高頻電子線路 第9章_反饋控制電路課件

1、 第第 9 章章 反饋控制電路反饋控制電路1、反饋控制電路的作用、反饋控制電路的作用6-1 反饋控制電路概述反饋控制電路概述2 2、基本工作原理、基本工作原理比較器比較器控制信號控制信號發(fā)生器發(fā)生器可控可控器件器件反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡)( tr參參考考信信號號)( tf反反饋饋信信號號)( te誤誤差差信信號號)( tc控控制制信信號號)( tx輸輸入入信信號號)( ty輸輸出出信信號號根據(jù)輸入比較信號的不同，比較器可以是：電壓比較器電壓比較器、頻率比較器（鑒頻器）頻率比較器（鑒頻器）或相位比較器（鑒相器）相位比較器（鑒相器）；誤差信號和控制信號一般為電壓；可控參數(shù)為增益或頻率；輸出信號為電壓、頻

2、率或相位。一、概述一、概述比較器比較器控制信號控制信號發(fā)生器發(fā)生器可控可控器件器件反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡)( tr參參考考信信號號)( tf反反饋饋信信號號)( te誤誤差差信信號號)( tc控控制制信信號號)( tx輸輸入入信信號號)( ty輸輸出出信信號號3、分類、分類在輸入信號幅度變化在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種自動控制電路。在較小范圍內(nèi)變化的一種自動控制電路。是一種頻率反饋控制是一種頻率反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)，AFC電路控制的是信號的電路控制的是信號的頻率頻率。又叫鎖相環(huán)路。又叫鎖相環(huán)路。(Phase L

3、ocked Loop,簡稱簡稱PLL)，是一種相位反，是一種相位反饋控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)路控制的是信號的饋控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)路控制的是信號的相位相位。根據(jù)比較器和可控器件比較和調(diào)節(jié)的參量不同，根據(jù)比較器和可控器件比較和調(diào)節(jié)的參量不同，可以分為以下三類：可以分為以下三類：二、自動電平控制電路二、自動電平控制電路1、基本組成及工作原理、基本組成及工作原理rkv比較比較放大器放大器直流直流放大器放大器可控增益可控增益放大器放大器振幅振幅檢波器檢波器rvevivovomdVrA)(2evA1AdomVev0omVVim一定一定0omVev2、應用舉例、應用舉例無線電接收機中，由于天線上感生的信號強度變化范圍

4、大，使揚聲器發(fā)出忽強忽弱的聲音，可采用自自動增益控制電路動增益控制電路，壓縮有用信號的變化范圍。高頻高頻放大器放大器混頻器混頻器包絡包絡檢波器檢波器tvkVvcaimscoskv中頻中頻放大器放大器低頻低頻放大器放大器dAGC檢波器檢波器 )( evArv)(romdvVd1A直流直流放大器放大器evttvkVvcaomIcos)(AGC電路電路 檢測出輸出信號的電平值，輸出一個檢測出輸出信號的電平值，輸出一個反映其輸入信號電平的信號，輸出與輸入反映其輸入信號電平的信號，輸出與輸入信號電平成線性關(guān)系，通常電平檢測電路信號電平成線性關(guān)系，通常電平檢測電路是由是由檢波器檢波器擔任擔任 。 電平檢測

5、電路電平檢測電路)()(1ttOd 濾波器濾波器 用以控制用以控制AGC電路電路的響應時間。也就是決的響應時間。也就是決定當輸入電平以不同的定當輸入電平以不同的頻率變化時輸出電平將頻率變化時輸出電平將怎樣變化。常用的是單怎樣變化。常用的是單節(jié)節(jié)RC積分電路積分電路。 比較器比較器 r將給定的基準電平將給定的基準電平與濾波器的輸出電壓信號進行比較，與濾波器的輸出電壓信號進行比較，輸出兩者的差值，即誤差信號。輸出兩者的差值，即誤差信號。)(frKeA 控制信號產(chǎn)生電路控制信號產(chǎn)生電路 將誤差信號轉(zhuǎn)換將誤差信號轉(zhuǎn)換為適應可變增益電路為適應可變增益電路所需要的控制信號。所需要的控制信號。 eccA 可

