《高頻電路原理與應(yīng)用》課件第8章

第8章自動(dòng)控制電路

8.1概述8.2反饋控制的基本原理8.3自動(dòng)增益控制(AGC)電路8.4自動(dòng)頻率控制(AFC)電路8.5鎖相環(huán)路(PLL)基本原理8.6頻率合成器8.7移動(dòng)通信設(shè)備實(shí)用電路舉例——900MHz移動(dòng)電話本章小結(jié)思考題與習(xí)題8.1概述反饋控制是現(xiàn)代工程技術(shù)中一種重要的技術(shù)手段，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下通過(guò)反饋控制的作用可以使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到需要的精度，或按照一定的規(guī)律動(dòng)作。根據(jù)控制對(duì)象參數(shù)不同，反饋控制電路在電子線路中可以分為以下三類(lèi)：自動(dòng)增益控制(AGC)電路、自動(dòng)頻率控制(AFG)電路及自動(dòng)相位控制(APC)電路。然后介紹三種基本反饋控制電路的原理、組成及應(yīng)用。最后闡述在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的頻率合成技術(shù)及其在電子通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。一般來(lái)講，反饋哪個(gè)量輸出就可以穩(wěn)定哪個(gè)量。反饋量可以是電學(xué)量，也可以是非電學(xué)量，如溫度、壓力、位移、流量、速度等。電子電路中的反饋?zhàn)畛Ｒ?jiàn)的是振幅的反饋，如模擬電子電路中的電壓、電流負(fù)反饋電路。自動(dòng)增益控制(AutomaticGainContorl，AGC)實(shí)際上是振幅控制，被穩(wěn)定和控制的量是振幅；在自動(dòng)頻率控制(AutomaticFrequencyControl，AFC)中，反饋量是頻率，被穩(wěn)定控制的量就是頻率；若反饋量是相位，則信號(hào)跟蹤另一信號(hào)的相位，使其兩者的相位差不變，那么這兩個(gè)信號(hào)的相位差保持穩(wěn)定，而頻率相等，所以具有相位反饋的鎖相環(huán)路(PhaseLockedLoop，PLL)也是一種實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的自動(dòng)控制電路。但它與自動(dòng)頻率控制電路有本質(zhì)的不同。AFC是利用誤差頻率產(chǎn)生的電壓來(lái)控制頻率，是有頻差的。而PLL有相差，利用相差產(chǎn)生控制作用，因此沒(méi)有頻差的。增益控制電路是電子設(shè)備，特別是通信接收設(shè)備的重要輔助電路之一，它的主要作用是使設(shè)備的輸出電平(振幅)基本保持恒定。接收機(jī)的輸出電平取決于輸入信號(hào)的電平和接收機(jī)的增益。接收機(jī)的輸入信號(hào)由于種種原因通常有很大的變化范圍，最大和最小的輸入信號(hào)相差可以達(dá)到幾十分貝。在接收較弱信號(hào)時(shí)，我們希望接收機(jī)有較高的增益；在接收較強(qiáng)信號(hào)時(shí)，則要求它的增益相應(yīng)地降低。這樣才能使輸出信號(hào)保持適當(dāng)?shù)碾娖?，不致因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無(wú)法正常工作，也不致因輸入信號(hào)太大使接收機(jī)發(fā)生飽和而堵塞?？刂戚敵鲂盘?hào)的基本恒定這一任務(wù)由增益控制電路來(lái)完成。自動(dòng)頻率控制電路也稱(chēng)自動(dòng)頻率控制環(huán)(AFC環(huán))，是通信設(shè)備中必備的基本電路，它的主要作用是使輸出信號(hào)的頻率和輸入信號(hào)的頻率保持確定關(guān)系。

AFC環(huán)主要由鑒頻器和受控本地振蕩器等部件構(gòu)成。后者大多采用壓控振蕩器，它能使中頻fI在輸入信號(hào)頻率fc和本地受控振蕩頻率fL發(fā)生變化時(shí)盡量保持穩(wěn)定。通常令fI=fL－fc。鑒頻器的作用是檢測(cè)中頻的頻偏，并輸出誤差電壓。閉環(huán)時(shí)，輸出誤差電壓使受控振蕩器的振蕩頻率偏離減小，從而把中頻拉向額定值。這種頻率負(fù)反饋?zhàn)饔媒?jīng)過(guò)AFC環(huán)反復(fù)循環(huán)調(diào)節(jié)，最后達(dá)到平衡狀態(tài)，從而使系統(tǒng)的工作頻率保持穩(wěn)定且偏差很小。早期的AFC環(huán)用于自動(dòng)調(diào)諧接收機(jī)，以簡(jiǎn)化接收機(jī)的調(diào)諧手續(xù)，并使它在發(fā)射信號(hào)頻率不穩(wěn)定時(shí)也能進(jìn)行穩(wěn)定接收。20世紀(jì)50年代初期，AFC環(huán)始用于調(diào)頻通信接收機(jī)，以提高抗干擾能力；用于雷達(dá)接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)；還用于調(diào)頻發(fā)射機(jī)和其他電子設(shè)備，以提高主振頻率的穩(wěn)定度。鎖相環(huán)為無(wú)線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法，鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器用來(lái)鑒別輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差，并輸出誤差電壓。誤差電壓中的噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)路濾波器濾除，形成壓控振蕩器(VCO)的控制電壓?？刂齐妷鹤饔糜趬嚎卣袷幤鞯慕Y(jié)果是把它的輸出振蕩頻率fo拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率fi，當(dāng)二者相等時(shí)，環(huán)路被鎖定，維持鎖定的直流控制電壓由鑒相器提供。鎖相環(huán)路是能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。頻率合成是指由一個(gè)或多個(gè)頻率穩(wěn)定度和精確度很高的參考信號(hào)源通過(guò)頻率域的線性運(yùn)算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)頻率合成的電路叫頻率合成器，頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分。在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等設(shè)備中，頻率合成器既是發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源，又是接收機(jī)的本地振蕩器；在電子對(duì)抗設(shè)備中，它可以作為干擾信號(hào)發(fā)生器；在測(cè)試設(shè)備中，可作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，因此頻率合成器被人們稱(chēng)為許多電子系統(tǒng)的“心臟”。在后續(xù)的章節(jié)中我們主要介紹基本的反饋控制電路和在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的頻率合成器。8.2反饋控制的基本原理8.2.1反饋控制系統(tǒng)的組成、工作過(guò)程和特點(diǎn)

反饋控制系統(tǒng)的組成方框圖如圖8.1所示。它一般由比較器、控制設(shè)備和反饋環(huán)節(jié)組成，比較器的作用是將外加的參考信號(hào)r(t)與反饋信號(hào)f(t)進(jìn)行比較，得到并輸出參考信號(hào)和反饋信號(hào)的差值信號(hào)e(t)，比較器的功能是檢測(cè)誤差信號(hào)和產(chǎn)生控制信號(hào)?？刂圃O(shè)備是在輸入信號(hào)s(t)的作用下產(chǎn)生輸出信號(hào)y(t)，其輸出與輸入特性關(guān)系受誤差信號(hào)e(t)的控制，也就是通過(guò)誤差信號(hào)控制信號(hào)的輸出。有些反饋控制系統(tǒng)，其輸出信號(hào)是由控制設(shè)備本身產(chǎn)生的，而不需另加輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)的參數(shù)受誤差信號(hào)的控制。前面所講的壓控振蕩器就是一個(gè)典型的例子。反饋環(huán)節(jié)的作用是將輸出信號(hào)y(t)按一定的規(guī)律反饋到輸入端，這個(gè)規(guī)律可以隨著要求的不同而不同，它對(duì)整個(gè)環(huán)路的性能起著重要的作用。圖8.1反饋控制系統(tǒng)的組成方框圖

1.反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

假定系統(tǒng)已處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)輸入信號(hào)為s0，輸出信號(hào)為y0，參考信號(hào)為r0，比較器輸出的信號(hào)為e0。

(1)參考信號(hào)r0保持不變，輸出信號(hào)y發(fā)生了變化。y發(fā)生了變化的原因既可以是輸入信號(hào)s(t)發(fā)生了變化，也可以是控制設(shè)備的本身特性發(fā)生可變化。y的變化經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)將表現(xiàn)為反饋信號(hào)f的變化，使得輸出信號(hào)y向趨近于y0的方向進(jìn)一步變化。在反饋控制系統(tǒng)中，總是使輸出信號(hào)y進(jìn)一步變化的方向與原來(lái)的變化方向相反，也就是要減小y的變化量。y的變化減小將使得比較器輸出的誤差信號(hào)減小。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定，誤差信號(hào)e的變小，這就意味著輸出信號(hào)y偏離穩(wěn)態(tài)值y0也很小，從而達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出y0的目的。顯然，整個(gè)過(guò)程是靠系統(tǒng)的本身的反饋機(jī)制自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

(2)參考信號(hào)r0發(fā)生了變化。這時(shí)即使輸入信號(hào)s(t)和可控特性設(shè)備的特性沒(méi)有變化，誤差信號(hào)e也要發(fā)生變化。系統(tǒng)調(diào)整的結(jié)果使得誤差信號(hào)e的變化很小，這只能是輸出信號(hào)y與參考信號(hào)r同方向的變化，也就是輸出信號(hào)將隨著參考信號(hào)的變化而變化?？傊?，由于反饋控制作用，較大的參考信號(hào)變化和輸出信號(hào)的變化，只能引起小的誤差信號(hào)的變化。欲得此結(jié)果，需滿足如下兩個(gè)條件：首先，反饋信號(hào)變化的方向要與參考信號(hào)的變化方向一致。因?yàn)楸容^器輸出的誤差信號(hào)e是參考信號(hào)r與反饋信號(hào)f之差，即e=r-f，所以，只有反饋信號(hào)與參考信號(hào)變化方向一致，才能抵消參考信號(hào)的變化。其次，從誤差信號(hào)到反饋信號(hào)的整個(gè)通路(控制設(shè)備、反饋環(huán)節(jié)和比較器)的增益要高。從反饋控制系統(tǒng)的工作過(guò)程可以看出，整個(gè)調(diào)整過(guò)程就是反饋信號(hào)與參考信號(hào)之間的差值自動(dòng)減小的過(guò)程，而反饋信號(hào)的變化是受誤差信號(hào)控制的。整個(gè)通路的增益越高，同樣的誤差信號(hào)的變化就越大。這樣對(duì)于相同的參考信號(hào)與反饋信號(hào)之間的起始偏差，在相同重新達(dá)到穩(wěn)定后，通路增益高，誤差信號(hào)變化就小，整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整的質(zhì)量就高。應(yīng)該指出，提高通路增益只能減小誤差信號(hào)變化，而不能將這個(gè)變化減小到零。這是因?yàn)檠a(bǔ)償參考信號(hào)與反饋信號(hào)之間的起始偏差所需的反饋信號(hào)變化，只能由誤差信號(hào)變化產(chǎn)生。

