自動(dòng)控制知識(shí)精品課程

1、教 案自動(dòng)控制課 題： 12.1 反饋控制電路概述12.2 自動(dòng)增益控制教學(xué)目的：1.了解反饋控制電路的分類2.理解反饋控制電路的基本組成及工作原理3.了解AGC的功能、分類及應(yīng)用4.理解AGC電壓的產(chǎn)生及控制原理、方式教學(xué)重點(diǎn)：反饋控制電路的基本組成及工作原理AGC電壓的產(chǎn)生及控制原理、方式教學(xué)難點(diǎn)：AGC電壓的產(chǎn)生及控制原理、方式教學(xué)方法：講授 課 時(shí)：2學(xué)時(shí) 教學(xué)進(jìn)程12.1 反饋控制電路概述一、反饋控制電路的概念在通信系統(tǒng)和電子設(shè)備中，為了提高它們的性能指標(biāo)或?qū)崿F(xiàn)某些高性能要求，廣泛采用各種類型的控制電路。這些控制電路大都是利用反饋的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的調(diào)節(jié)與控制，因此統(tǒng)稱為反饋控制電路(

2、Feedback Control Circuits)。若反饋系統(tǒng)都是閉環(huán)的系統(tǒng)，則稱為環(huán)路系統(tǒng)。二、反饋控制系統(tǒng)的框圖1、框圖反饋控制電路可以看成由被控制對(duì)象和反饋控制器兩部分組成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖12-1所示是反饋控制電路的組成方框圖。圖12-1 反饋控制電路的組成方框圖2、各部分的功能(1)參考部件產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的物理量(2)比較部件產(chǎn)生誤差信號(hào)(3)控制部件產(chǎn)生控制信號(hào)(4)被控部件產(chǎn)生輸出物理量，擾動(dòng)代表各種使輸出量變動(dòng)的因素(5)測量部件是反饋網(wǎng)絡(luò)其中Xo為系統(tǒng)輸出量，XI為系統(tǒng)輸入量，也就是反饋控制器的比較標(biāo)準(zhǔn)量。根據(jù)實(shí)際工作的需要，每個(gè)反饋控制電路的Xo和XI之間都有確定的關(guān)系，例如X

3、o=f (XI)。這一關(guān)系若受到破壞，則反饋控制器就能夠檢測出輸出量與輸入量的關(guān)系偏離Xo=f (XI)的程度，從而產(chǎn)生相應(yīng)的誤差量Xe，加到被控對(duì)象上對(duì)輸出量Xo進(jìn)行調(diào)整，使輸出量與輸入量之間的關(guān)系接近或恢復(fù)到預(yù)定的關(guān)系Xo=f (XI)。反饋控制系統(tǒng)之所以能夠控制參量，使之穩(wěn)定，其主要原因在于它能夠利用存在著的誤差來減小誤差。因此當(dāng)擾動(dòng)引起誤差時(shí)，反饋控制系統(tǒng)只能把誤差減小或者說減到很小，但不能完全消除誤差。三、反饋控制系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)對(duì)通信系統(tǒng)來說，傳送信息的載波信號(hào)通常采用高頻振蕩信號(hào)，而一個(gè)高頻振蕩信號(hào)含有三個(gè)基本參數(shù)，即振幅、頻率和相位。在傳送信息時(shí)，發(fā)射信號(hào)可用振幅調(diào)制、頻率調(diào)制

4、和相位調(diào)制。對(duì)于反饋控制電路來說，也就是實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)參數(shù)的分別控制，即自動(dòng)增益控制AGC、自動(dòng)頻率控制AFC和鎖相環(huán)路PLL。1.自動(dòng)增益控制AGC，主要用于接收機(jī)中，以維持整機(jī)輸出恒定，幾乎不隨外來信號(hào)的強(qiáng)弱而變化。2.自動(dòng)頻率控制AFC，又稱自動(dòng)頻率微調(diào)，主要用于電子設(shè)備中穩(wěn)定振蕩器振蕩頻率。它利用反饋控制量自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩器的振蕩頻率，使振蕩器穩(wěn)定在某一預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率附近。3.自動(dòng)相位控制APC (或鎖相環(huán)路PLL)，它用于鎖定相位，實(shí)現(xiàn)無頻差反饋控制。鎖相環(huán)路功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，這也是本章的重點(diǎn)。由于反饋控制電路是利用反饋量與參考量之間的誤差量實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制，因此在控制過程中，被控制量始