6、控增益電路能在控制電壓作用下改變增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)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生線性或非線性失真。同時要求它的增益變化范圍大。范圍大。 可控增益電路可控增益電路三、自動頻率控制電路三、自動頻率控制電路1、基本組成及工作原理、基本組成及工作原理混頻器混頻器放大器放大器差頻差頻放大器放大器壓控壓控振蕩器振蕩器cvevivov限幅限幅鑒頻器鑒頻器i0codv2、應用舉例、應用舉例混頻器混頻器放大器放大器及及LP中頻中頻放大器放大器壓控壓控振蕩器振蕩器AMv限幅限幅鑒頻器鑒頻器包絡包絡檢波器

7、檢波器低頻低頻放大器放大器A、自動頻率微調(diào)電路、自動頻率微調(diào)電路B、調(diào)頻負反饋解調(diào)電路、調(diào)頻負反饋解調(diào)電路混頻器混頻器中頻中頻放大器放大器壓控壓控振蕩器振蕩器FMv限幅限幅鑒頻器鑒頻器低通低通濾波器濾波器ieokv6-2 自動相位控制電路（鎖相環(huán)路自動相位控制電路（鎖相環(huán)路PLL）一、基本組成一、基本組成鑒相器的輸出信號vd(t) 是輸入信號vi(t)和壓控振蕩器輸出信號vo(t)之間相位差的函數(shù)。 vd(t)經(jīng)環(huán)路濾波器濾波（也可能包括放大），濾除高頻分量后，成為壓控振蕩器的控制電壓vp(t) 。 在vp(t)的作用下，壓控振蕩器輸出信號的頻率將發(fā)生相應變化并反饋到鑒相器。最后進入穩(wěn)定狀態(tài)。

8、二、基本工作原理二、基本工作原理iooViV相位。相位。分別為其瞬時角頻率和分別為其瞬時角頻率和和和，為壓控振蕩器輸出信號為壓控振蕩器輸出信號相位；相位；分別為其瞬時角頻率和分別為其瞬時角頻率和和和，為鑒相器輸入?yún)⒖夹盘枮殍b相器輸入?yún)⒖夹盘?()( )()( ttVttVoooiii 失失鎖鎖。，相相位位差差不不恒恒定定，稱稱為為鎖鎖定定。若若兩兩角角頻頻率率不不同同上上。此此種種情情況況稱稱為為頻頻率率使使其其穩(wěn)穩(wěn)定定在在參參考考信信號號角角的的控控制制得得到到對對應應的的直直流流電電壓壓，的的相相位位差差恒恒定定。鑒鑒相相器器與與時時，ioioioVV ,VCO兩種調(diào)節(jié)過程兩種調(diào)節(jié)過程 (

9、1)環(huán)路捕捉過程環(huán)路捕捉過程:環(huán)路由環(huán)路由失鎖狀態(tài)失鎖狀態(tài)進入進入鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)的過程。環(huán)路的過程。環(huán)路接通，處于失鎖狀態(tài)，鑒相器輸出誤差電壓為正弦差拍電壓接通，處于失鎖狀態(tài)，鑒相器輸出誤差電壓為正弦差拍電壓vd(角角頻率為頻率為 )。角頻率。角頻率較小較小時，時， vd通過通過LP控制控制VCO輸出輸出調(diào)頻波，使調(diào)頻波，使o向向i擺動，達到鎖定狀態(tài)；角頻率較大，差拍電壓擺動，達到鎖定狀態(tài)；角頻率較大，差拍電壓衰減較大，捕捉時間較長。角頻偏太大，將無法捕捉信號頻率。衰減較大，捕捉時間較長。角頻偏太大，將無法捕捉信號頻率。能由失鎖進入鎖定所允許的最大角頻差的兩倍稱為環(huán)路的捕捉帶。能由失鎖進入鎖

10、定所允許的最大角頻差的兩倍稱為環(huán)路的捕捉帶。oi (2)環(huán)路跟蹤過程環(huán)路跟蹤過程:環(huán)路鎖定后，若信號頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生瞬環(huán)路鎖定后，若信號頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生瞬時頻差，從而產(chǎn)生瞬時相位差，時頻差，從而產(chǎn)生瞬時相位差，VCO輸出頻率得到調(diào)整，及時跟輸出頻率得到調(diào)整，及時跟蹤輸入信號頻率，重新維持鎖定狀態(tài)的過程。鎖定后能繼續(xù)維持蹤輸入信號頻率，重新維持鎖定狀態(tài)的過程。鎖定后能繼續(xù)維持鎖定所允許的最大角頻差的兩倍稱為鎖定所允許的最大角頻差的兩倍稱為跟蹤帶或同步帶跟蹤帶或同步帶。兩種不同的跟蹤狀態(tài)兩種不同的跟蹤狀態(tài)（2）參考信號改變：壓控振蕩器的輸出信號跟蹤輸入的調(diào)制信號變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤調(diào)制跟