2.反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

反饋控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)誤差檢測(cè)。控制信號(hào)產(chǎn)生和誤差信號(hào)校正全部都是自動(dòng)完成的。當(dāng)系統(tǒng)的參考信號(hào)(或稱(chēng)基準(zhǔn)信號(hào))與反饋信號(hào)之間的差值發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整，待重新達(dá)到穩(wěn)定后，可以是使誤差信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考信號(hào)與反饋信號(hào)的起始偏差。利用這個(gè)特性，可以保持輸出信號(hào)基本不變，或者是輸出信號(hào)隨參考信號(hào)的變化而變化。它的反應(yīng)速度快，控制精度高。

(2)系統(tǒng)是根據(jù)誤差信號(hào)的變化而進(jìn)行調(diào)整的，而不管誤差信號(hào)是由哪些原因產(chǎn)生的。所以不論是參考信號(hào)的變化輸出信號(hào)的變化而引起的變化，也不論輸出信號(hào)是由于輸入信號(hào)的變化而引起的變化，還是由于設(shè)備本身特性的變化而引起的變化，系統(tǒng)都能進(jìn)行調(diào)整。

(3)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)能夠減小誤差信號(hào)的變化，但不可能完全消除。因此，反饋控制系統(tǒng)調(diào)整的結(jié)果總是有誤差的，這個(gè)誤差叫剩余誤差。系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)可以將剩余誤差控制在一定范圍內(nèi)。以上對(duì)反饋控制系統(tǒng)的組成、工作過(guò)程及其特點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，下面對(duì)反饋控制系統(tǒng)做一些基本分析。8.2.2反饋控制系統(tǒng)的基本分析

1.反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及數(shù)學(xué)模型

分析反饋控制系統(tǒng)就是要找到參考信號(hào)與輸出信號(hào)(又稱(chēng)被控信號(hào))的關(guān)系，也就是要找到反饋控制系統(tǒng)的傳輸特性。和其他系統(tǒng)一樣，反饋控制系統(tǒng)也可以分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。這里重點(diǎn)分析線性系統(tǒng)。若參考信號(hào)r(t)的拉氏變換為R(s)，輸出信號(hào)y(t)的拉氏變化為Y(s)，則反饋控制系統(tǒng)的傳輸特性表示為(8.1)式中，稱(chēng)T(s)為反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。下面來(lái)推導(dǎo)閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)的表達(dá)式。并利用它分析反饋控制系統(tǒng)的特性。為此需先找出反饋控制系統(tǒng)各部件的傳遞函數(shù)及數(shù)學(xué)模型。

1)比較器比較器的典型特性如圖8.2所示，其輸出的誤差信號(hào)e通常與參考信號(hào)r和反饋信號(hào)f的差值成比例，即

e=Acp(r－f)

(8.2)這里，Acp是一個(gè)比例常數(shù)，它的量綱應(yīng)滿足不同系統(tǒng)的要求。如在下面將要分析的AGC系統(tǒng)中，r是參考信號(hào)的電平值，所以Acp是一個(gè)無(wú)量綱的常數(shù)。而在AFC中，r是參考信號(hào)的頻率值，f是反饋信號(hào)的頻率值，e是反映這兩個(gè)頻率差的電平值，所以Acp唯一的量綱是V/Hz的常數(shù)。在鎖相環(huán)電路中，e和(r-f)不成線性關(guān)系，這時(shí)Acp就不再是一個(gè)常數(shù)，這種情況可參閱有關(guān)文獻(xiàn)，這里只討論Acp為常數(shù)的情況。將式(8.2)寫(xiě)成拉氏變換式

E(s)=Acp［R(s)－F(s)］(8.3)式中，E(s)是誤差信號(hào)的拉式變換，R(s)是參考信號(hào)的拉氏變換，F(xiàn)(s)是反饋信號(hào)的拉氏變換。圖8.2比較器的典型特性

2)控制設(shè)備在誤差信號(hào)控制下產(chǎn)生的相應(yīng)輸出信號(hào)的設(shè)備為控制設(shè)備?？刂圃O(shè)備的典型特性如圖8.3所示。如壓控振蕩器就是在誤差電壓的控制下產(chǎn)生相應(yīng)的頻率變化。和比較器一樣，控制設(shè)備的變化關(guān)系并不一定是線性關(guān)系，為簡(jiǎn)化分析假定它是線性關(guān)系，即

y=Ace

(8.4)這里，Ac是常數(shù)，其量綱應(yīng)滿足系統(tǒng)的要求。例如，壓控振動(dòng)器Ac的量綱就是Hz/V。將式(8.4)寫(xiě)成拉氏變換式

Y(s)=AcE(s)

(8.5)圖8.3控制設(shè)備的典型特性

3)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)的作用是將輸出信號(hào)y的信號(hào)形式變化為比較器需要的信號(hào)形式。如輸出信號(hào)是交流信號(hào)，而比較器需要用反映交變信號(hào)的平均值的直流信號(hào)進(jìn)行比較，反饋環(huán)節(jié)應(yīng)能完成這種變換。反饋環(huán)節(jié)的另一重要作用是按需要的規(guī)律傳遞輸出信號(hào)。例如，只需要某些頻率信號(hào)起反饋?zhàn)饔?，那么可以將反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成一個(gè)濾波器，只允許所需的頻率信號(hào)通過(guò)。此外，它還可以對(duì)環(huán)路進(jìn)行調(diào)整。通常，反饋環(huán)節(jié)是一個(gè)所需特性的線性無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。如在鎖相環(huán)PLL中它是一個(gè)低通濾波器。它的傳遞函數(shù)為(8.6)這里，H(s)為反饋傳遞函數(shù)。根據(jù)上面的基本部件的功能和數(shù)學(xué)模型可以得到這個(gè)反饋控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖8.4所示。利用這個(gè)模型，就可以導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。因?yàn)閺亩玫椒答伩刂葡到y(tǒng)的傳遞函數(shù)為(8.7)式(8.7)稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。利用該式就可以對(duì)反饋控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析。在分析反饋控制系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)還要用到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Top(s)、正向傳遞函數(shù)Tf和誤差傳遞函數(shù)Te(s)的表達(dá)式。開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是指反饋信號(hào)F(s)與誤差信號(hào)E(s)之比，即(8.8)正向傳遞函數(shù)是指輸出信號(hào)Y(s)與誤差信號(hào)E(s)之比，即(8.9)誤差傳遞函數(shù)是指誤差信號(hào)E(s)與參考信號(hào)R(s)之比，即(8.10)

2.反饋控制系統(tǒng)的基本特性的分析

1)反饋控制系統(tǒng)的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)若反饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)給定，即正向傳遞函數(shù)Ac和反饋傳遞函數(shù)H(s)為已知，則在給定參考信號(hào)R(s)后就可根據(jù)式(8.7)求得該系統(tǒng)的輸出信號(hào)Y(s)，因?yàn)?8.11)在一般情況下，該式表示的是一個(gè)微分方程式，從線性系統(tǒng)的分析可知，所求得的輸出信號(hào)的時(shí)間函數(shù)y(t)將包含有穩(wěn)態(tài)部分和瞬態(tài)部分。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)部分表示系統(tǒng)穩(wěn)定后所處的狀態(tài)；瞬態(tài)部分則表示系統(tǒng)中進(jìn)行控制過(guò)程中的情況。這里主要討論穩(wěn)態(tài)情況。

【例8.1】以反饋放大器為例來(lái)說(shuō)明上述概念。電路如圖8.4所示。

【解】與圖8.4對(duì)比，不難得出相應(yīng)的關(guān)系式，其正向傳遞函數(shù)如下：反饋傳遞函數(shù)為這里，Acp=1，所以其閉環(huán)傳遞函數(shù)為(8.12)圖8.4反饋放大器等效電路當(dāng)給定參考信號(hào)是階躍信號(hào)時(shí)，即r(t)=u(t)，則將其代入式(8.12)，得(8.13)利用部分分式展開(kāi)式(8.13)，并進(jìn)行拉式逆變換，就得到了在階躍函數(shù)輸入時(shí)該電路的輸出信號(hào)uy(t)為(8.14)式中，第一項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)部分，當(dāng)電路穩(wěn)定后,輸出亦是一個(gè)階躍，幅度為；第二項(xiàng)為瞬態(tài)部分，它隨時(shí)間的增長(zhǎng)按指數(shù)規(guī)律衰減。如圖8.5所示。圖8.5反饋放大器在單位階躍信號(hào)作用下的輸出信號(hào)

2)反饋控制系統(tǒng)的跟蹤特性反饋控制系統(tǒng)的跟蹤特性是指誤差信號(hào)e與參考信號(hào)r的關(guān)系。它的復(fù)頻域表示式是式(8.10)所示的誤差傳遞函數(shù)，也可表示為(8.15)