5、終存在誤差，反饋控制只是維持誤差在一定范圍，它無法完全消除誤差量。12.2 自動(dòng)增益控制AGC一.自動(dòng)增益控制的概念、功能及應(yīng)用(一)概念：利用反饋控制電壓(±UAGC)控制放大器的增益，使放大器輸出信號(hào)穩(wěn)定(基本不變)。(二)功能自動(dòng)增益控制電路是接收機(jī)的控制電路之一。1.影響接收機(jī)性能的因素(1)接收的信號(hào)功率不同、距離不同。(2)接收機(jī)的工作環(huán)境(溫度、噪聲等)具有時(shí)變性。(3)信號(hào)傳輸方式的差異，使接收的信號(hào)衰落各異。(4)接收機(jī)工作電源電壓不穩(wěn)定。2.各因素對(duì)接收機(jī)性能的影響(1)接收機(jī)輸入信號(hào)忽強(qiáng)忽弱，若對(duì)不同信號(hào)維持相同增益，輸出信號(hào)將忽大忽?。?2)接收機(jī)的電源穩(wěn)定性

6、、內(nèi)部噪聲及工作環(huán)境等因素的時(shí)變性使放大器的增益時(shí)變，輸出信號(hào)也隨之變化。 3.AGC的必要性使用自動(dòng)增益控制（AGC）來控制接收機(jī)的增益，使其隨輸入信號(hào)強(qiáng)弱變化。其作用是：當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出信號(hào)基本穩(wěn)定(變化不大)。即當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大；當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，接收機(jī)的增益小。這樣，當(dāng)信號(hào)場強(qiáng)變化時(shí)，接收機(jī)輸出端的電壓或功率基本穩(wěn)定。二.自動(dòng)增益控制的類型(一)簡單AGC1.基本原理在沒有控制電路時(shí)，接收機(jī)的輸出電壓隨天線上感應(yīng)電動(dòng)勢的增大而增大(不考慮外來信號(hào)過強(qiáng)時(shí)超出晶體管的線性工作范圍)，如圖12-2中曲線所示。具有簡單AGC電路的接收機(jī)，它的增益隨外來的

7、增加而減小，如圖曲線所示。這種接收機(jī)輸入感應(yīng)電動(dòng)勢與輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為AGC特性曲線。圖12-2 簡單AGC特性曲線2.特點(diǎn)簡單AGC電路的主要缺點(diǎn)是，一有外來信號(hào)，AGC立刻起作用，接收機(jī)的增益就因受控制而減小。這對(duì)提高接收機(jī)的靈敏度是不利的，尤其在外來信號(hào)很微弱時(shí)，不利一面表現(xiàn)尤為突出。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，也就是希望外來信號(hào)大于某值后，AGC才起作用，可采用延遲式AGC電路。(二)延遲式AGC1.基本原理圖12-3為延遲式AGC特性曲線，當(dāng)后產(chǎn)生AGC作用；當(dāng)，無AGC作用。圖12-3 延遲式AGC特性曲線2.應(yīng)用電路(1)組成圖12-4 延遲式AGC電路延遲式AGC電路如圖12-4所

8、示。二極管VD和負(fù)載R1C1組成包絡(luò)檢波器，檢波后電壓經(jīng)RC低通濾波器濾波，取出直流AGC電壓。另外，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。(2)工作過程當(dāng)天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢很小時(shí)，AGC檢波器的輸入電壓也比較小，由于延遲電壓的存在，AGC檢波器的二極管將處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有AGC電壓輸出，因此沒有AGC作用。只有當(dāng)大到一定程度()，使檢波器輸入電壓的幅值大于延遲電壓后，AGC檢波器才工作，產(chǎn)生AGC作用。調(diào)節(jié)延遲電壓可改變的數(shù)值，以滿足不同的要求。由于延遲電壓的存在，信號(hào)檢波器必須要與AGC檢波器分開，否則延遲電壓會(huì)加到信號(hào)檢波器上去，使外來信號(hào)小時(shí)不能檢波，而信號(hào)大時(shí)又產(chǎn)