11、蹤狀態(tài)，這種環(huán)路稱為“調(diào)制跟蹤環(huán)路調(diào)制跟蹤環(huán)路”。調(diào)制跟蹤環(huán)路可實現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)角信號的解調(diào)。（1）參考信號不變：壓控振蕩器的輸出信號頻率只跟蹤輸入信號的載頻，那么就稱之為載波跟蹤載波跟蹤狀態(tài)，這叫載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)，或稱“窄帶跟蹤環(huán)”。三、三、PLL各部件的特性與數(shù)學模型各部件的特性與數(shù)學模型1、鑒相器、鑒相器 （PD） 常用的鑒相器有以下幾類：數(shù)字鑒相器、模擬相乘器、抽樣鑒相器和鑒頻鑒相器等。 作為原理分析，通常使用具有正弦鑒相特性的鑒相器正弦鑒相特性的鑒相器。式中， 為輸入信號 的瞬時相位；)(ti)(tvi為壓控振蕩器輸出信號 的瞬時相位。)(tvo)(to)()()(ttftvoid

12、 設相乘器的相乘系數(shù)為 k，單位為1/V。輸入信號為：)(sin)(sin)(0tVttVtviimiiimi 假設輸出信號為：)(cos)(cos)(0tVttVtvoomooomo 統(tǒng)一參考相位：統(tǒng)一參考相位：一般兩信號的頻率是不同的。為了便于比較，現(xiàn)統(tǒng)一以現(xiàn)統(tǒng)一以VCO 的自由振蕩相位的自由振蕩相位 為參考為參考to0)()()()(100000tttttttoioioii 式中：)()()()(0001tttttiioi 改寫輸入和輸出信號表示式：改寫輸入和輸出信號表示式：)(sin)(10ttVtvoimi )(cos)(cos)(200ttVttVtvoomooomo 輸入信號相位

13、可改寫為： 輸入信號與輸出信號經(jīng)過相乘器后得到：)()(sin2)()(2sin21)()(21210ttVVKtttVKVtvtKvomimoomimoi 再經(jīng)過低通濾波濾除 成分，便得到誤差電壓：02o)()(sin21)()(sin21)(021ttVKVttVKVtviomimomimd 令 ，不難看出Kd 為鑒相器的最大輸出電壓，它在一定程度上反映了鑒相器的靈敏度。omimdVKVK21)(sin)(tKtvdd 正弦鑒相器的數(shù)學模型正弦鑒相器的數(shù)學模型2、環(huán)路濾波器、環(huán)路濾波器 （LF ） 鎖相環(huán)路中采用線性低通濾波器線性低通濾波器，主要有兩個功能：1）濾除誤差信號中的高頻分量；2

14、）為鎖相環(huán)路提供一個短期的記憶，如果系統(tǒng)由于瞬時噪聲而失鎖，可確保鎖相環(huán)路迅速重新捕獲信號。 環(huán)路濾波器由線性元件，電阻、電容和運算放大器組成。環(huán)路濾波器采用的電路結(jié)構(gòu)不同時，傳遞函數(shù)的階數(shù)不同。鎖相環(huán)路中，通常采用一階濾波器電路。鎖相環(huán)路中，通常采用一階濾波器電路。有時需要較強地抑制鑒相器輸出中的交流分量時，也采用高階濾波電路。濾波電路形式濾波電路形式直通電路直通電路1)(sHFRCRC積分濾波器積分濾波器)( 11)(RCssHF1RC2R無源比例積分濾波器無源比例積分濾波器理想積分濾波器理想積分濾波器1R2RC1)(1)(212SSsHF121)(sssHFdpFvvpHdtdpssH

