《自動增益控制》PPT課件

1、YANGTZE NORMAL UNIVERSITY112 12 反響控制電路反響控制電路YANGTZE NORMAL UNIVERSITY12.1 自動增益控制自動增益控制(AGC)12.2 自動頻率微調(diào)自動頻率微調(diào)(AFC)12.3 鎖相環(huán)路的根本任務(wù)原理鎖相環(huán)路的根本任務(wù)原理12.4 鎖相環(huán)路各部件及其數(shù)學(xué)模型鎖相環(huán)路各部件及其數(shù)學(xué)模型12.5 鎖相環(huán)路的分析鎖相環(huán)路的分析12.6 集成鎖相環(huán)集成鎖相環(huán)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的了解自動增益控制原理了解自動增益控制原理熟習(xí)自動頻率微調(diào)原理熟習(xí)自動頻率微調(diào)原理掌握鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型掌握鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型

2、了解鎖相環(huán)路的分析了解鎖相環(huán)路的分析了解鎖相環(huán)路的某些運(yùn)用了解鎖相環(huán)路的某些運(yùn)用YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 電子設(shè)備往往需求各種類型的控制電路，來改善其性能電子設(shè)備往往需求各種類型的控制電路，來改善其性能目的。這些控制電路都是運(yùn)用反響的原理，因此可統(tǒng)稱為反目的。這些控制電路都是運(yùn)用反響的原理，因此可統(tǒng)稱為反響控制電路。響控制電路?？刂齐娐房刂齐娐纷詣宇l率微調(diào)電路自動頻率微調(diào)電路自動增益控制電路自動增益控制電路鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 自動增益控制電路主要用于接納機(jī)中，以維持整機(jī)輸出自動增益控制電路主要用于接納機(jī)中，以維持整機(jī)輸出

3、恒定，幾乎不隨外來信號的強(qiáng)弱而變化。恒定，幾乎不隨外來信號的強(qiáng)弱而變化。 高 頻 放 大 fs fs 本 地 振 蕩 fo 混 頻 fofs=fi fi 低 頻 放 大 檢 波 中 頻 放 大 F F 幾十V幾mV1V左右YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 自動增益控制電路的作用是，當(dāng)輸入信號電壓變化很大自動增益控制電路的作用是，當(dāng)輸入信號電壓變化很大時，堅持接納機(jī)輸出電壓幾乎不變。時，堅持接納機(jī)輸出電壓幾乎不變。圖圖12.1.1 具有具有AGC的超外差式接納機(jī)方框圖的超外差式接納機(jī)方框圖幾十V幾mV1V左右YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 當(dāng)輸入信號很弱時，

4、接納機(jī)的增益大，控制電路不起作當(dāng)輸入信號很弱時，接納機(jī)的增益大，控制電路不起作用。而當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時，控制電路進(jìn)展控制，使接納機(jī)的用。而當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時，控制電路進(jìn)展控制，使接納機(jī)的增益減小。增益減小。圖圖12.1.2 簡單的簡單的AGC特性曲線特性曲線YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.1.3 延遲式延遲式AGC原理電路原理電路 在二極管上加有一負(fù)電壓由負(fù)電源分壓獲得，稱為延在二極管上加有一負(fù)電壓由負(fù)電源分壓獲得，稱為延遲電壓。遲電壓。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.1.4 延遲式延遲式AGC特性曲線特性曲線YANGTZE NORMAL U

5、NIVERSITY圖圖12.1.5 延遲放大式延遲放大式AGC電路方框圖電路方框圖YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 振蕩器的頻率經(jīng)常由于各種要素的影響而發(fā)生變化，偏振蕩器的頻率經(jīng)常由于各種要素的影響而發(fā)生變化，偏離了預(yù)期的數(shù)值。這種不穩(wěn)定對無線電設(shè)備的任務(wù)顯然是不離了預(yù)期的數(shù)值。這種不穩(wěn)定對無線電設(shè)備的任務(wù)顯然是不利的。用自動頻率微調(diào)可以使自激振蕩器頻率自動鎖定到近利的。用自動頻率微調(diào)可以使自激振蕩器頻率自動鎖定到近似等于預(yù)期的規(guī)范頻率上。似等于預(yù)期的規(guī)范頻率上。圖圖12.2.1 自動頻率微調(diào)的原理方框圖自動頻率微調(diào)的原理方框圖ffisiff vYANGTZE NORMAL