9、生非線性失真。當(dāng)變化范圍一定時(shí)，接收機(jī)輸出電壓的變化越小，AGC的性能越好。通常以此作為AGC的質(zhì)量指標(biāo)。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)，輸出電壓的變化不超過5dB。在高級(jí)通信機(jī)中，AGC指標(biāo)為：輸入信號(hào)強(qiáng)度變化60dB時(shí)，輸出電壓的變化不超過6dB，輸入信號(hào)在10uV以下時(shí)，AGC不起作用。(3)改進(jìn)措施為了提高AGC的能力，可在AGC檢波器的前面或后面在增加放大器。這種電路成為延遲放大式AGC電路，其電路方框圖分別如圖12-5(a)、(b)所示。圖12-5 延遲放大式AGC電路方框圖三.AGC的應(yīng)用圖12-6為具有AGC的超外差式調(diào)幅接收機(jī)的方框圖。圖中，天線接收到

10、的信號(hào)經(jīng)高頻放大、變頻和中頻放大后得到中頻調(diào)幅波，經(jīng)AGC檢波器和低通濾波器后，得到反映輸入信號(hào)大小變化趨勢的直流分量，再經(jīng)直流放大后得到AGC電壓。顯然，輸入信號(hào)強(qiáng)，大；反之，則小。利用AGC電壓去控制高放或中放的增益，使大時(shí)增益低，小時(shí)增益高，就達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。圖12-6 具有AGC的超外差式調(diào)幅接收機(jī)方框圖在實(shí)際電路中，AGC檢波和恢復(fù)低頻信號(hào)的檢波一般共用一個(gè)檢波器，直流放大器和高頻放大器常省去，有時(shí)AGC電壓只控制中放的增益。四.AGC電壓的產(chǎn)生為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，必須有一個(gè)隨輸入信號(hào)強(qiáng)度而改變的電壓，稱為AGC電壓，其值可正可負(fù)，分別用和表示。然后利用這個(gè)電壓去控制接收機(jī)

11、有關(guān)級(jí)的增益，達(dá)到AGC的目的。由圖12-6可知，實(shí)用的AGC電路應(yīng)包括：(1)產(chǎn)生一個(gè)隨輸入信號(hào)大小而變化的控制電壓，即AGC電壓；(2)利用AGC電壓去控制有關(guān)級(jí)的增益，實(shí)現(xiàn)AGC。(一)平均值型平均值型AGC電路是利用檢波器輸出電壓中的平均直流分量作為AGC電壓的，其電路如圖12-7所示。二極管D和阻容R1、R2、C1、C2構(gòu)成了包絡(luò)檢波器。中頻輸入信號(hào)uI經(jīng)檢波后，R1、R2兩端除了得到音頻信號(hào)uav外，還有一個(gè)平均值分量UAV，其中調(diào)制頻率分量uav經(jīng)C4耦合輸出，而平均直流分量UAV經(jīng)過R3C3組成的低通濾波器輸出。由于平均直流分量與輸入載波分量的振幅成正比，而與調(diào)幅度無關(guān)，因此該

12、平均直流分量可以作為AGC電壓，根據(jù)二極管的特性，不難判斷該AGC電壓為正，即為。圖12-7 平均值型AGC電壓產(chǎn)生電路為了使AGC電壓不受音頻信號(hào)的影響，需利用低通平滑濾波器R3C3，把檢波后的音頻分量去掉，使送到前級(jí)去的控制增益的電壓只與載波電平有關(guān)。R3C3時(shí)間常數(shù)選取十分重要，應(yīng)根據(jù)最低調(diào)制頻率來選擇。若R3C3 過小，濾波效果調(diào)制信號(hào)為50Hz時(shí)，可選R3=4.7k,C3=1030pF。(二)延遲式AGC原理電路如圖12-4所示，基本工作過程如前所述。圖12-8所示為一實(shí)用延遲式AGC電路。圖中，R3、U、VD2、R6、C6組成延遲式AGC電路，輸入信號(hào)經(jīng)高頻小信號(hào)諧振放大器放大后，