當(dāng)給定參考信號(hào)r時(shí)，求出其拉氏變換并代入式(8.15)中，求出E(s)，在進(jìn)行逆變換就可得誤差信號(hào)e隨時(shí)間變化的函數(shù)式。顯然，誤差信號(hào)的變化既取決于系統(tǒng)的參數(shù)Acp、Ac和H(s)，也取決于參考信號(hào)的形式。對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)參考信號(hào)是一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)，誤差信號(hào)是一種形式，而當(dāng)參考信號(hào)是一個(gè)斜升函數(shù)(隨時(shí)間線性增加的函數(shù))時(shí)，誤差信號(hào)又是另一種形式。誤差信號(hào)隨時(shí)間變化的情況反映了參考信號(hào)的變化和系統(tǒng)是怎樣跟隨變化的。例如，當(dāng)參考信號(hào)是階躍變化，即由一個(gè)穩(wěn)態(tài)值變化到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值時(shí)，誤差信號(hào)在開(kāi)始時(shí)較大，而當(dāng)控制過(guò)程結(jié)束系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，誤差信號(hào)將變得很小，近似為零。但是，對(duì)于不同的系統(tǒng)，變化的過(guò)程是不一樣的，它既可能是單調(diào)減小的，也可能是振蕩減小的，如圖8.6中的曲線(Ⅰ)和(Ⅱ)所示。當(dāng)需要了解在跟蹤過(guò)程中有沒(méi)有起伏以及起伏的大小時(shí)，或者需要了解誤差信號(hào)減小到某一規(guī)定值所需的時(shí)間(即跟蹤速度)時(shí)，就需要了解這個(gè)跟蹤過(guò)程。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，就是要求在給定參考信號(hào)變化形式的情況下誤差信號(hào)的時(shí)間函數(shù)，但是這種計(jì)算往往是比較復(fù)雜的。圖8.6反饋控制系統(tǒng)的跟蹤過(guò)程在許多實(shí)際應(yīng)用中，往往不需要了解信號(hào)的跟蹤過(guò)程，而只需要了解系統(tǒng)穩(wěn)定后誤差信號(hào)的大小，稱(chēng)其為穩(wěn)態(tài)誤差。利用拉普拉斯變換的終值定理和誤差傳遞函數(shù)的表達(dá)式(8.15)就可求得穩(wěn)態(tài)誤差信號(hào)值(8.16)es越小，說(shuō)明系統(tǒng)跟蹤誤差越小，跟蹤特性越好。對(duì)于例8.1，在單位階躍函數(shù)的作用下，即ur(t)=u(t)，Ur(s)=1/s，其誤差信號(hào)為(8.17)利用部分分式法展開(kāi)式(8.17)并進(jìn)行逆變換，就能得到在單位階躍信號(hào)作用下電路誤差信號(hào)隨時(shí)間變化的特性，即跟蹤特性(8.18)由圖8.7可見(jiàn)，在單位階躍函數(shù)的作用下，這個(gè)電路的誤差信號(hào)開(kāi)始是1，當(dāng)t→∞時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定，誤差信號(hào)的值是，變換過(guò)程是按指數(shù)規(guī)律單調(diào)衰減，時(shí)間常數(shù)是。利用式(8.16)，也可以直接求其穩(wěn)態(tài)誤差(8.19)上式和式(8.18)求得的結(jié)果是一致的。顯然A越大，Ues越小，輸出信號(hào)越接近參考信號(hào)，這與式(8.14)的結(jié)果是符合的。圖8.7反饋放大器的跟蹤特性

3)反饋控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)反饋控制系統(tǒng)在正弦信號(hào)的作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱(chēng)為頻率響應(yīng)，可以用jω代替?zhèn)鬟f函數(shù)中的s來(lái)得到，這樣，系統(tǒng)的閉環(huán)頻率響應(yīng)為(8.20)這時(shí)，反饋控制系統(tǒng)等效為一個(gè)濾波器，T(jω)也可以用幅頻特性和相頻特性表示。若參考信號(hào)的頻譜函數(shù)為R(jω)，那么經(jīng)過(guò)反饋控制系統(tǒng)后它的不同頻率分量的幅度和相位都將發(fā)生變化。由式(8.20)可以看出，反饋環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)H(jω)對(duì)反饋控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)起決定性作用。可以利用改變H(jω)的方法調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。與閉環(huán)頻率特性一樣，用式(8.10)可求得誤差頻率響應(yīng)為(8.21)它表示誤差信號(hào)的頻譜函數(shù)與參考信號(hào)頻譜函數(shù)的關(guān)系。對(duì)于例8.1，其閉環(huán)頻率響應(yīng)為(8.22)其幅頻特性為(8.23)頻率曲線如圖8.8所示。可見(jiàn)，當(dāng)反饋放大器在階躍信號(hào)作用下，它的輸出信號(hào)在系統(tǒng)穩(wěn)定后是；當(dāng)參考信號(hào)頻率很高時(shí)，輸出信號(hào)在系統(tǒng)穩(wěn)定后將比參考信號(hào)在幅度上增加A倍。這個(gè)結(jié)果是明顯的，因?yàn)閷?duì)于直流信號(hào)來(lái)說(shuō)，這個(gè)電路是全部負(fù)反饋，其增益為；而當(dāng)ω→∞時(shí)，這個(gè)電路沒(méi)有反饋，其增益為A。這樣的頻率響應(yīng)特性是由其反饋環(huán)節(jié)RC電路決定的。RC電路的頻率特性為(8.24)如圖8.9所示，調(diào)整H(jω)的特性，就可以得到所需的整個(gè)電路的頻率特性。它的誤差頻率特性與閉環(huán)頻率特性形狀相同，只差一個(gè)系數(shù)A。圖8.8反饋放大器的閉環(huán)頻率特性圖8.9例8.1.1反饋電路的頻率特性

4)反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是必須考慮的重要問(wèn)題之一。其含義是：在外來(lái)擾動(dòng)的作用下，環(huán)路脫離原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)瞬變過(guò)程后能回到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之則是不穩(wěn)定的。如果反饋回路是非線性的，它的穩(wěn)定與否不僅取決于環(huán)路本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還與外來(lái)擾動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān)。但是，當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，則可以作為線性化環(huán)路的穩(wěn)定性問(wèn)題來(lái)處理。事實(shí)上，線性化環(huán)路滿足穩(wěn)定工作條件是實(shí)際環(huán)路穩(wěn)定工作的前提。若一個(gè)線性電路的傳遞函數(shù)T(s)的全部極點(diǎn)(亦即特征方程的根)位于復(fù)平面的左半平面內(nèi)，則它的瞬態(tài)響應(yīng)將是按指數(shù)規(guī)律衰減(不論是振蕩的或是非振蕩的)。這時(shí)，環(huán)路振蕩是穩(wěn)定的；反之，若其中一個(gè)或一個(gè)以上極點(diǎn)位于復(fù)平面的右半平面或虛軸上，則環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)或?yàn)榈确袷幓驗(yàn)橹笖?shù)增長(zhǎng)振蕩。這時(shí)環(huán)路是不穩(wěn)定的。因此，由式(8.7)，根據(jù)環(huán)路的特征方程

1+AcpAcH(s)=0

(8.25)得出全部特征根位于復(fù)平面的左半平面內(nèi)是環(huán)路穩(wěn)定工作的充要條件。對(duì)于例8.1，電路穩(wěn)定條件是式(8.12)的分母多項(xiàng)式根的實(shí)部為負(fù)值，即要求(8.26)這意味著放大器的增益A應(yīng)大于零，即輸出信號(hào)與參考信號(hào)同極性?；蛘?，如果輸出信號(hào)與參考信號(hào)反極性時(shí)，則要求|A|＜1，這個(gè)結(jié)果與利用放大器電路知識(shí)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果是一致的。當(dāng)A＞0時(shí)，該電路是負(fù)反饋放大器當(dāng)然是穩(wěn)定的；當(dāng)A＜0時(shí)，該電路是正反饋，所以只有|A|＜1才是穩(wěn)定的。以上方法對(duì)二階以下系統(tǒng)是適用的。若環(huán)路為高階，要解出全部特征根往往是比較困難的。因此，有根軌跡法、勞斯-霍爾維茨判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)等比較簡(jiǎn)便的穩(wěn)定性判定方法。這些方法中還包含極坐標(biāo)圖(又稱(chēng)幅相特性圖)、伯德圖、對(duì)數(shù)幅相圖(又稱(chēng)尼柯?tīng)査箞D)三種，這已超出本書(shū)范圍，讀者可參閱自動(dòng)控制原理。

5)反饋控制系統(tǒng)的控制范圍前面的分析都是假定比較器和控制設(shè)備及反饋環(huán)節(jié)具有線性特性。實(shí)際上，這個(gè)假定只能在一定的范圍內(nèi)成立。因?yàn)槿魏我粋€(gè)實(shí)際部件都不可能具有無(wú)窮寬的線性范圍，而當(dāng)系統(tǒng)的部件進(jìn)入非線性區(qū)后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整功能可能被破壞。因此，任何一個(gè)實(shí)際的反饋控制系統(tǒng)都有一個(gè)能夠正常工作的范圍。如當(dāng)r在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠保持誤差信號(hào)e足夠小，而當(dāng)r變化超過(guò)了這個(gè)范圍時(shí)，誤差信號(hào)e明顯增大，系統(tǒng)失去了自動(dòng)控制的作用，人們稱(chēng)這個(gè)范圍為反饋控制系統(tǒng)的控制范圍。由于不同的系統(tǒng)，其組成部件的非線性特性是不同的，而一個(gè)系統(tǒng)的控制范圍主要取決于這些部件的非線性特性，所以控制范圍隨具體的控制系統(tǒng)的不同而不同。在對(duì)反饋控制系統(tǒng)的分析中，主要是討論參考信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系，因此，輸出信號(hào)究竟是可控特性設(shè)備本身產(chǎn)生的，還是由于輸入信號(hào)激勵(lì)控制設(shè)備而得到的響應(yīng)，是無(wú)關(guān)緊要的。8.3自動(dòng)增益控制(AGC)電路