6、UNIVERSITY 鑒頻器即有誤差電壓輸出，經(jīng)過低通濾波器，只允許直鑒頻器即有誤差電壓輸出，經(jīng)過低通濾波器，只允許直流電壓輸出，用來控制本振壓控振蕩器，使流電壓輸出，用來控制本振壓控振蕩器，使f改動，直改動，直到到fi fi 減小至等于剩余頻差為止。減小至等于剩余頻差為止。圖圖12.2.2 調(diào)頻通訊機(jī)的調(diào)頻通訊機(jī)的AFC系統(tǒng)方框圖例如系統(tǒng)方框圖例如iiff vYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.2.3 鑒頻特性曲線鑒頻特性曲線YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.2.4 壓控振蕩器的調(diào)制特性曲線壓控振蕩器的調(diào)制特性曲線YANGTZE NORMAL

7、 UNIVERSITY圖圖12.2.5 用圖解法確定用圖解法確定AFC的動態(tài)平衡點的動態(tài)平衡點YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.2.6 捕捉帶捕捉帶fp確實定確實定YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.3.1 鎖相環(huán)路的根本方框圖鎖相環(huán)路的根本方框圖0)()(ttdVRdvYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 鎖相環(huán)路重要概念：當(dāng)兩個振蕩信號頻率相等時，那么它鎖相環(huán)路重要概念：當(dāng)兩個振蕩信號頻率相等時，那么它們之間的相位差堅持不變；反之，假設(shè)兩個振蕩信號的相位差是們之間的相位差堅持不變；反之，假設(shè)兩個振蕩信號的相位差是個恒定值，那么

8、它們的頻率必然相等。個恒定值，那么它們的頻率必然相等。0)()(tttddeVR)(t00)(tttd)(t)(ttddYANGTZE NORMAL UNIVERSITY鎖相環(huán)路與自動頻率微調(diào)任務(wù)過程的比較鎖相環(huán)路與自動頻率微調(diào)任務(wù)過程的比較VRffffi常數(shù)YANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.1 根本鎖相環(huán)路方框圖根本鎖相環(huán)路方框圖)cos()(VVVmVtVtv)cos()(RRRmRtVtv 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路Phase locked loop縮寫縮寫PLL是一種相位自是一種相位自動控制電路，其作用是實現(xiàn)環(huán)路輸出

9、信號與輸入信號之間無誤動控制電路，其作用是實現(xiàn)環(huán)路輸出信號與輸入信號之間無誤差的頻率跟蹤，僅存在某一固定的相位差。差的頻率跟蹤，僅存在某一固定的相位差。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 鑒相器是鎖相環(huán)路中的關(guān)鍵部件。它的方式很多，但在鑒相器是鎖相環(huán)路中的關(guān)鍵部件。它的方式很多，但在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相位檢波器與脈頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相位檢波器與脈沖取樣堅持相位比較器兩種。分別討論如下：沖取樣堅持相位比較器兩種。分別討論如下：正弦波相位檢波器正弦波相位檢波器O)(ta)(t)(tb)(t)(tb)()(tbta)(0t)(t)(sin21

10、)(2200220tVVVVVVtVbmbmbm)(sin211 220tMVVbm(援用援用10.8節(jié)相位鑒相器的結(jié)論節(jié)相位鑒相器的結(jié)論)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY)(sin211 )(220tMVVtbmdv圖圖12.4.2 正弦波相位檢波器正弦波相位檢波器圖圖12.4.3 正弦鑒相特性正弦鑒相特性YANGTZE NORMAL UNIVERSITY脈沖抽樣堅持相位比較器脈沖抽樣堅持相位比較器圖圖12.4.4 脈沖抽樣堅持相位比較器的根本方框圖脈沖抽樣堅持相位比較器的根本方框圖YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.5 脈沖抽樣堅持相位比較器的

11、波形圖脈沖抽樣堅持相位比較器的波形圖YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.6 脈沖抽樣堅持相位比較器方框圖脈沖抽樣堅持相位比較器方框圖YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.7 脈沖抽樣堅持相位比較器電路舉例脈沖抽樣堅持相位比較器電路舉例YANGTZE NORMAL UNIVERSITY鑒相器的數(shù)學(xué)模型鑒相器的數(shù)學(xué)模型圖圖12.4.8 鑒相器的線性化數(shù)學(xué)模型時域鑒相器的線性化數(shù)學(xué)模型時域)cos()(VVVmVtVtv)cos()(RRRmRtVtv)()()(01ttttttRRRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4

12、.9 鑒相器的線性化數(shù)學(xué)模型頻域鑒相器的線性化數(shù)學(xué)模型頻域YANGTZE NORMAL UNIVERSITYRC濾波器濾波器圖圖12.4.10 一階一階RC低通濾波器低通濾波器)(sVd)(sVcCs1sRCsCRsCsVsVsF11/1/1)()()(1dc取取=RC為時間常數(shù)為時間常數(shù)ssF11)(1無源比例積分濾波器無源比例積分濾波器圖圖12.4.11 超前滯后網(wǎng)絡(luò)超前滯后網(wǎng)絡(luò)Cs1CRRsCsRsCRRsCRsVsVsF)(11/1/1)()()(2122122dc212212)(CRRCRYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.12 有源比例積分濾波器有源比例

