第8章 反饋控制技術(shù)(1)AGC與AFC電路原理

第八章無線電技術(shù)中的反饋控制電路

(2)AGC和AFC電路原理8.2自動增益控制(AGC)電路8.2.1電路的組成、工作原理和性能分析8.2.2放大器的增益控制——可控增益電路8.2.3AGC控制電壓的產(chǎn)生——電平檢測電路8.2.4AGC電路舉例8.3自動頻率控制(AFC)電路8.3.1AFC電路的組成和基本特性8.3.2AFC電路的應(yīng)用舉例作業(yè)：8.78.88.1反饋控制系統(tǒng)的概念8.1.2反饋控制系統(tǒng)的組成、工作過程和特點自動增益控制(AGC)電路、自動頻率控制(AFC)電路及自動相位控制(APC)電路。1.反饋控制系統(tǒng)的工作過程①參考信號r0保持不變，輸出信號y發(fā)生了變化②參考信號r0發(fā)生了變化

總之，由于反饋控制作用，較大的參考信號變化和輸出信號變化，只引起小的誤差信號變化。兩個條件:是要反饋信號變化的方向與參考信號變化的方向一致是從誤差信號到反饋信號的整個通路（含可控特性設(shè)備、反饋環(huán)節(jié)和比較器）的增益要高。2.反饋控制系統(tǒng)的特點（1）誤差檢測可以遠遠小于參考信號與反饋信號間的起始偏差。利用這個特性，達到兩個目的-----保持輸出基本不變或輸出跟隨參考的變化。反映速度快，精度高。（2）系統(tǒng)是根據(jù)誤差信號的變化而進行調(diào)整，不論其變化的原因。（3）只要合理設(shè)計，就能夠減小誤差信號的變化，但不可能完全消除誤差的存在。正向傳遞函數(shù)是指輸出信號Y(s)與誤差信號E(s)之比。8.1.98.1.10誤差傳遞函數(shù)是指誤差信號E(s)與參考信號R(s)之比。8.1.8開環(huán)傳遞函數(shù)是指反饋信號F(s)與誤差信號E(s)之比閉環(huán)傳遞函數(shù)是指輸出信號Y(s)與參考信號R(s)之比8.1.78.1.2反饋控制系統(tǒng)的基本分析1.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及數(shù)學(xué)模型自動增益控制電路是某些電子設(shè)備，特別是接收設(shè)備的重要的輔助電路之一，其主要作用是使設(shè)備的輸出電平保持為一定的數(shù)值。因此也稱自動電平控制（ALC）電路。接收機的輸出電平取決于輸入信號電平和接收機的增益。由于種種原因，接收機的輸入信號變化范圍往往很大，微弱時可以是一微伏或幾十微伏，信號強時可達幾百毫伏。也就是說最強信號和最弱信號相差可達幾十分貝。這種變化范圍叫做接收機的動態(tài)范圍。8.2自動增益控制(AGC)電路自動增益控制電路是輸入信號電平變化時，用改變增益的方法維持輸出信號電平基本不變的一種反饋控制系統(tǒng)。對自動增益控制電路的主要要求:控制范圍要寬，信號失真要小，要有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間，同時，不影響接收機的噪聲性能。若用代表AGC電路輸入信號電平的變化范圍，則用代表AGC電路輸出信號電平允許變化范圍。取ng=mi/mo8.2.1稱ng為增益控制倍數(shù)，顯然ng愈大控制范圍愈寬。8.2.2式中，Amax=Uomin/Uimin

表示AGC電路的最大增益（對應(yīng)低電平時）

Amin=Uomax/Uimax

表示AGC電路的最小增益（對應(yīng)高電平時）可見，要想擴大AGC電路的控制范圍，就要增大AGC電路的增益控制倍數(shù)，也就是要求AGC電路有較大的增益變化范圍。同時要根據(jù)信號的性質(zhì)和需要，設(shè)計適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間。8.2.1AGC電路的組成、工作原理及性能分析AGC電路的組成如圖8.11所示。它包含有可控增益電路、電平檢測電路、濾波器、比較器和控制信號產(chǎn)生器。圖8.11AGC電路組成