8.3.1自動(dòng)增益控制的基本原理

自動(dòng)增益控制是使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法。實(shí)現(xiàn)這種功能的電路簡(jiǎn)稱(chēng)AGC環(huán)。AGC環(huán)是閉環(huán)電子電路，是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，它可以分成增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變。AGC電路廣泛用于各種接收機(jī)、錄音機(jī)和測(cè)量?jī)x器中，它常被用來(lái)使系統(tǒng)的輸出電平保持在一定范圍內(nèi)，因而也稱(chēng)自動(dòng)電平控制；用于話音放大器或收音機(jī)時(shí)，稱(chēng)為自動(dòng)音量控制。

AGC有兩種控制方式：一種是利用增加AGC電壓的方式來(lái)減小增益的方式，叫正向AGC；另一種是利用減小AGC電壓的方式來(lái)減小增益的方式，叫反向AGC。正向AGC控制能力強(qiáng)，所需控制功率大被控放大級(jí)工作點(diǎn)變動(dòng)范圍大，放大器兩端阻抗變化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范圍也小。

AGC電路的組成如圖8.10所示，它包含有電平檢測(cè)電路、濾波器、比較器、控制信號(hào)產(chǎn)生器和可控增益電路。圖8.10AGC電路組成

1.電平檢測(cè)電路

電平檢測(cè)電路的功能就是檢測(cè)出輸出信號(hào)的電平值。它的輸入信號(hào)就是AGC電路的輸出信號(hào)，既可能是調(diào)幅波或調(diào)頻波，也可能是聲音或圖像信號(hào)。這些信號(hào)的幅度也是隨時(shí)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(gè)僅僅反映其輸入電平的信號(hào)，如果其輸入信號(hào)的電平不變，那么電平檢測(cè)電路的輸出信號(hào)就是一個(gè)脈動(dòng)電流。一般情況下，電平信號(hào)的變化頻率較低，如幾赫茲左右。通常電平檢測(cè)電路是由檢波器擔(dān)任，其輸出與輸入信號(hào)電平成線性關(guān)系，即

ui=Kduo

(8.27)其復(fù)頻域表示式為

Ui(s)=KdUo(s)

(8.28)圖8.11RC積分電路

2.濾波器

對(duì)于以不同頻率變化的電平信號(hào)，濾波器將有不同的傳輸特性。因此可以控制AGC電路的響應(yīng)時(shí)間。也就是決定當(dāng)輸入電平以不同頻率變化時(shí)輸出電平將怎樣變化。常用的是單節(jié)RC積分電路如圖8.11所示，其傳輸特性為(8.29)

3.比較器

將給定的基準(zhǔn)電平ur與濾波器輸出的uf進(jìn)行比較，輸出誤差信號(hào)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)］(8.30)其中，Acp為比例常數(shù)。

4.控制信號(hào)產(chǎn)生器控制信號(hào)產(chǎn)生器的功能是將誤差信號(hào)變換為適于可變?cè)鲆骐娐沸枰目刂菩盘?hào)。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(gè)初始值，以保證輸入信號(hào)小于某一電平時(shí)，保持放電器的增益最大。因此，它的特性的復(fù)頻域表示式為

Up(s)=ApUe(s)

(8.31)式中，Ap為比例系數(shù)。

5.可控增益電路

可控增益電路在控制電壓作用下改變?cè)鲆妗Ｒ筮@個(gè)電路在增益變化時(shí)，不使信號(hào)產(chǎn)生線性或非線性失真。同時(shí)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(duì)整個(gè)AGC系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)的影響是很大的。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(jiǎn)化分析，假定它的特性是線性的，即

G=Agup

(8.32)其復(fù)頻域表示式為

G(s)=AgUp(s)

(8.33)

Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)=KgUp(s)

(8.34)式中，Kg=AgUi，表示Uo與Up關(guān)系中的斜率，如圖8.12所示。以上說(shuō)明了AGC電路的組成及各部件的功能。但是，在實(shí)際AGC電路中并不一定都包含這些部分。例如，簡(jiǎn)單的AGC電路中就沒(méi)有比較器和控制信號(hào)產(chǎn)生器，但工作原理與復(fù)雜電路并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。圖8.12Uo～Up曲線從圖8.10可以看出，它是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)輸入信號(hào)ui(t)的電平變化或其他原因，使輸出信號(hào)uo(t)的電平發(fā)生了相應(yīng)的變化時(shí)，電平檢測(cè)電路將檢測(cè)出的這個(gè)新的電平信息，并輸出與之成比例的電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波器送至比較器。比較電路將比較器的輸出電平的變化并產(chǎn)生相應(yīng)的誤差信號(hào)。經(jīng)控制信號(hào)產(chǎn)生器進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q后，控制可控增益電路調(diào)整輸出信號(hào)的電平值。只要設(shè)計(jì)合理，這個(gè)系統(tǒng)就可以減小由于各種原因引起的輸出電平的變化，從而使這個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)基本保持不變。圖8.13具有AGC電路的接收機(jī)方框圖接收機(jī)為了保證輸出基本不變，必須采用AGC電路。圖8.13是具有AGC作用的接收機(jī)方框圖，它的工作過(guò)程大致如下：由天線接收到的輸入信號(hào)us經(jīng)過(guò)放大、變頻，得到中頻輸出信號(hào)，再放大，然后把這個(gè)輸出電壓經(jīng)檢波和平滑，產(chǎn)生控制電壓up，反饋到中頻、高頻放大器，對(duì)它們的增益進(jìn)行控制。圖8.13所示的AGC電路比較簡(jiǎn)單，常用于一般的廣播收音機(jī)。對(duì)于電視機(jī)、雷達(dá)接收機(jī)或質(zhì)量較高的通信接收機(jī)來(lái)說(shuō)，由于情況的不同，AGC電路的組成有差異。圖8.14是電視接收機(jī)AGC電路的框圖。它的工作原理和圖8.13基本相同，只是電路比較復(fù)雜。除了AGC檢波器之外，還可以加上若干級(jí)視頻放大器或直流放大器，以及用于選出某一特定信號(hào)的選通電路，如圖中虛線部分所示，這一部分統(tǒng)稱(chēng)為AGC電路。圖8.14延遲-選通AGC電路上面介紹的兩種典型的AGC系統(tǒng)的作用主要有兩點(diǎn)：第一，產(chǎn)生一個(gè)隨輸入電平而變化的直流控制電壓up；第二，利用AGC電壓去控制高放和中放的增益，使接收機(jī)的總增益按照一定的規(guī)律變化。8.3.2自動(dòng)增益控制電路

可控增益電路是在控制信號(hào)作用下改變?cè)鲆妫瑥亩淖冚敵鲂盘?hào)的電平，達(dá)到穩(wěn)定輸出電平的目的。這部分電路通常是與整個(gè)系統(tǒng)共用的，并不單獨(dú)屬于AGC系統(tǒng)。例如，接收機(jī)的高、中頻放大器既是接收機(jī)的信號(hào)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?cè)鲆娑恢率剐盘?hào)失真。如果單級(jí)增益變化范圍不能滿足要求，還可采用多級(jí)控制的方法。

1.放大器的自動(dòng)增益控制

因正向傳輸導(dǎo)納|yfe|與晶體管的工作點(diǎn)有關(guān)，所以改變集電極電流Ic(或發(fā)射極電流Ie)就可以使|yfe|隨之改變，從而達(dá)到控制放電器增益的目的。圖8.15是晶體管的|yfe|-Ic特性曲線，如果將放電器的靜止工作點(diǎn)選在|ICQ|，由圖可見(jiàn)，當(dāng)Ic<|ICQ|時(shí)，|yfe|隨著Ic的減小而下降，稱(chēng)反向AGC；當(dāng)Ic>|ICQ|時(shí)，|yfe|隨著Ic的增加而下降，稱(chēng)正向AGC。前者要求隨著輸入信號(hào)的增強(qiáng)，放電器的工作點(diǎn)電流也增大；后者則相反。國(guó)產(chǎn)專(zhuān)供增益控制用的晶體管有3DG56、3DG79、3DG91等，它們都是做正向AGC使用。這些管子的|yfe|-Ic曲線右邊的下降部分斜率大、線性好，且在Ic較大的范圍內(nèi)，晶體管的集電極損耗仍不超過(guò)允許值。圖8.15晶體管的|yfe|-Ic曲線圖8.16是兩種常用的增益控制電路。圖8.16(a)中，控制電壓up加在晶體管的發(fā)射極。當(dāng)up增加時(shí)，晶體管的偏置電壓ube減小，集電極電路Ic隨之減小，|yfe|減小，放大器增益降低。相反，當(dāng)控制電壓up減小時(shí)，晶體管的偏置電壓ube增大，集電極電路Ic隨之增大，|yfe|增大，放大器增益變大。圖8.16(b)是控制電壓加在晶體管基極的增益控制電路。它的工作原理與圖8.16(a)基本相同，不過(guò)控制電壓應(yīng)該是負(fù)極性，即加在基極控制電壓是-up。這種電路的實(shí)質(zhì)是利用up的變化對(duì)晶體管的基極電流進(jìn)行控制Ib進(jìn)行控制，因而所需的控制電流較小。對(duì)AGC檢波電路的要求較低。廣播收音機(jī)的自動(dòng)增益控制大多采用這種電路。圖8.16改變Ic的自動(dòng)增益電路利用晶體管的正向傳輸導(dǎo)納|yfe|與集電極電壓uce有關(guān)，改變uce同樣可以實(shí)現(xiàn)增益控制，其電路如圖8.17所示，它和一般放大器的主要區(qū)別是在集電極回路中串接一個(gè)阻值較大的電阻Rs(一般是幾千歐)。當(dāng)輸入電壓ui增大時(shí)，控制電壓up增加，電流Ic隨之增加，由于Rs的作用，集電極電壓uce減小，因而放大器的增益降低。這種控制方式的特點(diǎn)是：ui增加，Ic也增加，所以它被稱(chēng)為正向增益控制。其優(yōu)點(diǎn)是放大器的線性較好。但是uce變化時(shí)，晶體管輸出電容也跟著變化，對(duì)回路的調(diào)諧有較大影響，因而實(shí)際上這種電路應(yīng)用較少。圖8.17改變UCC實(shí)現(xiàn)增益控制電路放電器的增益與負(fù)載YL有關(guān)，調(diào)節(jié)YL也可以實(shí)現(xiàn)放電器的增益控制。圖8.18是廣播接收機(jī)中常采用變阻二極管作為回路負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制的中放電路。這種電路是在反向控制的基礎(chǔ)上，加上由變阻二極管VD1(習(xí)慣上叫做阻尼二極管)和電阻R1、R2、R3組成的網(wǎng)絡(luò)，借以改變回路L1C1的負(fù)載?？刂齐妷簎p在V2的基極注入，當(dāng)外來(lái)信號(hào)較小時(shí)up較小，V2的集電極電流UC2較大，R3上的壓降大于R2上的壓降，這時(shí)B點(diǎn)的電位高于A點(diǎn)的電位，阻尼二極管VD1處于反向偏置，它的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)很小，對(duì)回路沒(méi)有什么影響；當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，up增加，IC2減小，B點(diǎn)電位降低，二極管偏置逐漸變正，動(dòng)態(tài)電導(dǎo)變大，因而放電器的增益減小。輸入信號(hào)越強(qiáng)，則VD1的電導(dǎo)越大，回路L1C1的有效Q值大大減小，V1組成的放電器增益將顯著減低。廣播收音機(jī)采用這種電路，可以有效地防止因外來(lái)信號(hào)太強(qiáng)而出現(xiàn)的過(guò)載現(xiàn)象。圖8.18采用阻尼二極管的AGC電路

