反饋控制電路

1、反饋控制電路第1頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二20. 概述 放大電路、 振蕩電路、 調(diào)制電路和解調(diào)電路可以組成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)或其它電子系統(tǒng), 但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善。如, 調(diào)幅接收機(jī)中, 天線上感生的有用信號(hào)的強(qiáng)度往往由于電波傳播衰落等原因有較大的起伏變化, 導(dǎo)致放大器輸出信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱；又如, 在通信系統(tǒng)中, 收發(fā)兩地的載頻應(yīng)保持嚴(yán)格同步, 使輸出中頻穩(wěn)定, 而要做到這一點(diǎn)也比較困難。 反饋控制電路第2頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 所以, 為了提高通信和電子系統(tǒng)的性能指標(biāo), 或者實(shí)現(xiàn)某些特定的要求, 必須采用自動(dòng)控制方式。 由此

2、, 各種類型的反饋控制電路便應(yīng)運(yùn)而生了。 根據(jù)控制對(duì)象參量的不同, 反饋控制電路可分為以下三類： 自動(dòng)增益控制（）, 自動(dòng)頻率控制（）和自動(dòng)相位控制（）。自動(dòng)相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（）, 是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。 反饋控制電路第3頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二反饋控制電路的基本原理圖20-1 反饋控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第4頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 比較器的作用是將外加參考信號(hào)（）和反饋信號(hào)（）進(jìn)行比較, 輸出二者的差值即誤差信號(hào)（）, 然后經(jīng)過(guò)控制信號(hào)發(fā)生器送出控制信號(hào)（）, 對(duì)可控器件的某一特性進(jìn)行控制。 對(duì)于可控器件, 或者

3、是其輸入輸出特性受控制信號(hào)（）的控制（如可控增益放大器）, 或者是在不加輸入的情況下, 本身輸出信號(hào)的某一參量受控制信號(hào)（）的控制（如壓控振蕩器）。而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是在輸出信號(hào)（）中提取所需要進(jìn)行比較的分量, 并送入比較器。 反饋控制電路第5頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 根據(jù)輸入比較信號(hào)參量的不同, 圖中的比較器可以是電壓比較器、 頻率比較器（鑒頻器）或相位比較器（鑒相器）三種, 所以對(duì)應(yīng)的（）和（）可以是電壓、頻率或相位參量。 誤差信號(hào)（）和控制信號(hào)（）一般是電壓。 可控器件的可控制特性一般是增益或頻率, 所以輸出信號(hào)（）的量綱是電壓、頻率或相位。 反饋控制電路第6

4、頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 根據(jù)參考信號(hào)的不同狀況, 反饋控制電路的工作情況有兩種： 參考信號(hào)（）不變, 恒定為0。假定電路已處于穩(wěn)定狀態(tài), 輸入信號(hào)（）恒定為0, 輸出信號(hào)（）恒定為0, 誤差信號(hào)恒定為0。 現(xiàn)由于輸入信號(hào)（）或可控器件本身的特性發(fā)生變化, 導(dǎo)致輸出信號(hào)（）發(fā)生變化, 產(chǎn)生一個(gè)增量, 從而產(chǎn)生一個(gè)新的反饋信號(hào)（）, 經(jīng)與恒定的參考信號(hào)0比較, 必然使誤差信號(hào)發(fā)生變化, 產(chǎn)生一個(gè)增量。反饋控制電路第7頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 誤差信號(hào)的變化將使可控器件的特性發(fā)生變化, 從而使（）變化的方向與原來(lái)變化的方向相反, 也就是使

5、減小。 經(jīng)過(guò)不斷地循環(huán)反饋, 最后環(huán)路達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài), 輸出（）趨近于原穩(wěn)定狀態(tài)0。 由此可見(jiàn), 反饋控制電路在這種工作情況下, 可以使輸出信號(hào)y(t)穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)先規(guī)定的參數(shù)上。 反饋控制電路第8頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 . 參考信號(hào)（）變化，由于（）變化, 無(wú)論輸入信號(hào)（）或可控器件本身特性有無(wú)變化, 輸出信號(hào)（）一般均要發(fā)生變化。從（）中提取所需分量并經(jīng)反饋后與（）比較, 如果二者變化規(guī)律不一致或不滿足預(yù)先設(shè)置的規(guī)律, 則將產(chǎn)生誤差信號(hào), 使 （）向減小誤差信號(hào)的方向變化, 最后使（）和（）的變化趨于一致或滿足預(yù)先設(shè)置的規(guī)律。 由此可見(jiàn), 這種反饋控制電路