1.電平檢測電路電平檢測電路的功能就是檢測出輸出信號的電平值。它的輸入信號就是AGC電路的輸出信號，可能是調(diào)幅波或調(diào)頻波，也可能是聲音信號或圖象信號。這些信號的幅度也是隨時間變化的，但變化頻率較高，至少在幾十赫茲以上。而其輸出則是一個僅僅反映其輸入信號電平的信號，如果其輸入信號的電平不變，那么電平檢測電路的輸出信號就是一個脈動電流。一般情況下，電平信號的變化頻率較低，如幾赫茲左右。通常電平檢測電路是由檢測器擔(dān)任，其輸出與輸入信號電平成線性關(guān)系，即u1=Kduy8.2.3其復(fù)頻域表示式為U1(s)=KdUy(s)8.2.4電平檢測電路根據(jù)控制電壓產(chǎn)生方法的不同，有平均值型、峰值型和選通型。

2.濾波器對于以不同頻率變化的電平信號，濾波器將有不同的傳輸特性。用此可以控制AGC電路的響應(yīng)時間。也就是決定當(dāng)輸入電平以不同的頻率變化時輸出電平將怎樣變化。常用的是單節(jié)RC積分電路。如圖8.12所示。它的傳輸特性為圖8.12RC積分電路8.2.5

3.比較器將給定的基準電平Ur與濾波器輸出的uf進行比較，輸出誤差信號為ue。通常ue與(ur-uf)成正比，所以，比較器特性的復(fù)頻域表示式為Ue(s)=Acp[Ur(s)-uf(s)]8.2.6其中，Acp為一比例常數(shù)。

4.控制信號產(chǎn)生器控制信號產(chǎn)生器的功能是將誤差信號變換為適于可變增益電路需要的控制信號。這種變換通常是幅度的放大或極性的變換。有的還設(shè)置一個初始值，以保證輸入信號小于某一Up(s)=ApUe(s)8.2.7其中，Ap為比例常數(shù)。電平時，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的復(fù)頻域表示式為5.可控增益電路可控增益電路能在控制電壓作用下改變增益。要求這個電路在增益變化時，不使信號產(chǎn)生線性或非線性失真。同時要求它的增益變化范圍大，它將直接影響AGC系統(tǒng)的增益控制倍數(shù)ng。所以，可控增益電路的性能對整個AGC系統(tǒng)的技術(shù)指標影響是很大的。

可控增益電路的增益與控制電壓的關(guān)系一般是非線性的。通常最關(guān)心的是AGC系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。為簡化分析，假定它的特性是線性的，即

G=Agup

8.2.8其復(fù)頻域表示式為：——up為AGC控制電壓G(s)=AgUp(s)8.2.9Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)Up(s)=KgUp(s)8.2.10式中，Kg=AgUi，表示Uo與Up關(guān)系中的斜率，如圖所示。以上說明了AGC電路的組成及各部件的功能。但是，在實際AGC電路中并不一定都包含這些部分。將圖8.2.1改畫成圖8.2.4所示的電路模型圖中，Kg即為Ac8.2.2放大器的增益控制——可控增益電路可控增益電路是在控制信號作用下改變增益，從而改變輸出信號的電平，達到穩(wěn)定輸出電平的目的。這部分電路通常是與整個系統(tǒng)共用的，并不是單獨屬于AGC系統(tǒng)。例如接收機的高、中頻放大器，它既是接收機的信號通道，又是AGC系統(tǒng)的可控增益電路。要求可控增益電路只改變增益而不致使信號失真。如果單級增益變化范圍不能滿足要求時，還可采用多級控制的方法。