2.電控衰減器

在中頻放大器各級(jí)之間插入由二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電控衰減器來(lái)控制增益，是增益控制的一種較好的方法。簡(jiǎn)單的二極管電控衰減器如圖8.19所示。電阻R和二極管VD的動(dòng)態(tài)電阻Rd構(gòu)成一個(gè)分壓器。當(dāng)控制電壓up變化時(shí)，Rd也隨之變化，從而改變分壓器的分壓比。這種電路增益控制范圍較小，又因受控放電器和控制電路之間只用扼流圈LZ進(jìn)行隔離，所以隔離度較差。圖8.19二極管電控衰減器圖8.20是一種改進(jìn)電路?？刂齐妷簎p通過(guò)三極管V來(lái)控制VD1、VD2、VD3和VD4的動(dòng)態(tài)電阻。當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，控制電壓up的值較小，晶體管V的電流較大，流過(guò)VD1～VD4的電流也較大，其動(dòng)態(tài)電阻Rd小，因而信號(hào)ui從四只二極管通過(guò)時(shí)的衰減很小。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，up的值增大，V和VD1～VD4的電流減小，Rd增大，使信號(hào)ui受到較大的衰減。由于晶體三極管的放大作用提高了增益控制的靈敏度，同時(shí)控制電路和受控電路之間有較好的隔離度，即ui和up兩個(gè)電路之間的相互影響減小。在該電路中，四只二極管分成對(duì)稱(chēng)的兩組，目的是使它們對(duì)被控制的高頻信號(hào)正負(fù)半周的衰減相同。用二極管做可控衰減器時(shí)應(yīng)注意級(jí)間電容的影響。級(jí)間電容越大的衰減器的頻率特性越差，在放大寬帶信號(hào)時(shí)這個(gè)問(wèn)題尤其應(yīng)該注意。圖8.20串聯(lián)式二極管衰減器

3.利用PIN管組成的增益控制器

近年來(lái)，廣泛采用分布電容很小的PIN管作為增益控制器件。圖8.21是這種管子的結(jié)構(gòu)示意圖。它的作用和一般PN結(jié)的作用相同，但結(jié)構(gòu)有所差別，管子兩端分別是重?fù)诫s的P型和N型半導(dǎo)體，形成兩個(gè)電極，中間插入一層本征半導(dǎo)體I，故稱(chēng)之為PIN二極管。圖8.21PIN管結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體I層的電阻率很高，所以PIN管在零偏置時(shí)的電阻較大，一般可達(dá)7～10kΩ。在正偏置時(shí)，由P層和N層分別向I層注入空穴和電子，它們?cè)贗層不斷復(fù)合，而兩個(gè)結(jié)層處則繼續(xù)注入、補(bǔ)充，在滿足電中性的條件下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，I層中存在著一定數(shù)量并按照一定規(guī)律分布的等離子體，這使原來(lái)電阻率很高的I層變成低阻區(qū)。正向偏置越大，注入I層的載流子也越多，I層的電阻也就越小。由上述過(guò)程看出，加在PIN管上的正向偏置可以改變它的電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象通常叫做電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

PIN管的電阻與正向電流I的關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算(8.35)式中，I是管子的正向電流，單位為mA；k是一個(gè)比例系數(shù)，它和I層電阻率及結(jié)面積有關(guān)，一般在20～50之間。典型情況下，當(dāng)偏流在零至幾毫安變化時(shí)，PIN管的電阻變化范圍約為10Ω～10kΩ。

PIN用管作電調(diào)可控電阻有許多優(yōu)點(diǎn)。首先是它的結(jié)電容比普通二極管小得多，通常是10-1pF的數(shù)量級(jí)。降低結(jié)電容，不僅可大大提高工作頻率，也使得頻率特性有所提高。其次，PIN管的等效阻抗可以看做是兩個(gè)結(jié)區(qū)的阻抗和I層電阻三者串聯(lián)。只要前兩者的數(shù)值小于I層電阻，那么PIN管的作用基本上就是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的電阻，其阻值只取決于正向偏置電流。圖8.22是用PIN管作為增益控制器件的典型電路。圖中V1是共發(fā)射極電路，它直接耦合到下一級(jí)的基極；V2是射極跟隨器，放大后的信號(hào)由發(fā)射極輸出，同時(shí)有一部分由反饋電阻Rf反饋到V1的基極，反饋深度可通過(guò)Rf來(lái)調(diào)整。因?yàn)榉答侂妷号c輸入電壓并聯(lián)，所以是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。它可以加寬頻帶，增加工作穩(wěn)定性，減小失真。這種放電器稱(chēng)為負(fù)反饋對(duì)管放電器。VD1、VD2和R1等則構(gòu)成一個(gè)電控衰減器。當(dāng)up較大時(shí)，VD1、VD2的電阻很小，被放大的高頻信號(hào)幾乎不被衰減；當(dāng)up減小時(shí)，VD1、VD2電阻增加，衰減增大。在這個(gè)電路中，PIN管的電流變化范圍約為20～200μA，增益變化為15dB。由于放電器是射極輸出，內(nèi)阻很小，PIN管的極間電容也很小，因此衰減器有良好的頻率特性。圖8.22用PIN管作為電控衰減器的放大電路

4.線性集成電路中的AGC控制

1)改變電路分配比圖8.23是線性集成電路中常用的差分電路。輸入電壓ui加在晶體管V3的基極上，放大后的信號(hào)uo由V2集電極輸出，增益控制電壓up加在V1和V2的基極。當(dāng)V3基極加入電壓ui時(shí)，其集電極產(chǎn)生相應(yīng)的交變電流I3，而I3=I1+I2，I1和I2分配的大小取決于控制電壓，若up足夠大，使得V2截止，I3全部通過(guò)V1，I1=0，放大器沒(méi)有輸出，增益等于零；若up減小，V2導(dǎo)通，I3中的一部分通過(guò)V2，產(chǎn)生輸出電壓Ic2Rc，這時(shí)放大器具有一定的增益，并隨up的變化而變化。圖8.23改變電流分配比的增益控制電路因I3≈gm3Vi，而，由式，得(8.36)

這種電路的最小增益Au(min)=0，最大增益Au(max)=gm3Rc。利用電流分配法來(lái)控制放大器增益的優(yōu)點(diǎn)是：放大器的增益受控時(shí)只是改變了V1和V2的電流分配，對(duì)V3沒(méi)有影響；它的輸入阻抗保持不變，因而放電器的頻率特性、中心頻率和頻譜寬度都不受影響；此外，V3和V2實(shí)質(zhì)上是一個(gè)供發(fā)射極的放大電路，V2的輸入阻抗是V3的負(fù)載；由于V2是共基組態(tài)，其輸入阻抗低，內(nèi)部反饋小，工作穩(wěn)定性高。

2)改變差分放大器的工作電流對(duì)已平衡輸入的差分放大器，改變它的工作電流也可以實(shí)現(xiàn)增益控制。圖8.24是平衡輸入、單端輸出的差分放大電路。設(shè)V3的工作電流為I3，V2的負(fù)載電阻為Rc，則單端輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)是顯然，改變I3可改變Au。電流I3大小可由加在V3基極的控制電壓up來(lái)調(diào)節(jié)。這種電路控制方法簡(jiǎn)便，是線性集成電路中廣泛采用的電路之一。圖8.24改變恒流源的增益控制電路