13、積分濾波器3有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器)1(/1)()()(112122sCRRRRsCRsVsVsFdcs1121 第一項為哪一項具有直流放大的比例系數(shù)，第二項是積第一項為哪一項具有直流放大的比例系數(shù)，第二項是積分功能。分功能。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.13 壓控振蕩器特性曲線壓控振蕩器特性曲線 是特性曲線的斜率，是特性曲線的斜率， 稱稱為為CO的增益或靈敏度，的增益或靈敏度， 量綱量綱為為rad/(sV)，它表示單位控制電，它表示單位控制電壓引起的振蕩角頻率變化的大小。壓引起的振蕩角頻率變化的大小。)()(cV0Vtktv)cos()(VVV

14、mVtVtvttkttd cVV0)()(vYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.14 壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型VCO的傳輸函數(shù)為的傳輸函數(shù)為ttkttd cVV0)()(v)(sV)(sVc)()(sVskscVVsksVsVcV)()(YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.15 鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型時域鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型時域pkpFttkt1)()()(sin)(VV1dV0)()(sin)(tttKttdddd1eeYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.4.15 鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型時域鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模

15、型時域pkpFttkt1)()()(sin)(VV1dVot30)(e)()(sintteesksFsss1)()()()(VV1VYANGTZE NORMAL UNIVERSITYsksFsss1)()()()(VV1V)()()()()(sKFssKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssH1V1ee鎖相環(huán)路的根本方程式的頻域方式鎖相環(huán)路的根本方程式的頻域方式誤差傳輸函數(shù)誤差傳輸函數(shù)開環(huán)傳送函數(shù)開環(huán)傳送函數(shù)ssKFsssH)()()()(eVoYANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY)()()()()(sKFs

16、sKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssHe1V1e 傳送函數(shù)的階數(shù)取決于濾波器的傳輸函數(shù)傳送函數(shù)的階數(shù)取決于濾波器的傳輸函數(shù)F()的方式，亦的方式，亦即取決于環(huán)路濾波器的方式。根據(jù)即取決于環(huán)路濾波器的方式。根據(jù)F()的不同，可將鎖相環(huán)路的不同，可將鎖相環(huán)路分為一階、二階以致更高階的方式。分為一階、二階以致更高階的方式。YANGTZE NORMAL UNIVERSITYKsKsssH)()()(1VKsssssssH)()(1)()()(1V1ee1)(sF)()()()()(sKFssKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssH1V1eeYANGT

17、ZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.5.1 一階鎖相環(huán)路頻率特性一階鎖相環(huán)路頻率特性1) 頻率特性頻率特性YANGTZE NORMAL UNIVERSITY(1) 環(huán)路傳輸函數(shù)環(huán)路傳輸函數(shù)(j)具有低通特性，其物理意義是：輸具有低通特性，其物理意義是：輸入信號入信號1(t)中的各種頻率分量，經(jīng)過環(huán)路傳輸后，只需低頻中的各種頻率分量，經(jīng)過環(huán)路傳輸后，只需低頻成分出如今輸出信號成分出如今輸出信號V(t)中。中。(2) 誤差傳輸函數(shù)誤差傳輸函數(shù)(j) 具有高通特性，其物理意義是：具有高通特性，其物理意義是：誤差信號誤差信號e(t)中含有中含有1(t)中的高頻成分，這是由于中的高頻成分，

18、這是由于1(t)在環(huán)在環(huán)路之外，因此它的高頻成分不能被濾除。路之外，因此它的高頻成分不能被濾除。結(jié)結(jié) 論：論：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY環(huán)路的鎖定環(huán)路的鎖定0)()(sin)(tttKttdddd1ee 如今來研討鎖相環(huán)路的鎖定問題，這時必需思索環(huán)路如今來研討鎖相環(huán)路的鎖定問題，這時必需思索環(huán)路的非線性，這主要是由鑒相器的非線性所引起的。的非線性，這主要是由鑒相器的非線性所引起的。)()(1tttR0)(sin)(tKtteedd常數(shù)常數(shù)；)(tR以上三項分別稱為環(huán)路瞬時頻差、控制頻差、固有頻差。以上三項分別稱為環(huán)路瞬時頻差、控制頻差、固有頻差。YANGTZE NORM

