自動(dòng)增益控制電路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，以維持整機(jī)輸出穩(wěn)定在輸入信號(hào)幅值變化很大的情況下，通過調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，使輸出信號(hào)幅值(電平)基本恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種電路電路結(jié)構(gòu)及反饋控制過程基本工作原理(二)第一節(jié)：自動(dòng)增益控制電路低通濾波器的作用：濾除調(diào)制信號(hào)反調(diào)制AGC電路的輸入輸出量及其關(guān)系靜態(tài)誤差的產(chǎn)生自動(dòng)電平控制電路的類型第一節(jié)：自動(dòng)增益控制電路簡(jiǎn)單AGC電路：優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：對(duì)微弱信號(hào)的接收不利延遲AGC電路：不同輸入信號(hào)強(qiáng)度時(shí)電路的工作狀態(tài)自動(dòng)電平控制電路的應(yīng)用第一節(jié)：自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)頻率控制電路的原理第二節(jié)：自動(dòng)頻率控制電路可使用自動(dòng)頻率控制的方法來穩(wěn)定振蕩頻率。例如在高質(zhì)量的接收機(jī)中，采用AFC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地等于固定中頻，從而提高接收機(jī)的靈敏度電路結(jié)構(gòu)及工作過程鎖相環(huán)的特點(diǎn)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)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)。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)路輸出信號(hào)的調(diào)節(jié)也是連續(xù)的鎖相環(huán)的構(gòu)成(一)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)鑒相器(PD)實(shí)質(zhì)上是個(gè)相位-電壓變換器鎖相環(huán)的構(gòu)成(二)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)壓控振蕩器(VCO)實(shí)質(zhì)上是個(gè)電壓-頻率變換器在一定控制電壓范圍內(nèi)可近似用線性函數(shù)表示壓控特性：：壓控振蕩器的固有角頻率：壓控振蕩器的控制靈敏度(增益系數(shù))第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)鎖相環(huán)的構(gòu)成(三)環(huán)路濾波器(LPF)還可使鎖相環(huán)獲得所需的帶寬和增益，改善環(huán)路的性能以適應(yīng)對(duì)鎖相環(huán)多種應(yīng)用的需要嚴(yán)格來說：在鎖相環(huán)的分析中，習(xí)慣使用微分算子的函數(shù)來表示和的關(guān)系，即：可濾除鑒相器輸出中包含鑒相輸入信號(hào)頻率在內(nèi)的高頻分量，提高環(huán)路的抗干擾能力鎖相環(huán)的基本工作原理(一)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)環(huán)路鎖定狀態(tài)時(shí)的情況即當(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)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)，其頻率必然相等鎖相環(huán)的基本工作原理(二)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)當(dāng)輸入輸出頻率不等時(shí)，由鎖相環(huán)與AFC均利用誤差信號(hào)的反饋?zhàn)饔脕砜刂芕CO的振蕩頻率，根本差別在于：可知，VCO的電壓將不斷改變，直至鎖定鎖相環(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A(yù)FC中的比較器為鑒頻器，環(huán)路鎖定時(shí)存在剩余頻差鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)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)(一)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)環(huán)路鎖定過程簡(jiǎn)述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VCO振蕩角頻率偏離輸入信號(hào)角頻率的值，稱為瞬時(shí)角頻差閉環(huán)后控制電壓作用于壓控振蕩器后引起的輸出角頻率的變化，稱為控制角頻差輸入信號(hào)角頻率偏離的數(shù)值，稱為環(huán)路的輸入固有角頻差，又稱為開環(huán)角頻差環(huán)路的鎖定狀態(tài)(二)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有：無環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)稱為一階鎖相環(huán)，此時(shí)有：環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例一第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)設(shè)PD的特性為：VCO的特性為：求輸入角頻率分別為時(shí)的穩(wěn)態(tài)相差解：同理可得：故最后一種情況下環(huán)路不能鎖定環(huán)路的鎖定狀態(tài)：例二第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)解：已知一階鎖相環(huán)路中正弦鑒相特性的鑒相器的；VCO的，自由振蕩頻率。