6、可使輸出信號(hào)（）跟蹤參考信號(hào)（）的變化。 反饋控制電路第9頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 在通信系統(tǒng)中, 由于受發(fā)射功率大小、 收發(fā)距離遠(yuǎn)近、電波傳播衰落等各種因素的影響, 接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大, 信號(hào)最強(qiáng)時(shí)與最弱時(shí)可相差幾十分貝。因此, 必須采用自動(dòng)增益控制電路, 使接收機(jī)的增益隨輸入信號(hào)強(qiáng)弱而變化。20.2 自動(dòng)增益控制電路反饋控制電路第10頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二20.2.1 工作原理電路組成框圖 自動(dòng)增益控制電路是一種在輸入信號(hào)幅值變化很大的情況下, 通過(guò)調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益, 使輸出信號(hào)幅值基本恒定或僅在較小范圍

7、內(nèi)變化的一種電路。 反饋控制電路第11頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二圖20-2 AGC系統(tǒng)組成第12頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 設(shè)輸入信號(hào)振幅為Ux, 輸出信號(hào)振幅為Uy, 可控增益放大器增益為g（uc）, 即其是控制信號(hào)uc的函數(shù), 則有：Uy=Ag(uc)Ux反饋控制電路第13頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 比較過(guò)程 在電路里, 比較參量是信號(hào)電平, 所以采用電壓比較器。反饋網(wǎng)絡(luò)由電平檢測(cè)器、 低通濾波器和直流放大器組成。 反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出輸出信號(hào)振幅電平（平均電平或峰值電平）, 濾去不需要的較高頻率分量, 然后進(jìn)行

8、適當(dāng)放大后與恒定的參考電平UR比較, 產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。 控制信號(hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié), 增益為1。 若Ux減小而使Uy減小時(shí), 環(huán)路產(chǎn)生的控制信號(hào)uc將使增益g增大, 從而使Uy趨于增大。若Ux增大而使Uy增大時(shí), 環(huán)路產(chǎn)生的控制信號(hào)uc將使增益g減小, 從而使Uy趨于減小。無(wú)論何種情況, 通過(guò)環(huán)路不斷地循環(huán)反饋, 都應(yīng)該使輸出信號(hào)振幅Uy保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。 反饋控制電路第14頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二反饋控制電路第15頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 濾波器的作用 環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。整個(gè)環(huán)路應(yīng)具有低

9、通傳輸特性, 這樣才能保證僅對(duì)信號(hào)電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號(hào)時(shí), 為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會(huì)被自動(dòng)增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）, 必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性, 使對(duì)高于某一頻率的調(diào)制信號(hào)的變化無(wú)響應(yīng), 而僅對(duì)低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。 反饋控制電路第16頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 控制過(guò)程說(shuō)明 設(shè)輸出信號(hào)振幅Uy與控制電壓uc的關(guān)系為: Uy=Uy0+kcuc=Uy0+Uy 又有: Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx 其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc

10、又有 Uy0=Ag(0)Ux0反饋控制電路第17頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 式中的Uy0是控制信號(hào)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)振幅, Ux0和g（）是相應(yīng)的輸入信號(hào)振幅和放大器增益, c和皆為常數(shù)。 若低通濾波器對(duì)于直流信號(hào)的傳遞函數(shù)為, 當(dāng)誤差信號(hào)ue時(shí), 寫出UR和Uy0、x0之間的關(guān)系: UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0 當(dāng)輸入信號(hào)振幅UxUx0且保持恒定時(shí), 環(huán)路經(jīng)自身調(diào)節(jié)后達(dá)到新的平衡狀態(tài), 這時(shí)的誤差電壓反饋控制電路第18頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 u e=kb(R-k2k3y) 又 U y=Ag()+kck1u eU