3)改變差分放大器的負(fù)反饋圖8.25是具有負(fù)反饋的差分放大電路，負(fù)反饋的強(qiáng)弱由電阻r來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)r=0時(shí)，V1和V2的發(fā)射極電路彼此獨(dú)立，由于輸入信號(hào)ui所引起的交變信號(hào)電流i1和i2分別流過(guò)電阻Re1和Re2產(chǎn)生電流負(fù)反饋，使放大器的增益降低。當(dāng)r=∞時(shí)，V1和V2的發(fā)射極直接相連，Re1和Re2并聯(lián)成為一個(gè)公共的射極電阻Re。在放大器左右兩臂完全對(duì)稱(chēng)的條件下，交變信號(hào)電流i1和i2的大小相等、相位相反。它們流過(guò)電阻Re時(shí)，相互抵消，因而Re中的電流沒(méi)有交變的信號(hào)分量，放大器沒(méi)有負(fù)反饋，這時(shí)放大器的增益最大。根據(jù)上面的分析可知，調(diào)節(jié)電阻r就可以改變負(fù)反饋的深度，達(dá)到控制增益的目的。此外由于有負(fù)反饋，這種電路還具有線性好、輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。如圖8.26所示,可變電阻r通常用兩只正向工作的二極管實(shí)現(xiàn)，改變二極管的工作電流即改變r(jià)的大小。當(dāng)控制電壓up較大，使VD1、VD2截止時(shí)，放大器的負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)，增益最??；當(dāng)up增加時(shí)，VD1和VD2的阻抗減小，負(fù)反饋減弱，增益升高。這種電路的增益控制范圍約為30dB。除了本節(jié)介紹的幾種線性集成電路的增益控制方法外，以前所講的一些方法原則上也可以應(yīng)用，不過(guò)本節(jié)所述方法性能更為優(yōu)越，電路雖然比較復(fù)雜，但對(duì)集成電路來(lái)說(shuō)，多做幾個(gè)元器件并沒(méi)有什么困難。圖8.25改變負(fù)反饋的增益控制電路圖8.26改變負(fù)反饋增益控制的實(shí)際電路

5.AGC控制電壓的產(chǎn)生——電平檢測(cè)電路

AGC控制電壓是由電平檢測(cè)電路形成的，電平檢測(cè)電路的功能是從系統(tǒng)輸出信號(hào)中取出電平信息。通常要求其輸出應(yīng)與信號(hào)電平成比例。按照控制電壓產(chǎn)生的方法不同，電壓檢測(cè)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電路適用于被控信號(hào)中含有一個(gè)不隨有用信號(hào)變化的平均值的情況，如調(diào)幅廣播信號(hào)，其平均值是未調(diào)載波的幅度。調(diào)幅接收機(jī)的自動(dòng)增益控制廣泛采用這種電路。圖8.27是一種常用的等效電路，二極管VD和R1、R2、C1、C2構(gòu)成一個(gè)檢波器，中頻輸出信號(hào)uo經(jīng)檢波后，除了得到音頻信號(hào)外，還有一個(gè)平均分量(直流)up，它的大小和中頻載波電平成正比，與信號(hào)的調(diào)制幅度無(wú)關(guān)，這個(gè)電壓就可以用做AGC控制電壓。Rp、Cp組成的一個(gè)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(hào)的影響。圖8.27平均值型AGC檢波電路正確選擇低通濾波器的時(shí)間常數(shù)是設(shè)計(jì)AGC電路的重要任務(wù)之一。通常在音頻調(diào)幅信號(hào)時(shí)，時(shí)間常數(shù)τp=CpRp約為0.02～0.2s；接收等幅電報(bào)時(shí)，約為0.1～1s。數(shù)值太大或太小都不適合。若τp太大，則控制電壓up會(huì)跟不外來(lái)信號(hào)電平的變化(例如由于衰落而產(chǎn)生的值)，接收機(jī)的增益將不能得到及時(shí)調(diào)整，失去應(yīng)有的自動(dòng)增益控制作用；反之，如果τp太小,則將隨外來(lái)信號(hào)的包絡(luò)(即檢波后的音頻信號(hào))而變化，如圖8.28(b)所示。在調(diào)幅度的頂點(diǎn)(t1的瞬間)，控制電壓up增大，接收機(jī)增益減小，在調(diào)幅度的谷點(diǎn)(t2的瞬間)，up值減小，接收機(jī)增益升高。這樣放電器將產(chǎn)生額外的反饋?zhàn)饔茫拐{(diào)幅信號(hào)受到反調(diào)制，從而降低了檢波器輸出音頻信號(hào)電壓的振幅。低通濾波器的時(shí)間常數(shù)越小，調(diào)制信號(hào)的頻率越低，反調(diào)制作用越厲害。其結(jié)果將使檢波后音頻信號(hào)的低頻分量相當(dāng)減弱，產(chǎn)生頻率失真。圖8.28RpCp的選擇根據(jù)上面的分析，為了減小反調(diào)制作用所產(chǎn)生的失真，時(shí)間常數(shù)τp=CpRp應(yīng)根據(jù)調(diào)制信號(hào)的最低頻率FL來(lái)選擇。其數(shù)值可以用下式來(lái)計(jì)算：(8.37)設(shè)調(diào)制信號(hào)的最低頻率FL=50Hz，濾波電路的電阻Rp=4.7kΩ，則在調(diào)幅收音機(jī)中Cp通常是10～30μF。在高質(zhì)量接收機(jī)中，為了適應(yīng)工作方式(接收電話和電報(bào)等)的改變和接收條件的變化(例如衰落的變化)，時(shí)間常數(shù)τ的數(shù)值是可以改變的。使用時(shí)根據(jù)不同的情況選用不同的RpCp，可以得到較好的結(jié)果。

2)峰值型AGC電路電視信號(hào)的電平與圖像內(nèi)容有著密切的關(guān)系，暗畫(huà)面的電平高，亮畫(huà)面的電平低(見(jiàn)圖8.29)。采用平均值型AGC電路時(shí)，即使載波幅度保持不變，AGC控制電壓up也將隨圖像內(nèi)容的變化而變化，畫(huà)面暗淡時(shí)，up增大，增益降低；畫(huà)面明亮?xí)r，up減小，增益升高。因此，畫(huà)面暗淡時(shí)的對(duì)比度減小，電視畫(huà)面更顯得暗淡；而畫(huà)面明亮?xí)r的對(duì)比度增加，圖像更為明亮，其結(jié)果將使將使電視圖像變得很不自然。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是采用峰值型檢波電路，它適應(yīng)于被控信號(hào)中含有一個(gè)不隨有用信號(hào)變化的峰值的情況。由于全電視信號(hào)行同步脈沖的幅度是不變的，與圖像信號(hào)內(nèi)容無(wú)關(guān)，且就是該信號(hào)的峰值，故對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行峰值檢波就能得到與信號(hào)電平成比例的電平信號(hào)。圖8.29電視接收機(jī)的AGC電壓峰值A(chǔ)GC檢波電路不能和圖像信號(hào)的檢波共用一個(gè)檢波器，必須另外設(shè)置一個(gè)峰值檢波器。圖8.30就是這種檢波器的電路。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)值時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，電容C1被充電。通常二極管的內(nèi)阻rd為幾百歐，若C1=200pF，充電電路時(shí)間常數(shù)τ=rdC1。它比行同步脈沖寬度(5μs)要小得多，所以，在行同步脈沖期間能夠給電容C1沖到峰值電平。在同步脈沖終結(jié)后緊接著到來(lái)的是圖像信號(hào)，它的電平比行同步脈沖低，所以二極管VD截止，電容C1通過(guò)電阻R1放電。電阻R1通常很大，若R1=1MΩ，則放電時(shí)間常數(shù)為200μs，而兩個(gè)行同步脈沖之間的時(shí)間間隔只有64μs。因此，在下一個(gè)行同步脈沖到來(lái)時(shí)，C1的電壓不會(huì)全放光，大體上只放掉原有充電電壓的20%～30%,下一個(gè)行同步脈沖到來(lái)時(shí)C1又被充電。這樣反復(fù)的充、放電，在C1、R1兩端就得到了一個(gè)近似鋸齒波的電壓，其數(shù)值反映了同步脈沖的峰值，而與圖像信號(hào)的電平幾乎無(wú)關(guān)。鋸齒形電壓經(jīng)RpCp低通濾波器平滑后，即給出所需的控制電壓。峰值型AGC電路具有一些優(yōu)點(diǎn)，它比平均值型AGC電路的輸出電壓要大得多，它具有較好的抗干擾能力，幅度小于同步信號(hào)的干擾，對(duì)于AGC電路的工作沒(méi)有影響。但是如果干擾幅度大于同步信號(hào)，而且混入的時(shí)間較長(zhǎng)，那么，它對(duì)AGC電流就會(huì)產(chǎn)生危害。因此，這種電路的抗干擾性能力還不夠理想。圖8.30峰值型AGC電路及其波形

3)選通型AGC電路選通型AGC電路具有更強(qiáng)的抗干擾能力，多用于高質(zhì)量的電視接收器和某些雷達(dá)接收機(jī)。它的基本思想是只在反映信號(hào)電平的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)取樣，然后利用這些取樣值形成反映信號(hào)的電平。這樣，出現(xiàn)在取樣時(shí)間范圍外的干擾就不會(huì)對(duì)電平產(chǎn)生影響，從而大大提高了電路的抗干擾能力。使用這種方法的條件，首先是信號(hào)本身要周期性出現(xiàn)，在信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)信號(hào)的幅度能反映信號(hào)的電平；其次是要提供與上述信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的選通信號(hào)，這個(gè)選通信號(hào)可由AGC系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，也可由外部提供。雷達(dá)接收機(jī)選通型AGC電路如圖8.31所示。當(dāng)雷達(dá)天線所指向的某空域內(nèi)同時(shí)存在著幾個(gè)目標(biāo)，由于只跟蹤一個(gè)目標(biāo)，雷達(dá)操作人員可操縱距離跟蹤系統(tǒng)，即調(diào)節(jié)選通波門(mén)的位置，把預(yù)選的目標(biāo)回波(例如回波2)選出，經(jīng)檢波，放大送到角跟蹤系統(tǒng)。對(duì)AGC電路而言，則是利用選出的回波信號(hào)經(jīng)峰值檢波，平滑濾波后給出AGC控制電壓。對(duì)于電視接收機(jī)來(lái)說(shuō)，行同步脈沖出現(xiàn)的時(shí)間和周期都是確定的，而且其大小反映了信號(hào)電平，因此，可利用接收機(jī)中已分離的行同步信號(hào)作為“選通脈沖”，而無(wú)需采用手動(dòng)的方法。為了得到反映信號(hào)電平的信號(hào)平均值或峰值，需要一個(gè)平滑濾波電路，這是一個(gè)積分電路或低通濾波器，利用它才能保證AGC系統(tǒng)對(duì)比較慢的電平變化起控制作用，而對(duì)有用信號(hào)則不響應(yīng)。顯然，這個(gè)系統(tǒng)存在一定的建立時(shí)間，對(duì)于一些特殊要求的系統(tǒng)，這個(gè)問(wèn)題是應(yīng)該考慮的。圖8.31選通型AGC方框圖及波形8.3.3AGC性能指標(biāo)及AGC系統(tǒng)的增益控制特性