可控增益電路通常是一個可變增益放大器?？刂品糯笃髟鲆娴姆椒ㄖ饕校嚎刂品糯笃鞅旧淼哪承﹨?shù)，或在放大器級間插入可控衰減器。

1.利用控制放大器本身的參數(shù)改變增益

⑴改變發(fā)射極電流Ie正向傳輸導(dǎo)納|Yfe|與晶體管的工作點有關(guān)，改變發(fā)射極（或集電極電流）就可以使|Yfe|隨之改變，從而達到控制放大器增益的目的。

⑵改變放大器的負載放大器的增益與負載YL有關(guān)，調(diào)節(jié)YL也可以實現(xiàn)對放大器增益的控制。⑶改變電流分配比利用電流分配法來控制放大器的增益，其優(yōu)點是：放大器的增益受控時，只是改變了VT1和VT2的電流分配，對VT3沒有影響。⑷改變恒流源電流改變恒流源電流的增益控制電路如圖8.21所示。它是平衡輸入，單端輸出的差分放大電路。該電路的小信號跨導(dǎo)為2.利用在放大器級間插入可控衰減器改變增益在放大器各級間插入由二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電控衰減器來控制增益，是增益控制的一種較好的方法。簡單的二極管電控衰減器如圖8.22所示。電阻R和二極管VD的動態(tài)電阻rd構(gòu)成一個分壓器。當(dāng)控制電壓up變化時，rd隨著變化，從而改變分壓器的分壓比。圖8.22二極管電控衰減器交流等效電路圖8.23是一種改進電路?？刂齐妷簎p通過三極管VT來控制VD1、VD2和VD3、VD4的動態(tài)電阻。當(dāng)輸入信號較弱時，控制電壓up的（負壓較?。┲递^小，晶體管VT的電流較大，流過VD1～VD4的電流也比較大，其動態(tài)電阻rd小，因而信號ui從四只二極管通過時的衰減很小。當(dāng)輸入信號增大時，up的值增大，VT和VD1～VD4的電流減小，rd增大，使信號受到較大的衰減?？刂七^程如下：串聯(lián)式二極管衰減器Ui大→Vp大（b點電位低）→Vc高→電流小→rd大→衰減大→輸出小圖8.25是用PIN管作為增益控制器件的典型電路。圖中VT1是共發(fā)射極電路，它直接耦合到下一級的基極；VT2是射極跟隨器，放大后的信號由發(fā)射極輸出，同時有一部分由反饋電阻Rf反饋到VT1的基極，反饋深度可通過Rf調(diào)整。因為反饋電壓與輸入電壓并聯(lián)，所以是電壓并聯(lián)負反饋。圖8.25用PIN管作為電控衰減器的放大電路輸入大→Up小→PIN內(nèi)阻大→衰減大→輸出小控制過程如下：8.2.3AGC控制電壓的產(chǎn)生——電平檢測電路

AGC控制電壓是由電平檢測電路形成的，電平檢測電路的功能是從系統(tǒng)輸出信號中取出電平信息。通常要求其輸出應(yīng)與信號電平成比例。按照控制電壓產(chǎn)生方法的不同，電壓檢測電路有平均值型、峰值型和選通型三種。

1.平均值型AGC電路平均值型AGC電路適應(yīng)于被控信號中含有一個不隨有用信號變化的平均值的情況。調(diào)幅接收機的自動增益控制廣泛采用這種電路。圖8.26平均值型電平檢測電路

圖8.26是一種常用的等效電路，二極管VD和R1、R2、C1、C2構(gòu)成一個檢波器，中頻輸出信號uo經(jīng)檢波后，除了得到音頻信號之外，還有一個平均直流分量up，它的大小和中頻載波電平成正比，與信號的調(diào)幅度無關(guān)，這個電壓就可以用做AGC控制電壓。Rp、Cp組成一個低通濾波器。把檢波后的音頻分量濾掉，使控制電平up不受音頻信號的影響。為了減小反調(diào)制作用所產(chǎn)生的失真，時間常數(shù)τp=RpCp(足夠大但不能太大，太大了跟不上信號的變化)應(yīng)根據(jù)調(diào)制信號的最低頻率FL來選擇。其數(shù)值可以用下式來計算：8.2.26（反調(diào)制---τp太小，則控制電壓將會跟隨調(diào)制信號變化，使輸出音頻信號受到附加的調(diào)制。相對來說，低頻比高頻更容易受到反調(diào)制。）

2.