問當(dāng)輸入頻率分別為和的正弦信號(hào)時(shí)，環(huán)路能否鎖定？若能鎖定，穩(wěn)態(tài)相差多大，壓控振蕩器的控制電壓多大？故環(huán)路不能鎖定環(huán)路的鎖定狀態(tài)(三)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)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)維持環(huán)路鎖定所允許的最大輸入固有角頻差的2倍，稱為鎖相環(huán)的同步帶或跟蹤帶，用表示故要增大鎖相環(huán)的同步帶，必須提高其直流總增益使用正弦型鑒相器時(shí)同步帶主要受到VCO最大頻率控制范圍的限制一階環(huán)路的平衡點(diǎn)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)在A、B兩點(diǎn)時(shí)：A、B兩點(diǎn)的區(qū)別一階環(huán)路的捕捉過程第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)捕捉是指鎖相環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入到鎖定狀態(tài)的過程捕捉時(shí)間捕捉帶：環(huán)路由失鎖到鎖定所允許的最大固有角頻差(或固有頻差)的含義對(duì)于一階環(huán)路來說，其捕捉帶與同步帶相等一階環(huán)路的差拍狀態(tài)第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)差拍狀態(tài)的含義一階環(huán)路的頻率牽引第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)差拍狀態(tài)狀態(tài)下盡管環(huán)路不能鎖定，但卻能使壓控振蕩器的頻率向著縮小頻差方向牽引，即向著鎖定方向牽引牽引作用隨著的增大而減弱一階鎖相環(huán)的頻率牽引特性環(huán)路的跟蹤過程第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)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)相差跟蹤的定義鎖定狀態(tài)：相對(duì)于頻率和相位固定的輸入信號(hào)而言跟蹤狀態(tài)：相對(duì)于頻率和相位變化的輸入信號(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(huì)以同樣規(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)路處于跟蹤狀態(tài)鎖相環(huán)的重要特性第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)環(huán)路在鎖定狀態(tài)時(shí)無剩余頻差存在是一個(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)相位誤差可以通過增加環(huán)路增益的辦法被控制在所需數(shù)值范圍之內(nèi)對(duì)干擾來說，相當(dāng)于一個(gè)窄帶高頻帶通濾波器良好的跟蹤特性良好的窄帶濾波特性在調(diào)制指數(shù)相同時(shí)要低于普通鑒頻器良好的門限特性易于集成化鎖相調(diào)頻電路第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)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)捰捎谥行念l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除調(diào)制信號(hào)的頻譜，則可實(shí)現(xiàn)要求VCO的振蕩頻率同時(shí)受輸入調(diào)制信號(hào)和反映VCO中心頻率漂移的電壓控制鎖相鑒頻電路第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)要求LPF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注意對(duì)VCO和LPF的要求若環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)得足夠?qū)?，則環(huán)路鎖定時(shí)VCO能夠跟蹤輸入調(diào)頻波中反映調(diào)制規(guī)律變化的瞬時(shí)頻率，此時(shí)VCO輸入端的控制電壓必然和輸入調(diào)頻波頻率的變化規(guī)律相同，故從LPF輸出端即可得到解調(diào)信號(hào)是調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)路同步檢波電路第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)窄帶跟蹤濾波器第三節(jié)：自動(dòng)相位控制電路-鎖相環(huán)混頻器輸出的中頻被鎖定在本地標(biāo)準(zhǔn)中頻上低通濾波器的帶寬很窄，調(diào)制信號(hào)分量不能進(jìn)入環(huán)路，只對(duì)緩慢變化的頻移進(jìn)行調(diào)整，從而提高了接收機(jī)的靈敏度載波頻率的變化范圍可以超過等效窄帶濾波器的通頻帶，但限制在壓控振蕩器的可控振蕩頻率范圍內(nèi)。其工作條件是載