11、x 從以上兩式可知, u e0, 否則將有Ux=Ux0, 與條件不符合。同時(shí)也說(shuō)明U yy0, 即電路是有電平誤差的控制電路。式中，k2、k3和kb均為比例系數(shù)。反饋控制電路第19頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二20.3 自動(dòng)頻率控制電路 20.3.1 工作原理 自動(dòng)頻率控制（）電路由頻率比較器、 低通濾波器和可控頻率器件三部分組成。 圖20-3 AFC控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第20頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 電路的控制參量是頻率。頻率比較器通常有兩種, 一種是鑒頻器, 另一種是混頻鑒頻器。在前一種情況, 鑒頻器的中心角頻率0起參考信號(hào)r的作用

12、。在后一種情況, 本振信號(hào)(角頻率為L(zhǎng))先與輸出信號(hào)(角頻率為y)進(jìn)行混頻, 然后再進(jìn)行鑒頻。 參考信號(hào)r=0+L。反饋控制電路第21頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 頻率比較器輸出的誤差信號(hào)ue是電壓信號(hào), 送入低通濾波器后取出緩變控制信號(hào)uc?？煽仡l率器件通常是壓控振蕩器（）, 其輸出振蕩角頻率可寫成: y(t)=y0+kcuc(t) 其中y0是控制信號(hào)uc (t)=0時(shí)的振蕩角頻率, 稱為的固有振蕩角頻率, c是壓控靈敏度。 反饋控制電路第22頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 當(dāng)頻率比較器是鑒頻器時(shí), 輸出誤差電壓為： ue=kb(0-y)=k

13、b(r-y) 若輸出信號(hào)角頻率y與鑒頻器中心角頻率0不相等時(shí),誤差電壓ue, 經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc, 調(diào)節(jié)的振蕩角頻率, 使之穩(wěn)定在0上。kb是鑒頻靈敏度。 當(dāng)頻率比較器是混頻鑒頻器時(shí), 其中混頻器輸出差頻d=y-L, 而鑒頻器輸出誤差電壓為: ue=kb(0-d)=kb(0+L)-y=kb(r-y) 反饋控制電路第23頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 這時(shí), L可以看成是輸入信號(hào)角頻率i, 而輸出信號(hào)角頻率y跟隨i變化, 從而實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤。 鑒頻器和壓控振蕩器均是非線性器件, 但在一定條件下, 可工作在近似線性狀態(tài), 則p與c均可視為常數(shù)。 若差頻d與0不相

14、等時(shí), 誤差電壓ue0, 經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc, 調(diào)節(jié)的振蕩角頻率y, 使之與L的差值d穩(wěn)定在0上。若L是變化的, 則y將跟隨L變化, 保持其差頻d基本不變。 反饋控制電路第24頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二20.4 鎖相環(huán)路 電路有剩余頻率誤差存在, 即頻差不可能為零。這是一個(gè)不可克服的缺點(diǎn)。 鎖相環(huán)路也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。但它的基本原理是利用相位誤差電壓去消除頻率誤差, 所以當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)之后, 雖然有剩余相位誤差存在, 但頻率誤差可以降低到零, 從而實(shí)現(xiàn)無(wú)頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。反饋控制電路第25頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月

15、20日，4點(diǎn)7分，星期二 20.4.1基本原理 鎖相環(huán)路主要由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。被控參量是相位。 設(shè)旋轉(zhuǎn)矢量 和 分別表示鑒相器輸入?yún)⒖夹盘?hào)ui（）和壓控振蕩器輸出信號(hào)uy（）, 它們的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角位移分別為i（）、y（）和i（）、 y（）。顯然, 只有當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量以相同角速度（即iy）旋轉(zhuǎn)時(shí), 它們之間的相位差才能保持恒定值。 反饋控制電路第26頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二圖20-4 PLL控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第27頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二圖20-5 跟蹤原理反饋控制電路第28頁(yè)，共30頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 鑒相器將此恒定相位差變換成對(duì)應(yīng)的直流電壓, 去控制的振蕩角頻率y, 使其穩(wěn)定地振蕩在與輸入?yún)⒖夹盘?hào)相同的角頻率i上。這種情況稱之為鎖定。反之, 兩者角頻率不相等, 相位差不恒定, 則稱為失鎖。若某種因素使y偏離了i, 比如說(shuō), yi, 則 比 旋轉(zhuǎn)得慢一些, 瞬時(shí)相位差i（）