15、)()(對對應應的的微微分分方方程程為為替替換換，可可用用微微分分算算子子中中的的3、壓控振蕩器、壓控振蕩器 (VCO)Pvo00o 在一定的控制電壓變化范圍內(nèi)，壓控振蕩器的頻率變化與控制電壓呈線性關(guān)系，即：)()(0tvAtpooo PLL中，壓控振蕩器的輸出對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率而是它的瞬瞬時相位時相位。)()()()(20t 0 0ttdttvAtdtttopoooo VCO稱為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié) VCO應是一個有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器。要求：頻率穩(wěn)定度好；控制靈敏度要高；控制特性的線性度好；線性區(qū)域要寬；噪聲盡可能低 。VCO的數(shù)學模型的數(shù)學模型 時域模

16、型：時域模型：)()()(20t 0 0ttdttvAttopooo pAo) (2t) (tvPoA) (2tp1) (tvP4、PLL的相位數(shù)學模型與環(huán)路方程的相位數(shù)學模型與環(huán)路方程原理方框圖原理方框圖sindK)( pHFpAo)(1t)(2t)()()(21ttte)(tvP)(tvdPDLFVCO相位數(shù)學模型相位數(shù)學模型0)()(sin)()(1)()(sin)()(1)()()(sin)(11212 ttppHAKtpApHtKttpApHttKteFodeoFedeoFd 0)()(sin)()(1 dttdtpHKdttdeFPe PLL環(huán)路的非線性微分方程環(huán)路的非線性微分方程

17、。odPAKKsrad/令 ，為環(huán)路增益，單位為為環(huán)路增益，單位為從相位數(shù)學模型可得到從相位數(shù)學模型可得到PLL環(huán)路的非線性微分方程環(huán)路的非線性微分方程討論：討論： 第一項是第一項是瞬時相位誤差e (t)對時間的微分，e (t)是輸入信號與壓控振蕩器輸出信號的瞬時相差，所以其微分應為輸入信號與壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻差瞬時頻差。 第二項第二項是壓控振蕩器在控制電壓vp (t)的作用下所產(chǎn)生的角頻率變化量，所以一般稱為控制頻差控制頻差。 第三項第三項是輸入信號和壓控振蕩器輸出信號中心角頻率之差，它不隨時間變化而是決定于環(huán)路開始工作時的狀態(tài)，稱為稱為“初始頻差初始頻差”。 在閉環(huán)后的任何時刻，初

18、始頻差總等于瞬時頻差和控在閉環(huán)后的任何時刻，初始頻差總等于瞬時頻差和控制頻差的代數(shù)和制頻差的代數(shù)和。 在鎖定時刻，在鎖定時刻， 是常數(shù)，所以控制頻差等于初始頻差。是常數(shù)，所以控制頻差等于初始頻差。)(te0)()(sin)()(1 dttdtpHKdttdeFPe 6、3 鎖相環(huán)的應用鎖相環(huán)的應用一、一、 鎖相環(huán)在解調(diào)和接收機中的應用鎖相環(huán)在解調(diào)和接收機中的應用鑒相器鑒相器環(huán)路環(huán)路濾波器濾波器壓控壓控振蕩器振蕩器FMv)(ti)(to)(tvc1、調(diào)頻波解調(diào)電路、調(diào)頻波解調(diào)電路2、調(diào)幅波的同步檢波、調(diào)幅波的同步檢波鑒相器鑒相器環(huán)路環(huán)路濾波器濾波器壓控壓控振蕩器振蕩器AMv)(tvo同步同步檢波

19、器檢波器/2相移器相移器3、鎖相接收機、鎖相接收機二、鎖相環(huán)在頻率合成器中的使用二、鎖相環(huán)在頻率合成器中的使用具有大量的可供用戶選擇和迅速更換的載頻信號。具有大量的可供用戶選擇和迅速更換的載頻信號。這些頻率點的載波頻率具有較高的穩(wěn)定度與精度。這些頻率點的載波頻率具有較高的穩(wěn)定度與精度。 采用頻率合成，可以用一個或多個基準頻率，通過一采用頻率合成，可以用一個或多個基準頻率，通過一定的變換與處理后，形成一系列等間隔的離散頻率。定的變換與處理后，形成一系列等間隔的離散頻率。離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均與基準頻率相同。離散頻率的頻率穩(wěn)定度和精度均與基準頻率相同。各離散頻率點能方便地變換。各離散頻率點能