峰值型AGC電路峰值型AGC電路適應(yīng)于被控信號中含有一個不隨有用信號變化的峰值的情況。峰值型AGC檢波電路不能和圖象信號的檢波共用一個檢波器。必須另外設(shè)置一個峰值檢波器。圖8.28就是這種檢波器的電路（電視機中AGC采用）。圖8.28峰值型電平檢測電路及其波形要求充電時間小，放電時間大，C1小R1大。峰值型AGC電路具有一些優(yōu)點：1、輸出的AGC控制電壓大。2、較好的抗干擾能力（幅度小于同步信號的干擾）

缺點：干擾幅度大于同步信號，而且混入的時間較長，那么，它對AGC電路就會產(chǎn)生危害。因此，這種電路的抗干擾性能還不夠理想。

3.

選通型AGC電路

選通型AGC電路具有更強的抗干擾能力，多用于高質(zhì)量的電視接收機和某些雷達接收機。它的基本思想是只在反映信號電平的時間范圍內(nèi)對信號取樣，然后利用這些取樣值形成反應(yīng)信號的電平。

優(yōu)點：在取樣時間范圍外的干擾都不會對電平值產(chǎn)生影響，從而大大提高了電路的抗干擾能力.

使用的前提條件：首先是信號本身要（1）周期性出現(xiàn)，在信號出現(xiàn)的時間內(nèi)信號的幅度能反映信號的電平；其次是要提供與上述信號出現(xiàn)時間相對應(yīng)的（2）選通信號，這個選通信號可由AGC系統(tǒng)（3）內(nèi)部產(chǎn)生，也可由外部提供。8.2.4AGC電路舉例

圖8.30是一種簡單的延遲AGC電路。電路有兩個檢波器,一個是信號檢波器S，另一個是AGC的電平檢測電路A。它們的主要區(qū)別在于后者的檢波二極管VD2上加有延遲電壓Vd.這樣，只有當(dāng)輸出電壓uo的幅度大于Vd時，VD2才開始檢波,產(chǎn)生控制電壓up。圖8.30延遲AGC電路(可控增益電路)

AFC電路也是一種反饋控制電路。它與AGC電路的區(qū)別在于控制對象不同，AGC電路的控制對象是電平信號，而AFC電路的控制對象則是信號的頻率。其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。8.3自動頻率控制（AFC）電路8.3.1AFC電路的組成和基本特性

1.

AFC電路的組成AFC電路的框圖如圖8.31所示需要注意的是在反饋環(huán)路中傳遞的是頻率信息，誤差信號正比于參考頻率與輸出頻率之差，控制對象是輸出頻率。不同于AGC電路在環(huán)路中產(chǎn)生的電平信息，誤差信號正比于參考電平與反饋電平之差，控制對象是輸出電平。因此研究AFC電路應(yīng)著眼于頻率。

圖8.31AFC電路方框圖

⑴頻率比較器加到頻率比較器的信號，一是參考信號，一是反饋信號,它的輸出電壓ue與這兩個信號的頻率差有關(guān)，而與這兩個信號的幅度無關(guān)，稱ue為誤差信號。

ue=Acp(ωr-ωo)8.3.1式中，Acp在一定的頻率范圍內(nèi)為常數(shù)，實際上是鑒頻跨導(dǎo)。圖8.32混頻-鑒頻型頻率比較器框圖及其特性