1.AGC性能指標(biāo)接收機(jī)的輸出電平取決于輸入信號(hào)電平和接收機(jī)的增益。由于種種原因，接收機(jī)的輸入信號(hào)變化范圍往往很大，信號(hào)微弱時(shí)可以是一微伏或幾十微伏，信號(hào)強(qiáng)時(shí)可達(dá)幾百毫伏。也就是說(shuō)，最強(qiáng)信號(hào)與最弱信號(hào)相差可達(dá)幾十分貝。這種變化范圍叫做接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。顯然，在接收弱信號(hào)時(shí)，希望接收機(jī)的增益高，而接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)希望它的增益低。這樣才能使輸出信號(hào)保持適當(dāng)?shù)碾娖?，不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無(wú)法正常工作，也不至于輸入信號(hào)太大而使接收機(jī)發(fā)生飽和或堵塞，這就是自動(dòng)增益控制電路所應(yīng)完成的任務(wù)。所以，自動(dòng)增益控制電路是輸入信號(hào)電平變化時(shí)，用改變?cè)鲆娴姆椒ňS持輸出信號(hào)的電平基本不變的一種反饋控制系統(tǒng)。對(duì)自動(dòng)增益控制電路的主要要求是控制范圍要寬，信號(hào)失真要小，要有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，同時(shí)不影響接收機(jī)的噪聲性能。

1)動(dòng)態(tài)范圍當(dāng)輸入信號(hào)電平在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，盡管AGC電路能夠大大減小輸出信號(hào)電平的變化，但它不能完全消除電平的變化。對(duì)于AGC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面希望輸出信號(hào)的電平的變化越小越好，另一方面則希望輸入信號(hào)的電平變化范圍越大越好。因此，AGC動(dòng)態(tài)范圍是指在給定輸出電平變化范圍內(nèi)，允許輸入信號(hào)電平的變化范圍。由此可見(jiàn)，AGC動(dòng)態(tài)范圍越大就意味著AGC電路的控制范圍越寬，性能越好。例如，收音機(jī)的AGC指標(biāo)為：輸入信號(hào)強(qiáng)度變化26dB時(shí)，輸出電壓的變化范圍不超過(guò)6dB；輸入信號(hào)在10μV以下時(shí)AGC電路不起作用。若用代表AGC電路輸入信號(hào)電平的變化范圍，則這代表AGC電路輸出信號(hào)電平允許變化范圍。當(dāng)給定mo時(shí)，mi越大的AGC系統(tǒng)控制范圍越寬。例如，黑白電視接收機(jī)輸出電平變化規(guī)定為±1.5dB甲級(jí)機(jī)要求輸入電平變化不小于60dB，而乙級(jí)機(jī)則要求輸入電平變化不小于40dB，顯然甲級(jí)機(jī)比乙級(jí)機(jī)的控制范圍要寬。取稱(chēng)nG為增益控制倍數(shù)，顯然nG越大，控制范圍越寬，即(8.38)式中，Amax=uomin/uimin，表示AGC電路的最大增益;Amin=uomax/uimax，表示AGC電路的最小增益。可見(jiàn)，要想擴(kuò)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。

2)響應(yīng)時(shí)間

AGC電路是通過(guò)對(duì)可控放大器增益的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)電平變化的限制，而增益變化又取決于輸入信號(hào)電平的變化，所以要求AGC電路的反應(yīng)即要跟得上輸入信號(hào)電平的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時(shí)間特性。適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間是AGC電路應(yīng)考慮的主要要求之一。AGC電路是用來(lái)對(duì)信號(hào)電平變化進(jìn)行控制的。因此，要求AGC電路的動(dòng)作要跟上電平變化的速度。響應(yīng)時(shí)間短，自然能迅速跟上輸入信號(hào)電平的變化，但若響應(yīng)時(shí)間過(guò)短，AGC電路將隨著信號(hào)的內(nèi)容而變化，這對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生反調(diào)制作用，導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，要根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)和需要，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間。

2.AGC系統(tǒng)的增益控制特性

AGC的性質(zhì)可以用增益特性即增益-輸入信號(hào)振幅間的關(guān)系來(lái)表示，按控制特性的不同可分為簡(jiǎn)單的AGC、延遲AGC、瞬時(shí)AGC等。在這里僅介紹簡(jiǎn)單AGC和延遲AGC的特點(diǎn)和性能。圖8.32是最簡(jiǎn)單的AGC電路。這是廣播收音機(jī)中常用的一種電路。V1是中頻放大器，VD1是檢波二極管。中頻已調(diào)信號(hào)經(jīng)檢波后，產(chǎn)生一個(gè)和中頻輸出載波幅度成比例的直流電壓，經(jīng)濾波器RpCp平滑后，送到V1(或前面各級(jí)放大器)的基極，對(duì)放大器施加增益控制。圖8.32簡(jiǎn)單AGC控制電路當(dāng)未加上AGC時(shí)，在放大器的正常工作范圍內(nèi)(線性區(qū)域內(nèi))，放大器增益基本上是固定值，與輸入信號(hào)ui的大小無(wú)關(guān)，因而A-ui特性是一條與ui軸平行的直線，相應(yīng)的uo-ui也是一條直線。加上AGC后，放大器增益A隨ui的增加而減小，因而輸出電壓uo和輸入電壓ui不再是線性關(guān)系，振幅特性u(píng)o-ui不再是一條直線，而是向下彎曲的曲線，這一曲線大體上可以分為兩部分：當(dāng)ui較小時(shí)，控制電壓up也較小，這時(shí)增益A略有減小，但變化不大，因此振幅特性曲線大體上仍是一條直線，即uo隨ui的增加而增加；當(dāng)ui足夠大時(shí)，up的控制作用較強(qiáng)，增益A顯著減小，這時(shí)uo基本不變，振幅特性變?yōu)榇篌w上與橫軸平行的直線，通常把uo基本保持不變的這一部分叫做AGC的可控范圍。可控范圍越大，AGC的特性越好。上述AGC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，產(chǎn)生控制電壓up的檢波器和有用信號(hào)的檢波器可以共用一個(gè)二極管。它的缺點(diǎn)是可控范圍窄，而且不論輸入電平高低，AGC都起作用，當(dāng)ui較小時(shí)，放大器的增益仍受到控制有所減小，使接收機(jī)靈敏度有所降低，這對(duì)于接收微弱信號(hào)是很不利的。圖8.33是一種常用的最簡(jiǎn)單的延遲AGC電路。這里有兩個(gè)檢波器，一個(gè)信號(hào)檢波器S，另一個(gè)是AGC檢波器W，它們的主要區(qū)別在于后者的檢波二極管VD2上加有負(fù)偏置電壓(延遲電壓)Ud。這樣只有當(dāng)電壓uo的幅度大于Ud時(shí)，VD2才開(kāi)始檢波，產(chǎn)生控制電壓up。圖8.33延遲AGC電路圖8.33的電路過(guò)于簡(jiǎn)單，檢波器的檢波效率恒小于1，輸出的控制電壓up不夠大，所以增益控制能力低。質(zhì)量要求高的AGC電路往往在AGC檢波器前面或后面加上放大器。這樣，即使容許的輸出電壓變化Δuo較小，仍可以使控制電壓up足夠大的變化，從而提高增益的控制的能力。圖8.34是復(fù)雜的延遲式AGC電路的控制特性。它的特點(diǎn)是對(duì)接收機(jī)的中放和高放分段進(jìn)行延遲控制，因而具有較寬的控制范圍和工作特性。在具有高頻放大的接收機(jī)中，高放應(yīng)該有足夠大的增益，才能有效地減少變頻和中放噪聲作用，提高接收機(jī)的靈敏度。因此，對(duì)高頻放大器，最好不加自動(dòng)增益控制，但是如果接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，接收機(jī)輸出電平很難保持不變。當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，中放還可能發(fā)生飽和，使接收機(jī)無(wú)法正常工作。采用分段控制方法對(duì)高放和中放分別進(jìn)行增益控制，可以解決這個(gè)矛盾。具體地說(shuō)，AGC電路設(shè)置兩個(gè)延遲電壓，當(dāng)ui大于ui1但小于ui2時(shí)，只控制中放增益；當(dāng)ui超過(guò)ui2時(shí)，再控制高放增益。圖8.34復(fù)雜的延遲式AGC控制特性最后討論增益受控級(jí)的位置。增益受控級(jí)的位置是否適當(dāng)，對(duì)接收機(jī)性能有較大的影響，在確定受控級(jí)位置時(shí)，應(yīng)注意下列一些問(wèn)題：第一，必須保證接收機(jī)各級(jí)都不過(guò)載。這就要求受控級(jí)盡量靠前，因?yàn)榍懊娓骷?jí)放大器的輸入和輸出信號(hào)都比較小，晶體管直流工作點(diǎn)受到控制而變動(dòng)時(shí)，不容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。中放末級(jí)的信號(hào)較大，工作點(diǎn)變化容易產(chǎn)生過(guò)載，所以中放末級(jí)一般都不加自動(dòng)增益控制。第二，不能引入過(guò)大的線性失真，這也是要求受控級(jí)盡量靠前。第三，不能使接收機(jī)的噪聲系數(shù)變壞。由于接收機(jī)噪聲系數(shù)主要取決于前幾級(jí)，在有高放的接收機(jī)中，噪聲系數(shù)主要取決于高放的第一、第二級(jí)；在沒(méi)有高放的接收機(jī)中，中放的第一級(jí)與噪聲系數(shù)有密切的關(guān)系。通常高放和中放第一級(jí)的工作狀態(tài)是按照最小噪聲系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的。對(duì)放大器的增益進(jìn)行控制時(shí)，必然要使放大管的工作狀態(tài)隨之改變，其結(jié)果將使該機(jī)的噪聲性能變壞，而且它們的增益降低時(shí)，后面的各級(jí)噪聲系數(shù)的影響增加。從這方面看，增益受控級(jí)應(yīng)該靠后。根據(jù)上面的分析可知，選擇受控級(jí)的原則是：在保證接收機(jī)噪聲系數(shù)滿足規(guī)定指標(biāo)的前提下，受控級(jí)應(yīng)盡量靠前。現(xiàn)舉例說(shuō)明，如果高放級(jí)數(shù)大于1，則可以從第二級(jí)開(kāi)始受控；對(duì)于沒(méi)有高放的接收機(jī)，因?yàn)榛祛l器的增益小于1，第一級(jí)中放的噪聲系數(shù)和增益對(duì)整機(jī)的性能影響很大，故受控級(jí)最好在中放的第二、第三和其后各級(jí)。至于中放末級(jí)一般不加增益控制。8.4自動(dòng)頻率控制(AFC)電路