13、一方面送入包絡(luò)檢波器解調(diào)，產(chǎn)生輸出信號(hào)；另一方面又送入延遲式AGC電路，提取AGC控制電壓。圖12-8 延遲式AGC電壓產(chǎn)生電路五.AGC的控制過程(一)高放、中放的增益以接收機(jī)前置放大器為例，若采用高頻小信號(hào)諧振放大器，則其電壓增益為式中，。在采用AGC電路實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益的自動(dòng)控制過程中，可利用改變晶體管發(fā)射極電流或改變負(fù)載電阻，分別完成對(duì)或的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)AGC的目的。(二)AGC的控制方法1.改變發(fā)射極(或基極)的電流IEQ圖12-9所示為典型的中放管IE曲線。由圖可以看出，當(dāng)IE較小時(shí)，隨的IE增大而增大；當(dāng)IE增至某一值IEQ后，最大；若IE繼續(xù)增大，則逐漸減小。因此，根據(jù)晶體

14、管的上述特點(diǎn) ，利用AGC電壓控制IE，就可以實(shí)現(xiàn)AGC。圖12-9 晶體管IE曲線利用IE曲線的上升部分或下降部分都可實(shí)現(xiàn)增益控制，前者稱為反向自動(dòng)增益控制(反向AGC)，后者稱為正向自動(dòng)增益控制(正向AGC)。(1)反向AGC控制原理在反向AGC中，必須隨著的增大而減小，才能使下降，增益降低，因此起始工作點(diǎn)應(yīng)選擇在曲線上升部分的上部，其控制過程可表示為圖12-10(a)、(b)所示即為反向AGC。(a)圖中，反饋控制電壓加載到晶體管的發(fā)射極。輸入信號(hào)增加時(shí)，通過小信號(hào)放大器的輸出信號(hào)增加，反饋控制電壓隨之增大，晶體管發(fā)射極電位上升，減小，發(fā)射極電流減小，利用反向作用可使放大器增益下降，從而

15、使輸出信號(hào)由增大變?yōu)橼呌诜€(wěn)定。 (a)反向AGC (b)反向AGC (c)正向AGC圖12-10 改變IE的AGC電路(b)圖中，反饋控制電壓加載到晶體管的發(fā)射極。輸入信號(hào)增加時(shí)，通過小信號(hào)放大器的輸出信號(hào)增加，反向后的反饋控制電壓隨之減小，晶體管基極電位下降，減小，發(fā)射極電流減小，利用反向作用可使放大器增益下降，從而使輸出信號(hào)由增大變?yōu)橼呌诜€(wěn)定。優(yōu)缺點(diǎn)反向AGC的優(yōu)點(diǎn)是利用IE曲線較陡峭的上升部分實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益的控制，因此控制靈敏度高。反向AGC對(duì)晶體管要求不高，使用普通的中、高頻管即可，而且管子的電流不大，不致使管子的集電極損耗超過允許值。反向AGC的缺點(diǎn)是隨著輸入信號(hào)的增大，觀眾的工作

16、點(diǎn)降得很低，動(dòng)態(tài)范圍很小，即增益控制范圍窄。(2)正向AGC控制原理在反向AGC中，必須隨著的增大而增大，才能使下降，增益降低，因此起始工作點(diǎn)應(yīng)選擇在值較大處，其控制過程可表示為圖12-10(c)所示即為正向AGC，反饋控制電壓加載到晶體管的發(fā)射極。輸入信號(hào)增加時(shí)，通過小信號(hào)放大器的輸出信號(hào)增加，反向后的反饋控制電壓隨之減小，晶體管發(fā)射極電位下降，增大，發(fā)射極電流增大，利用正向作用可使放大器增益下降，從而使輸出信號(hào)由增大變?yōu)橼呌诜€(wěn)定。優(yōu)缺點(diǎn)普通的高、中放管，其IE曲線的上升部分較陡，下降部分較平緩。為了使正向AGC增益控制靈敏，管子IE曲線的下降部分應(yīng)較為陡峭。滿足上述要求的就是(正向)AGC

17、管，如2G210，3DG79，其典型IE曲線如圖12-9虛線所示。2.改變放大器的負(fù)載RL這是在集成電路組成的接收機(jī)中常用的實(shí)現(xiàn)AGC的方法。由于放大器的增益與負(fù)載密切相關(guān)，因此通過改變負(fù)載就可以控制放大器的增益。在集成電路中，受控放大器的部分負(fù)載通常是晶體管的發(fā)射極輸入電阻，若用AGC電壓控制管子的偏流，則該電阻也隨著改變，從而達(dá)到控制放大器增益的目的。其控制過程可以表示為：本課小結(jié)：1.反饋控制電路是利用反饋的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的調(diào)節(jié)與控制。2.反饋控制電路主要有三種：(1)自動(dòng)增益控制AGC，主要用于接收機(jī)中，以維持整機(jī)輸出恒定，幾乎不隨外來信號(hào)的強(qiáng)弱而變化。(2)自動(dòng)頻率控制AFC，又稱自