⑵

可控頻率電路可控頻率電路是在控制信號uc的作用下，用以改變輸出信號頻率的裝置。顯然，它是一個電壓控制的振蕩器，其典型特性如圖8.33所示。一般這個特性也是非線性的，但在一定的范圍內(nèi)如CD段可近似表示為線性關(guān)系圖8.33可控頻率電路的控制特性8.3.2式中Ac為常數(shù)，實際是壓控靈敏度。這一特性稱之為控制特性。⑶濾波器這里也是一個低通濾波器。根據(jù)頻率比較器的原理，誤差信號ue的大小與極性反映了（ωr-ωo）=Δω的大小與極性，而ue的的頻率則反映了頻率差Δω隨時間變化的快慢。因此，濾波器的作用是限制反饋環(huán)路中流通的頻率差的變化頻率，只允許頻率差較慢的變化信號通過實施反饋控制，而濾除頻率差較快的變化信號使之不產(chǎn)生反饋控制作用。在圖8.31中濾波器的傳遞函數(shù)為8.3.3當(dāng)濾波器為單節(jié)RC積分電路時8.3.4當(dāng)誤差信號ue是慢變化的電壓時，這個濾波器的傳遞函數(shù)可以認為是1。另外，頻率比較器和可控頻率電路都是慣性器件，即誤差信號的輸出相對于頻率信號的輸入有一定的延時。這種延時的作用一并考慮在低通濾波器之中。

2.

AFC電路基本特性的分析在了解各部件功能的基礎(chǔ)上，就可分析AFC電路的基本特性了。可以用解析法，也可以用圖解法，這里我們用圖解法進行分析。因為我們感興趣的是穩(wěn)態(tài)情況，不討論反饋控制過程，所以，可認為濾波器的傳遞函數(shù)為1，這樣AFC的方框圖如圖8.34(a)所示。這樣

uc=ue，ωr0=ωy0，Δω=ωr0-ωy鑒頻特性壓控特性AFC電路框圖ue=Acp(Δω)Δω=AcucAFC電路的數(shù)學(xué)模型當(dāng)濾波器的傳遞函數(shù)為1時，可以簡化電路模型圖8.35AFC電路的工作特性

在AFC電路處于平衡狀態(tài)時，應(yīng)是這兩個部件特性方程的聯(lián)立解。圖解法則是將這兩個特性曲線畫在同一坐標軸上，找出兩條曲線的交點，即為平衡點。如圖8.35所示。

和所有的反饋控制系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)穩(wěn)定后所具有的狀態(tài)與系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)。

AFC電路對應(yīng)于不同的初始頻差Δω，將有不同的剩余頻差Δωe；當(dāng)初始頻差Δω一定時，鑒頻特性越陡，或控制特性越平，則平衡點M越趨近于坐標原點，剩余頻差就越小。①設(shè)初始頻差Δω=0，即ω0=ωo0=ωro，輸出頻率就是標準頻率，控制特性如圖8.35中①線所示，它與鑒頻特性的交點就在坐標原點。初始頻差為零，剩余頻差也為零。②初始頻差Δω=Δω1如“控制特性②”線所示，它代表可控頻率電路未加控制電壓，振蕩角頻率偏離ωo0時的控制特性。它與鑒頻特性的交點M0就是穩(wěn)定平衡點，對應(yīng)的Δωe就是剩余頻差。振蕩角頻率誤差由Δω1減小到Δωe，顯然Δωe<Δω1。鑒頻特性越陡，控制特性越平，Δωe就越小。圖8.35AFC電路的工作特性

③初始角頻率由小增大時，平衡點所對應(yīng)的剩余角頻差也相應(yīng)地由小增大。當(dāng)初始角頻差為Δω2時，鑒頻特性與控制特性出現(xiàn)3個交點，分別用M、P、N表示。其中M和N是穩(wěn)定點，而P點則是不穩(wěn)定點。問題是在兩個穩(wěn)定平衡點中應(yīng)穩(wěn)定在哪個平衡點上。

