高頻電子線路第十章反饋控制電路1

1、本章附錄 為了提高電子設(shè)備技術(shù)性能穩(wěn)定性或者實現(xiàn)某些特殊的高指標要求，在通信系統(tǒng)或其它電子設(shè)備中，廣泛采用各種類型的反饋控制回路。 對通信系統(tǒng)來說，信息的傳載采用高頻信號。為獲得高指標信息傳送，就要求該高頻信號有高穩(wěn)定性。說通信系統(tǒng)反饋控制對象是高頻信號。 高頻信號含有三個基本參數(shù)，即振幅、頻率和相位。對于反饋控制電路來說，也就是實現(xiàn)對這三個參數(shù)的分別控制，即自動振幅控制、自動頻率控制和自動相位控制。 反饋控制電路可以看成由被控制對象和反饋控制器兩部分組成的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 1.1.自動振幅控制電路自動振幅控制電路 自動振幅控制電路通常稱為。它主要用于接收機中，使整機在輸入振幅變化時保持輸出電壓

2、振幅不變。 自動振幅控制電路的被控量是電壓振幅，在反饋控制器中必須進行振幅比較，利用誤差量去對輸出振幅進行調(diào)整。振幅比較器振幅比較器 2.2. 自動頻率控制電路自動頻率控制電路 自動頻率控制電路主要用于電子設(shè)備中保證振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定。被控量是頻率，被控對象是壓控振蕩器(VCO)。而在反饋控制中必須對振蕩頻率進行比較，利用輸出誤差量對被控制對象的輸出頻率進行調(diào)整。濾波器濾波器 3.3. 自動相位控制電路自動相位控制電路 自動相位控制電路通常稱為鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路的被控量是相位被控對象是壓控振蕩器(VCO)。在反饋控制器中對振蕩相位進行比較。利用輸出誤差量對被控對象的輸出相位進行調(diào)整。 利用鎖

3、相環(huán)路可以實現(xiàn)許多功能。 鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)路中的被控量是相位相位。1 任何一個理想的模擬乘法器都可以作為鑒相器 設(shè)設(shè)：參考信號相位為1(t)；(VOC)輸出信號相位為v(t)。兩信號經(jīng)乘法器輸出，再由環(huán)路濾波器濾掉高頻分量后有：( (一一) )鑒相器及其相位模型鑒相器及其相位模型 鑒相器是相位比較器，其功能是比較比較參考信號的相位和(VOC)輸出信號的相位，其輸出電壓與這兩個信號的相位差成正比。 e( t ) 1( t ) v( t ) Kd sin ud( t ) e( t ) 1( t ) v( t ) Kd ud( t ) ) ( ) ( sin) ( sin) (

4、1t tKtKt uvdedd ) () (sin) (sin) (1ttKtKt uvdedd ( (二二) )環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器為低通濾波器，用來濾除相位比較器輸出的高頻部分，并抑制噪聲，以保證環(huán)路達到要求的性能，提高環(huán)路的穩(wěn)定性。 RC濾波器濾波器 無源比例積分濾波器無源比例積分濾波器 有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器1.環(huán)路環(huán)路濾波器主要類型濾波器主要類型 因控制對象是相位，可將KF(s)中的 s 用微分算子p 替換，就可寫出表示濾波器激勵和響應(yīng)之間關(guān)系的微分方程。即: 2. 環(huán)路濾波器相位模型環(huán)路濾波器相位模型 )()()(tusKtudFc 無論何種低通濾波器及何

5、種濾波方式，ud(t)與瞬時控制電壓uc(t)間的關(guān)系可以表示為：)()()(tupKtudFc( (三三) )壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)(VCO)及其相位模型及其相位模型1.1.壓頻變換特性曲線壓頻變換特性曲線是壓控振蕩器固有振蕩頻率。Kv是壓控振蕩器調(diào)頻特性的直線部分的斜率。 壓控振蕩器振蕩頻率u(t)受電壓uc(t)控制，它是一種變換器。Kv VCO的輸出相位： 壓控振蕩器輸出電壓信號對鑒相器直接發(fā)生作用的不是瞬時角頻率，而是瞬時相位。因此就整個鎖相環(huán)路來說，壓控振蕩器應(yīng)該以它的輸出信號的瞬時相位作為輸出量。 壓控振蕩器的關(guān)系特性曲線如圖。在一定范圍內(nèi)，可近似認為是線性關(guān)系 可見：可

6、見：壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中的作用是積分環(huán)節(jié)， 若用微分算子 pd( ) /dt 表示，則上式可表示為：（四）鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程（四）鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程 pe(t) 是壓控振蕩器振蕩角頻率pv(t)偏離輸入?yún)⒖夹盘柦穷l率1 1的值，稱瞬時角頻差瞬時角頻差; KdKvKF(p)sine(t) 是壓控振蕩器受uc控制輸出偏離o的角頻率偏離值V , 稱為控制角頻差控制角頻差； p1(t) 是輸入?yún)⒖夹盘柦穷l率1與壓控振蕩器固有振蕩角頻率o 的差值, 稱為輸入固有角頻差輸入固有角頻差。 上式表明，環(huán)路閉合后的任何時刻，瞬時角頻差和控制角頻差之代數(shù)和恒等于輸入固有角頻差)()(1010