18、動(dòng)頻率微調(diào)，主要用于電子設(shè)備中穩(wěn)定振蕩器振蕩頻率。它利用反饋控制量自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩器的振蕩頻率，使振蕩器穩(wěn)定在某一預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率附近。(3)鎖相環(huán)路PLL，它用于鎖定相位，實(shí)現(xiàn)無頻差反饋控制。3.自動(dòng)增益控制可通過改變晶體管發(fā)射極(或基極)電流和放大器的負(fù)載實(shí)現(xiàn)。本課作業(yè)：1.反饋控制電路有哪些類型，各自的功能是什么？2.簡述自動(dòng)增益控制的控制原理。課 題： 反饋控制電路12.3自動(dòng)頻率控制AFC12.4鎖相環(huán)路PLL(一)教學(xué)目的：1.了解AFC的功能、分類及應(yīng)用2、理解AFC的基本工作原理3.了解PLL的功能及應(yīng)用4.理解PLL的基本工作原理教學(xué)重點(diǎn)：AFC的系統(tǒng)框圖、基本工作原理及應(yīng)用PLL

19、的系統(tǒng)框圖及基本工作原理教學(xué)難點(diǎn)：PLL的基本工作原理教學(xué)方法：講授 課 時(shí)：2學(xué)時(shí) 教學(xué)進(jìn)程12.3 自動(dòng)頻率控制AFC一. AFC的功能、分類及應(yīng)用(一)功能自動(dòng)頻率控制又稱為自動(dòng)頻率微調(diào)，主要用于電子設(shè)備中穩(wěn)定振蕩器振蕩頻率。它利用反饋控制量自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩器的振蕩頻率，使振蕩器穩(wěn)定在某一預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率附近。(二)分類1. 跟蹤式2. 搜索式(三)應(yīng)用AFC能自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率穩(wěn)定度，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備和其它電子設(shè)備中，本教材所講述的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：1. 調(diào)幅接收機(jī)2. 調(diào)頻接收機(jī)二. AFC的系統(tǒng)框圖及工作原理(一)系統(tǒng)框圖自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)組成方框圖如圖12-11所示。圖12-11 自動(dòng)頻率控制

20、組成方框圖(二)工作原理1. 標(biāo)準(zhǔn)頻率源：用于產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，常常采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體振蕩器。頻率。2. 頻率比較器：一般采用鑒頻器或混頻-鑒頻器，其功能是將與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的頻率進(jìn)行比較，同時(shí)轉(zhuǎn)換成能轉(zhuǎn)換成反映其頻率差特性的電壓輸出。3. 壓控振蕩器：利用控制壓控振蕩器的震蕩頻率，使振蕩器的輸出頻率基本保持不變。4. 特點(diǎn)：被控參量是頻率，因此系統(tǒng)存在頻差。二. AFC的應(yīng)用AFC廣泛應(yīng)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中,現(xiàn)簡單介紹如下:(一)采用AFC的調(diào)頻器1. 系統(tǒng)框圖采用AFC的調(diào)頻器的組成框圖如圖12-12所示。圖12-12 采用AFC的調(diào)頻器組成框圖(1)采用石英晶體振蕩器做標(biāo)準(zhǔn)頻率源。(2

21、)調(diào)頻振蕩器就是VCO，一般采用由振蕩回路含有變?nèi)莨艿腖C振蕩器組成的LC振蕩器做調(diào)頻振蕩器，以易于調(diào)節(jié)輸出頻率并滿足頻偏的需求。2. 工作原理(1)采用AFC的目的在于穩(wěn)定調(diào)頻振蕩器的中心頻率，即穩(wěn)定輸出調(diào)頻波的中心頻率。(2)理想情況下，調(diào)頻信號(hào)的額定中心頻率為，混頻器的輸出是與頻偏相同的調(diào)頻波，其中心頻率，、是與成正比的常數(shù)。(3)輸出信號(hào)產(chǎn)生頻偏時(shí)，即實(shí)際輸出信號(hào)的中心頻率為接近的時(shí)，、是與成正比的變量。反映了中心頻率的偏移。(4)與調(diào)制信號(hào)通過加法器相加后，一起送到調(diào)頻振蕩器中變?nèi)莨艿膬啥?，使振蕩器器的頻率發(fā)生變化。其中，調(diào)頻振蕩器的中心頻率在的控制下，趨于；而使振蕩器頻率的變化就是