如果環(huán)路原先是鎖定的，若工作在M點上，由于外因的影響使起始角頻差增大到Δω2，在增大過程中環(huán)路來得及調(diào)整，則環(huán)路就穩(wěn)定在M點上；如果環(huán)路原先是失鎖的，那么必先進入N點，并在N點穩(wěn)定下來，而不再轉(zhuǎn)移到M點。剩余角頻差接近于起始角頻差，此時環(huán)路已失去了自動調(diào)節(jié)作用。

④若環(huán)路原先是鎖定的，Δω增大到Δω=ΔωH時，控制特性與鑒頻特性的外部相切于MH點，Δω再繼續(xù)增大，就不會有交點了，這表明ΔωH是環(huán)路能夠維持鎖定的最大初始頻差。通常將2ΔωH稱為環(huán)路的同步帶或跟蹤帶，而將跟得上Δω變化的過程稱為跟蹤過程。⑤若環(huán)路原先是失鎖的，當(dāng)初始頻差變小，當(dāng)Δω=ΔωH時環(huán)路首先穩(wěn)定在NH點，而不會轉(zhuǎn)移到MH點，這時環(huán)路相當(dāng)于失鎖。只有當(dāng)初始頻差繼續(xù)減小到Δωp時，控制特性與鑒頻特性相切于Np，相交于Mp點，環(huán)路由Np點轉(zhuǎn)移到Mp點穩(wěn)定下來，這就表明Δωp是從失鎖到穩(wěn)定的最大初始角頻差，通常將2Δωp稱為環(huán)路的捕捉帶，而將失鎖到鎖定的過程稱為捕捉過程。顯然，Δωp<ΔωH8.3.2AFC電路的應(yīng)用舉例1.自動頻率微調(diào)電路

因為超外差接收機的增益與選擇性主要由中頻放大器決定，這就要求中頻頻率很穩(wěn)定。

通常，外來信號的頻率穩(wěn)定度較高，而本地振蕩器的穩(wěn)定度較低。為了保持中頻頻率的穩(wěn)定，在較好的接收機中往往加入AFC電路。圖8.36調(diào)幅接收機中AFC電路的組成方框圖

調(diào)幅接收機的自動頻率微調(diào)電路如圖8.36所示。載波頻率為fS，本地頻率為fL，混頻器輸出的中頻就是fI=fL-fS。當(dāng)本振頻率偏移+ΔfL。本振頻率變成fL+ΔfL，混頻后中頻也偏移，為fI+ΔfL。經(jīng)鑒頻器鑒頻，輸出相應(yīng)的控制電壓，經(jīng)低通濾波器去控制壓控振蕩器，使壓控振蕩器的頻率降低，從而使中頻頻率減小，達到了穩(wěn)定中頻的目的。圖8.37調(diào)頻接收機自動頻率微調(diào)系統(tǒng)必須注意，在這種AFC環(huán)境中，低通濾波器的帶寬應(yīng)足夠窄，一般小于幾十赫茲，要求能濾除調(diào)制頻率分量，使加到調(diào)頻振蕩器的控制電壓僅僅是反映調(diào)頻信號中心頻率漂移的的緩變電壓。2.穩(wěn)定調(diào)頻發(fā)射機的中心頻率為使調(diào)頻發(fā)射機既有大的頻偏，又有穩(wěn)定的中心頻率，往往采用AFC電路。其方框圖如圖8.38所示。圖中，參考信號ωr由高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，輸出信號是調(diào)頻振蕩器的中心頻率ωo，混頻輸出的額定中頻為（ωr-ωo）。由于ωr的穩(wěn)定度高，因此混頻器輸出端產(chǎn)生的頻率誤差Δω主要是由ωo不穩(wěn)定所致。通過AFC電路的自動調(diào)節(jié)作用就能減少頻率誤差值，使ωo趨于穩(wěn)定。圖8.38具用AFC電路的調(diào)頻發(fā)射機方框圖

3.調(diào)頻負反饋調(diào)解器當(dāng)存在噪聲時，調(diào)頻波解調(diào)器有一個解調(diào)門限值