頻率源是通信和電子系統(tǒng)的心臟，頻率源性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。頻率源的頻率因經(jīng)常受到各種因素的影響發(fā)生變化，從而偏離了標(biāo)稱(chēng)的數(shù)值。前面我們討論了引起頻率不穩(wěn)定的各種因素及穩(wěn)定頻率的各種措施，本節(jié)我們討論另一種穩(wěn)定頻率的方法——自動(dòng)頻率控制，用這種方法可以使頻率源的頻率自動(dòng)鎖定到近似等于預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率上。

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(duì)象不同，AGC電路的控制對(duì)象是電平信號(hào)，而AFC電路的控制對(duì)象則是信號(hào)的頻率。如在超外差接收機(jī)中利用AFC電路的調(diào)節(jié)作用可自動(dòng)控制本振頻率，使其與外來(lái)信號(hào)頻率之差維持在近乎中頻的數(shù)值。在調(diào)頻發(fā)射機(jī)中,如果振蕩頻率漂移，用AGC電路可適當(dāng)減少頻率的變化，提高頻率的穩(wěn)定度。在調(diào)頻接收機(jī)中，用AFC電路的跟蹤特性構(gòu)成調(diào)制解調(diào)器，即所謂調(diào)制負(fù)反饋解調(diào)器，可改善調(diào)頻解調(diào)的門(mén)限效應(yīng)。8.4.1自動(dòng)頻率控制的基本原理

AFC電路的框圖如圖8.35所示，其基本工作過(guò)程如8.2節(jié)所述。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(hào)正比于參考頻率與輸出頻率之差，控制對(duì)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(hào)正比于參考電平與反饋電平之差，控制對(duì)象是輸出電平，因此研究AFC電路應(yīng)著眼于頻率。下面分析環(huán)路中個(gè)部件的功能。圖8.35AFC電路方框圖

1.頻率比較器

加到頻率比較器的信號(hào)，一個(gè)是參考信號(hào)，一個(gè)是反饋信號(hào)，它的輸出電壓ue與這兩個(gè)信號(hào)的頻率差有關(guān)，而與這兩個(gè)信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，稱(chēng)ue為誤差信號(hào)，即

ue=Acp(ωr－ωo)

(8.39)式中，Acp在一定的頻率范圍內(nèi)為常數(shù)，實(shí)際上是鑒頻跨導(dǎo)。因此，凡是能檢測(cè)出兩個(gè)信號(hào)的頻率差并將其轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的電路都可構(gòu)成頻率比較器。常用的電路有兩種形式:一是鑒頻器，二是混頻—鑒頻器。前者無(wú)需外加參考信號(hào)，鑒頻器的中心頻率就起參考信號(hào)的作用，常用于將輸出頻率穩(wěn)定在某一固定值的情況。后者則用于參考頻率不變的情況，其框圖如圖8.36(a)所示。鑒頻器的中心頻率為ω1，當(dāng)ωr與ωo之差等于ω1時(shí)輸出為零，否則就有誤差信號(hào)輸出，其鑒頻特性如圖8.36(b)所示。圖8.36混頻-鑒頻型頻率比較器框圖及其特性

2.可控頻率電路

可控頻率電路是在控制信號(hào)uc的作用下，用以改變輸出信號(hào)頻率的裝置。顯然，它是一個(gè)電壓控制的振蕩器，其典型特性如圖8.37所示。一般這個(gè)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

ωy=Acuc+ωo0

(8.40)式中，Ac為常數(shù)，實(shí)際是壓控靈敏度。這一特性稱(chēng)為控制特性。圖8.37可控頻率電路的控制特性

3.濾波器

這里的濾波器也是一個(gè)低通濾波器。根據(jù)頻率比較器的原理，誤差信號(hào)ue的大小與極性反映了ωr－ωo=Δω的大小與極性，而ue的頻率則反映了頻率差Δω隨時(shí)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(hào)通過(guò)實(shí)施反饋控制，而濾除頻率差較快的變化信號(hào)使之不產(chǎn)生反饋控制作用。在圖8.25中，濾波器的傳遞函數(shù)為(8.41)當(dāng)濾波器為單節(jié)RC積分電路時(shí)，(8.42)當(dāng)誤差信號(hào)ue是慢變化的電壓時(shí)，這個(gè)濾波器的傳遞函數(shù)可以認(rèn)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(hào)的輸出相對(duì)于頻率信號(hào)的輸入有一定的延時(shí)，頻率的改變相對(duì)于誤差信號(hào)的加入也有一定的延時(shí)。這種延時(shí)的作用一并考慮在低通濾波器之中。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?？梢杂媒馕龇?，也可以用圖解法，這里我們用圖解法進(jìn)行分析。因?yàn)槲覀兏信d趣的是穩(wěn)態(tài)情況，不討論反饋控制過(guò)程，所以，可認(rèn)為濾波器的傳遞函數(shù)為1，這樣,AFC的方框圖如圖8.38(a)所示，那么

uc=ue

ωr0=ωy0

Δω=ωr0－ωy圖8.38簡(jiǎn)化的AFC電路框圖及其部件特性將圖8.38(b)所示的鑒頻特性及圖8.37所示的控制特性換成Δω的坐標(biāo)，分別如圖8.38(b)、(c)所示。在AFC電路處于平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)是這兩個(gè)部件特性方程的聯(lián)立解。圖解法則是將這兩個(gè)特性曲線畫(huà)在同一坐標(biāo)軸上，找出兩條曲線的交點(diǎn)，即為平衡點(diǎn)，如圖8.39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(duì)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(shí)，鑒頻特性越陡(即θ角越趨近于90°)，或控制特性越平(即ψ角越趨近于90°)，則平衡點(diǎn)M越趨近于坐標(biāo)原點(diǎn)，剩余頻差就越小。圖8.39AFC電路的工作原理①設(shè)初始頻差Δω=0，即ω0=ωo0=ωr0，開(kāi)始可控頻率電路的輸出頻率就是標(biāo)準(zhǔn)頻率，控制特性如圖8.39中①線所示，它與鑒頻特性的交點(diǎn)就在坐標(biāo)原點(diǎn)。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，振蕩角頻率偏離時(shí)的控制特性。它的鑒頻特性的交點(diǎn)Mo就是穩(wěn)定平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的就是剩余頻差，因?yàn)樵谶@個(gè)平衡點(diǎn)上，頻率比較器由Δωe產(chǎn)生的控制電壓恰好使可控頻率電路在這個(gè)控制電壓作用下的振蕩角頻率誤差由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。③初始角頻率由小增大時(shí)，控制電壓相應(yīng)地向右平移，平衡點(diǎn)所對(duì)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(shí)，鑒頻特性與控制特性出現(xiàn)3個(gè)交點(diǎn)，分別用M、P、N表示。其中M和N點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，而P點(diǎn)則是不穩(wěn)定點(diǎn)。問(wèn)題是在兩個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)中應(yīng)穩(wěn)定在哪個(gè)平衡點(diǎn)上。如果環(huán)路原先是鎖定的，若工作在M點(diǎn)上，由于外因的影響使起始角頻差增大到Δω2，在增大過(guò)程中環(huán)路來(lái)得及調(diào)整，則環(huán)路就穩(wěn)定在M點(diǎn)上；如果環(huán)路原先是失鎖的，那么必先進(jìn)入N點(diǎn)，并在N點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)，而不再轉(zhuǎn)移到M點(diǎn)。在N點(diǎn)上，剩余角頻差接近于起始角頻差，此時(shí)環(huán)路已失去了自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，因此N點(diǎn)對(duì)AFC電路已無(wú)實(shí)際意義。④若環(huán)路原先是鎖定的，當(dāng)Δω由小增大到Δω=ΔωH

時(shí)，控制特性與鑒頻特性的外部相切于MH點(diǎn)，Δω再繼續(xù)增大，就不會(huì)有交點(diǎn)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(chēng)為環(huán)路的同步帶或跟蹤帶，而將跟得上Δω變化的過(guò)程稱(chēng)為跟蹤過(guò)程。⑤若環(huán)路原先是失鎖的，如果初始頻差由大向小變化，當(dāng)Δω=ΔωH時(shí)，環(huán)路首先穩(wěn)定在NH點(diǎn)，而不會(huì)轉(zhuǎn)移到MH點(diǎn)，這時(shí)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(shí)，控制特性與鑒頻特性相切于NP，相交于MP點(diǎn)，環(huán)路由NP點(diǎn)轉(zhuǎn)移到MP點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)，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(chēng)為環(huán)路的捕捉帶，而將失鎖到鎖定的過(guò)程稱(chēng)為捕捉過(guò)程。顯然，