22、的頻偏。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)，即調(diào)制信號(hào)未加入時(shí)，調(diào)頻振蕩器的頻率就是的中心頻率，這時(shí)振蕩器只受控制。(5)由上述分析可知，調(diào)頻振蕩器中心頻率的穩(wěn)定度除了與晶振頻率的穩(wěn)定度有關(guān)外，主要取決于鑒頻器中心頻率的穩(wěn)定度。為此，鑒頻器諧振回路的元件應(yīng)精心選擇。(二)采用AFC的調(diào)幅接收機(jī)1. 系統(tǒng)框圖圖12-13 采用AFC的調(diào)幅接收機(jī)組成方框圖2. 工作原理(同(一)12.4 鎖相環(huán)路PLL(一)鎖相環(huán)路是在現(xiàn)代各種電子系統(tǒng)中，特別是在接收機(jī)中應(yīng)用廣泛的一種反饋控制電路。與AFC相比，鎖相環(huán)路通過相位來控制頻率，以維持頻率不變。由反饋控制原理可知，鎖相環(huán)路雖然存在剩余相位差，但不存在剩余頻差，即輸出信號(hào)頻率

23、等于輸入信號(hào)頻率，因此，鎖相環(huán)路比AFC更優(yōu)越。一. 鎖相環(huán)路的基本工作原理(一)系統(tǒng)框圖鎖相環(huán)路的系統(tǒng)框圖如圖12-14所示。圖12-14 鎖相環(huán)路的基本組成框圖鎖相環(huán)路是由鑒相器PD(Phase Detector)、環(huán)路濾波器LF(Loop Filter)和壓控振蕩器VCO組成的，其中LF為低通濾波器。各部分功能如下：1. 鑒相器PD：鑒相器是一個(gè)相位比較器，完成對(duì)輸入信號(hào)相位與VCO輸出信號(hào)相位進(jìn)行比較，得誤差相位。2. 環(huán)路濾波器LF：環(huán)路濾波器(LF)是一個(gè)低通濾波器(LPF)，其作用是把鑒相器輸出電壓ud(t)中的高頻分量及干擾雜波抑制掉，得到純正的控制信號(hào)電壓uc(t)。3. 壓

24、控振蕩器VCO：壓控振蕩器是一種電壓-頻率變換器，它的瞬時(shí)振蕩頻率(t)是用控制電壓uc(t)控制振蕩器得到，即用uc(t) 控制VCO的振蕩頻率，使與的相位不斷減小，最后保持在某一預(yù)期值。(二)工作原理1. 基本概念(1)失鎖：如果輸入信號(hào)ui(t)的頻率和VCO振蕩信號(hào)(即輸出信號(hào))uo(t)的頻率不相等，則稱鎖相環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)信號(hào)必然存在變動(dòng)的相位差。(2)鎖定：鎖相環(huán)路工作過程中，如果信號(hào)ui(t)和uo(t)的相位差不斷減小，最終可能等于某一較小的恒定值，就稱鎖相環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)。2. 工作原理(1)鎖相環(huán)路處于“失鎖”狀態(tài)時(shí)，ui(t)和uo(t)進(jìn)行相位比較，由P

25、D輸出一個(gè)與相位差成正比的誤差電壓ud(t)。(2)ud(t)經(jīng)LF濾波，取出其中緩慢變化的直流或低頻電壓分量uc(t)作為控制電壓。顯然，uc(t)也將隨著相位差的變動(dòng)作相應(yīng)變化。(3)uc(t)加到VCO上，從而控制VCO的振蕩頻率，使不斷改變，ui(t)和uo(t)的相位差不斷減小，直至鎖相環(huán)路進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。3. 鎖相環(huán)路與自動(dòng)頻率控制的區(qū)別(1)AFC：利用頻率差實(shí)現(xiàn)反饋控制，有頻差，有相差。(2)PLL：利用相位差實(shí)現(xiàn)反饋控制，有相差，無頻差。本課小結(jié)：1.自動(dòng)頻率控制又稱為自動(dòng)頻率微調(diào)，主要用于電子設(shè)備中穩(wěn)定振蕩器振蕩頻率。它利用反饋控制量自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩器的振蕩頻率，使振蕩器穩(wěn)定