20、方便地變換。1、概、概 述述近代通信系統(tǒng)要求通信機：近代通信系統(tǒng)要求通信機：2、頻率合成的基本方法、頻率合成的基本方法A、直接頻率合成法、直接頻率合成法 采用混頻器、倍頻器混頻器、倍頻器、分頻器分頻器和濾波器濾波器的不同組合來實現(xiàn)頻率合成的方法，一般稱為直接頻率合成法。倍頻器倍頻器分頻器分頻器混頻器混頻器MNrfqfofrqofNMff 頻率間隔為：rfN1 離散頻率數(shù)由倍頻器的可變倍頻次數(shù)M決定。 主要缺點：主要缺點：有較多非線性電路，可能產(chǎn)生寄生干擾，使輸出信號頻譜純度降低輸出信號頻譜純度降低。接入了大量的、濾波性能要求較高的頻帶濾波器，使設備體積龐大，造價也十分高使設備體積龐大，造價也十

21、分高。B、間接式頻率合成（鎖相頻率合成）、間接式頻率合成（鎖相頻率合成） 取樣鎖相環(huán)：取樣鎖相環(huán)：它是用一個或幾個參考頻率源，然后用鎖相環(huán)將壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需要的頻率輸出。 鎖相環(huán)路具有良好的窄帶濾波特性窄帶濾波特性，故其輸出信號質(zhì)量得到明顯的改善。 主要優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；輸出頻率成分的頻譜純度主要優(yōu)點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；輸出頻率成分的頻譜純度高；易于得到大量的離散頻率；易于集成化高；易于得到大量的離散頻率；易于集成化。 主要缺點：頻率轉(zhuǎn)換時間長；單環(huán)頻率合成器的頻率主要缺點：頻率轉(zhuǎn)換時間長；單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不能做得很小。間隔不能做得很小

22、。C、直接數(shù)字頻率合成（、直接數(shù)字頻率合成（DDS） 在存儲器存入合成波形的在存儲器存入合成波形的M個均勻間隔的樣品。個均勻間隔的樣品。 以均勻速率把這些樣品輸出到以均勻速率把這些樣品輸出到DAC變換成模擬階梯信號。變換成模擬階梯信號。 經(jīng)低通濾波器平滑，便得到所需波形。經(jīng)低通濾波器平滑，便得到所需波形。 主要優(yōu)點：相位連續(xù)；分辨力高（可達主要優(yōu)點：相位連續(xù)；分辨力高（可達0.001Hz）；工）；工作頻率范圍寬，容易做到極低的頻率；轉(zhuǎn)換頻率的時間短作頻率范圍寬，容易做到極低的頻率；轉(zhuǎn)換頻率的時間短（幾乎是即時的頻率轉(zhuǎn)換），以及成本低、控制靈活等。（幾乎是即時的頻率轉(zhuǎn)換），以及成本低、控制靈活等

23、。 主要缺點：輸出頻率上限不太高，受限于器件可用的最主要缺點：輸出頻率上限不太高，受限于器件可用的最高時鐘頻率；總輸出噪聲電平可能很高。高時鐘頻率；總輸出噪聲電平可能很高。DDS （Direct Digtial Frequency Synthesis）是一種將先進的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)。3、頻率合成器的主要技術(shù)指標、頻率合成器的主要技術(shù)指標工作頻率范圍工作頻率范圍頻率合成器最高與最低輸出頻率所確定的頻率范頻率合成器最高與最低輸出頻率所確定的頻率范圍，稱為頻率合成器的工作頻率范圍。圍，稱為頻率合成器的工作頻率范圍。頻率間隔頻率間隔每個離散頻率（或信道）之間的最小間隔稱為頻每個離散頻率（或信道）之間的最小間隔稱為頻率間隔。又稱分辨力。率間隔。又稱分辨力。頻率轉(zhuǎn)換時間頻率轉(zhuǎn)換時間由一個工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個工作頻率并使后者由一個工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個工作頻率并使后者達到穩(wěn)定工作所需的時間。達到穩(wěn)定工作所需的時間。頻率穩(wěn)定度與準確度頻率穩(wěn)定度與準確度頻譜純度頻譜純度4、鎖相頻率合成電路原理、鎖相頻率合成電路原理A、鎖相倍頻電路、鎖相倍頻電路鑒相器鑒相器環(huán)路環(huán)路濾波器濾波器壓控壓控振蕩器振蕩器分頻器分頻器Nif)(tiNffooof)(toNtoo)(io