7、 ttve)()()(1tttve )(sin)()()()()(11tpKKpKtttteFdvve )()(sin)()(1tptpKKKtpeFvde )()()(1tttve )(sin)()()(tKpKpKupKpKupKtedFvdFvcvv 鑒相器低通濾波器壓控振蕩器)2010( e(t)0 產(chǎn)生控制電壓 控制角頻差就產(chǎn)生環(huán)路的瞬時角頻差減小。直到控制角頻差增大到等于固有角頻差，此時e(t) =0。 這一瞬時角頻差減小過程稱為 跟蹤跟蹤 。 1. 環(huán)路的跟蹤與鎖定概念：環(huán)路的跟蹤與鎖定概念： 在環(huán)路剛閉合的瞬間, 輸入?yún)⒖茧妷汗ぷ黝l率為1；因為控制電壓為零, v(0)=0, V

8、CO 工作在0；環(huán)路的瞬時角頻差e等于固有頻差1 。 e(t) =0時，控制電壓作用下的VCO 工作頻率v(t)不再隨時間變化，維持一固定的值。此時環(huán)路頻率達到一動態(tài)平衡狀態(tài)。這時認為鎖相環(huán)路進入鎖定鎖定狀態(tài)。 此時壓控振蕩器工作頻率v(t) = 0 +v= 1 。1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( 2. 環(huán)路鎖定特性：環(huán)路鎖定特性： 1）環(huán)路進入鎖定后，瞬時頻差為0，即 pe(t) = e(t) = 02）環(huán)路進入鎖定后，VCO工作頻率= 輸入信號頻率，即 v( t ) = 0 +v= 1。 3）環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時

9、，鑒相器的輸出電壓為直流。即ud =Kd sine 4）環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，剩余相位差可由式(1020)求得： Kd Kv KF e=1 1其中KF(0) 為直流傳遞值1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( pFvdeKKKK1e1)0( 分頻器N)(ti 鑒相器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸出信號輸出信號)(to 輸入信號輸入信號No 0Ntt)()(00 倍頻器N)(ti 鑒相器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸出信號輸出信號)(to 輸入信號輸入信號oN 0)()(00tNt 鎖相分頻器 IRIIsv0= 0 +v反 饋控制器

10、)(tR 鑒頻器環(huán)路濾波 器壓 控振蕩器輸入信號輸入信號No 0eo )(tue)(tud 自動頻率控制電路基本組成一、自動頻率控制電路的工作原理一、自動頻率控制電路的工作原理其中：其中：VCO是被控對象;反饋控制器由混頻器、差頻放大器、限幅鑒頻器和放大器等組成。頻率誤差經(jīng)鑒頻器檢測轉(zhuǎn)換成電壓誤差信號去控制壓控振蕩器。 環(huán)路的頻率關(guān)系： 當o=R=時,則其輸出誤差電壓ud為零，VCO不受控制,環(huán)路沒有控制作用。 當o因某種不穩(wěn)定因素發(fā)生變化而增加了o ，經(jīng)限幅鑒頻后ud不為零輸出，控制振蕩頻率減小。這個減小量使得角頻率由o減小到o。 在新的角頻率差e作用下，再經(jīng)過限幅鑒頻放大，使得VC0的振蕩

11、頻率繼續(xù)減小，如此多次循環(huán)，與鎖相環(huán)路相似，最后環(huán)路達到鎖定狀態(tài)。 因為環(huán)路傳輸?shù)氖穷l率，故鎖定后環(huán)路存在有誤差角頻率，稱為剩余角頻率誤差，用e表示。實際上， 自動頻率控制電路是將大的起始角頻率誤差e 通過環(huán)路的調(diào)節(jié)作用減小到較小的剩余角頻率誤差。eoRo 二、自動頻率控制電路的應(yīng)用二、自動頻率控制電路的應(yīng)用自動頻率控制電路廣泛用于接收機中作自動頻率微調(diào)電路。下圖是一個具有自動頻率微調(diào)電路的調(diào)幅接收機方框圖。與普通調(diào)幅接收機不同的是，本機振蕩器改為能進行調(diào)整頻率的壓控振蕩器，同時增加了限幅鑒頻器、放大器和低通濾波器，與混頻器和中頻放大器組成一個自動頻率控制電路。 該自動頻率控制電路使VCO頻率

12、跟隨接收機輸入信號頻率的變化而變化，中頻穩(wěn)定度高。 工作過程：工作過程：上圖是調(diào)頻負反饋解調(diào)器的方框圖。它與普通調(diào)頻接收機中的鑒頻器的區(qū)別是，它利用鑒頻后經(jīng)低通濾波器輸出的解調(diào)信號反饋給VCO，使VCO的角頻率按解調(diào)電壓變化。而解調(diào)電壓就是輸入調(diào)頻波的調(diào)制電壓?；祛l器輸入： VCO輸出：混頻器輸出：式中：式中：I為中頻放大器的中心頻率， (m1- m2)為輸給中頻放大器的調(diào)頻波的最大頻率偏移。顯然，中頻信號仍為不失真的調(diào)頻波，但其最大角頻率偏移小于混頻器輸入調(diào)頻波的最大角頻率偏移。因而負反饋解調(diào)器的中頻放大器的通帶可以比普通鑒頻器接收機的中頻放大器的通帶小。若維持混頻器輸入信晚比相同，加到調(diào)頻負反饋解調(diào)器的限幅鑒頻器的輸入信噪比就比普通接收機中