26、在某一預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)頻率附近。自動(dòng)頻率控制廣泛應(yīng)用于調(diào)頻發(fā)射機(jī)和調(diào)幅接收機(jī)中。2.鎖相環(huán)路是一種無頻差反饋控制器，基本組成單元為鑒相器PD(Phase Detector)、環(huán)路濾波器LF(Loop Filter)和壓控振蕩器VCO。本課作業(yè)：1. 簡述自動(dòng)頻率控制的功能。2. 畫出鎖相環(huán)路的組成框圖并簡述各部分的作用，分析系統(tǒng)的工作過程。課 題： 反饋控制電路12.4 鎖相環(huán)路PLL(二)教學(xué)目的：1.理解鎖相環(huán)的相位模型及性能分析2.了解PLL的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)：鎖相環(huán)的相位模型及性能分析教學(xué)難點(diǎn)：鎖相環(huán)的相位模型及性能分析教學(xué)方法：講授 課 時(shí)：2學(xué)時(shí) 教學(xué)進(jìn)程12.4 鎖相環(huán)路PLL(二)一.

27、鎖相環(huán)路的相位模型(一)鑒相器的電路模型1.鑒相器的框圖圖12-15 鑒相器的框圖(1)功能：鑒相器是相位比較器，其功能是用來比較輸入信號(hào)ui(t)的相位和壓控振蕩器輸出信號(hào)uo(t)的相位，其輸出電壓ud(t)與ui(t)和uo(t)相位差成正比。(2)工作過程：設(shè)輸入電壓信號(hào)ui(t)的頻率為，以載波為參考的瞬時(shí)相位為； 壓控振蕩器輸出信號(hào)uo(t)的頻率為，以載波為參考的瞬時(shí)相位為；環(huán)路的參考輸出頻率即基準(zhǔn)頻率為。鎖相環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)時(shí)，鑒相器無輸出電壓。鎖相環(huán)路處于“失鎖”狀態(tài)時(shí)，輸入信號(hào) ui(t)、輸出信號(hào)uo(t)的表達(dá)式式中，一般取為。因此，輸入信號(hào)可表示為鑒相器比較輸入信

28、號(hào)和輸出信號(hào)的相位，根據(jù)相位差產(chǎn)生控制電壓ud(t)。ud(t)的大小將依據(jù)鑒相器的類型而定，常見的鑒相器有乘積型和疊加型。(3)乘積型鑒相器原理組成：模擬乘法器原理：設(shè)輸入信號(hào)為，。則模擬乘法器輸出信號(hào)為經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后輸出控制電壓為可見，鑒相器輸出信號(hào)是一個(gè)關(guān)于ui(t)和uo(t)相位差的函數(shù)。2.鑒相器的電路模型根據(jù)(3) 的推導(dǎo)可知，鑒相器的相位模型如下：圖12-16 鑒相器的數(shù)學(xué)模型(二)環(huán)路濾波器的電路模型1.功能濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量和其它干擾分量，讓鑒相器中的低頻分量或直流分量通過，以保證環(huán)路所要求的性能，并提高環(huán)路的穩(wěn)定性。2.常見類型圖12-17 環(huán)路濾波器3.電路模型 圖12-18 環(huán)路濾波器的電路模型 (三)壓控振蕩器電路模型1.功能：產(chǎn)生頻率隨控制電壓uc(t)而變化的振蕩電壓uo(t)。2.調(diào)頻特性：壓控振蕩器的特性可用調(diào)頻特性來表示，如圖12-19所示。 圖12-19 VCO的調(diào)頻特性 圖12-20 VCO的電路模型3.電路模型由圖12-3-6形可知，在一定控制電壓范圍內(nèi)，控制電壓uc(t)與成線性關(guān)系，即式中，為VCO的壓控靈敏度。再由輸出相位與輸出頻率的關(guān)系可得故壓控振蕩器相當(dāng)于一個(gè)積分器，其電路模型如圖12-3-7所示。(四)鎖相環(huán)路的相位模型及環(huán)路方程1.相位模型PLL的相位模型