19、AL UNIVERSITY(1) 環(huán)路的鎖定條件是：環(huán)路的鎖定條件是：(2) 當(dāng)環(huán)路閉合時，在任何瞬間的環(huán)路瞬時頻差都等于環(huán)路當(dāng)環(huán)路閉合時，在任何瞬間的環(huán)路瞬時頻差都等于環(huán)路的固有頻差與控制頻差的差值。或者說，瞬時頻差與控制頻的固有頻差與控制頻差的差值?；蛘哒f，瞬時頻差與控制頻差的代數(shù)和等于固有頻差。差的代數(shù)和等于固有頻差。結(jié)結(jié) 論：論：0)(limtttddeKtt)(sinlime1K)(sin)(tKtteedd)(sin)(tKtteeddYANGTZE NORMAL UNIVERSITY(3) 環(huán)路鎖定后，有一個固定的剩余相位差，即穩(wěn)態(tài)相位差環(huán)路鎖定后，有一個固定的剩余相位差，即穩(wěn)態(tài)

20、相位差Karcsin)(e圖圖12.5.3 一階鎖相環(huán)路的相圖一階鎖相環(huán)路的相圖YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3捕捉帶與同步帶捕捉帶與同步帶 當(dāng)鎖相環(huán)路本來處于失鎖形狀時，由于環(huán)路的作用，使當(dāng)鎖相環(huán)路本來處于失鎖形狀時，由于環(huán)路的作用，使壓控振頻率逐漸向規(guī)范參考頻率接近，接近到一定程度后，壓控振頻率逐漸向規(guī)范參考頻率接近，接近到一定程度后，環(huán)路即能進(jìn)入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉的環(huán)路即能進(jìn)入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉的最大頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。最大頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。 當(dāng)環(huán)路已鎖定后，假設(shè)由于某種緣由引起頻率變化，這當(dāng)環(huán)路已

21、鎖定后，假設(shè)由于某種緣由引起頻率變化，這種頻率變化反映為相位變化，那么經(jīng)過環(huán)路的作用，可使種頻率變化反映為相位變化，那么經(jīng)過環(huán)路的作用，可使VCO的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時環(huán)路即處于跟蹤形狀。的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時環(huán)路即處于跟蹤形狀。環(huán)路所能堅持跟蹤的最大失諧頻帶稱為同步帶，又稱同步范環(huán)路所能堅持跟蹤的最大失諧頻帶稱為同步帶，又稱同步范圍或鎖定范圍。圍或鎖定范圍。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.5.4 一階環(huán)路鎖定形狀的建立過程一階環(huán)路鎖定形狀的建立過程YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 從閉環(huán)開場，由不同步到達(dá)同步所需的時間叫做捕捉時從

22、閉環(huán)開場，由不同步到達(dá)同步所需的時間叫做捕捉時間?？梢宰C明，在小擾動的條件下，一階環(huán)路的捕捉時間為間。可以證明，在小擾動的條件下，一階環(huán)路的捕捉時間為221Kp 由此可見，要縮短捕捉時間鎖定時間，就要提高環(huán)由此可見，要縮短捕捉時間鎖定時間，就要提高環(huán)路的總增益。路的總增益。Ktt)(sinlime1K 環(huán)路可以鎖定的最大范圍，亦即同步帶為環(huán)路可以鎖定的最大范圍，亦即同步帶為KHYANGTZE NORMAL UNIVERSITY差拍形狀差拍形狀圖圖12.5.5 一階鎖相環(huán)路的相圖一階鎖相環(huán)路的相圖1KYANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.5.6 控制電壓和瞬時頻率控制電壓和

23、瞬時頻率YANGTZE NORMAL UNIVERSITY圖圖12.5.7 環(huán)路平均頻差與固有頻差的關(guān)系曲線環(huán)路平均頻差與固有頻差的關(guān)系曲線YANGTZE NORMAL UNIVERSITY從以上對一階環(huán)路的分析可知，這種環(huán)路只需一個從以上對一階環(huán)路的分析可知，這種環(huán)路只需一個可供調(diào)整的參數(shù)，而環(huán)路的各種重要特性都由它來決議?？晒┱{(diào)整的參數(shù)，而環(huán)路的各種重要特性都由它來決議。這就遇到了不可抑制的矛盾，由于假設(shè)希望環(huán)路的同步范這就遇到了不可抑制的矛盾，由于假設(shè)希望環(huán)路的同步范圍大和穩(wěn)態(tài)相差圍大和穩(wěn)態(tài)相差e小，那么要求增益大。但在增大值小，那么要求增益大。但在增大值的同時，環(huán)路的截止頻率的同時，環(huán)路的截止頻率也提高了，因此環(huán)路的濾波性也提高了，因此環(huán)路的濾波性能變壞。一階環(huán)路不能處理這