高頻電子技術(shù)共享-課件3.5反饋控制電路

2022/12/2013.5反饋控制電路

3.5.1自動(dòng)增益控制電路3.5.2自動(dòng)頻率控制電路3.5.3鎖相環(huán)電路2022/12/202反饋控制是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中的一種重要技術(shù)手段。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下，通過(guò)反饋控制作用，可使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需的精度，或按照一定的規(guī)律變化。電子線路中也常常應(yīng)用反饋控制技術(shù)。2022/12/203反饋控制電路的組成反饋控制電路的組成如圖3-5-1所示，由比較器、控制信號(hào)發(fā)生器、可控器件和反饋網(wǎng)絡(luò)四部分組成一個(gè)負(fù)反饋閉合環(huán)路。圖3-5-1反饋控制系統(tǒng)的組成

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比較器的作用：是將參考信號(hào)ur(t)和反饋信號(hào)uf(t)進(jìn)行比較，輸出二者的差值即誤差信號(hào)ue(t)，然后經(jīng)過(guò)控制信號(hào)發(fā)生器送出控制信號(hào)uc(t)，對(duì)可控制器件的某一特性進(jìn)行控制。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)。可控制器件：或者是其輸入輸出特性受控制信號(hào)uc(t)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)uc(t)的控制

(如壓控振蕩器)。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用：是在輸出信號(hào)uo(t)中提取所需要進(jìn)行比較的分量，送到比較器與參考信號(hào)進(jìn)行比較。2022/12/205根據(jù)控制對(duì)象參量的不同，反饋控制電路可以分為以下三類(lèi)：

1、自動(dòng)增益控制(AutomaticGainControl，簡(jiǎn)稱AGC)，它主要用于接收機(jī)中，控制接收信號(hào)的增益，以維持整機(jī)輸出恒定，使之幾乎不隨外來(lái)信號(hào)的強(qiáng)弱變化。

2、自動(dòng)頻率控制

(AutomaticFrequencyControl，簡(jiǎn)稱AFC)，它主要用于維持電子設(shè)備中工作頻率的穩(wěn)定。

3、自動(dòng)相位控制

(AutomaticPhaseControl，簡(jiǎn)稱APC)，又稱為鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop，簡(jiǎn)稱PLL)，它用于鎖定相位，能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能，是應(yīng)用最廣的一種反債控制電路。2022/12/206任務(wù)一自動(dòng)增益控制電路一、自動(dòng)增益控制的意義

自動(dòng)增益控制電路在在通信、導(dǎo)航、遙測(cè)遙控等無(wú)線電系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。圖3-5-2具有AGC電路的接收機(jī)組成框圖2022/12/207二、工作原理

1、自動(dòng)增益控制電路的作用

自動(dòng)增益控制電路的作用：當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓恒定或基本不變。具體地說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大，自動(dòng)增益電路不起作用；而當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)增益減小。從而達(dá)到當(dāng)接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，其輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定的目的。2022/12/208

2、自動(dòng)增益控制電路框圖

自動(dòng)增益控制電路框圖如圖3-5-3所示。設(shè)輸入信號(hào)振幅為Ui，輸出信號(hào)振幅為Uo，可控增益放大器增益為Kv(uc)，它是控制電壓uc的函數(shù)，則有(3-5-1)2022/12/209圖3-5-3自動(dòng)增益控制電路框圖2022/12/20103.各單元電路的功能與工作原理1）電平檢測(cè)器檢出輸出信號(hào)u0

的電平值，通常由振幅檢波器實(shí)現(xiàn)，輸出電壓為2）低通濾波器3）直流放大器將低通濾波器輸出的電壓進(jìn)行放大4）電壓比較器經(jīng)直流放大器輸出的電壓與給定電壓作比較輸出誤差信號(hào)電壓5）控制電壓產(chǎn)生器6）可控增益放大器2022/12/20114.AGC的工作過(guò)程1）當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)

自動(dòng)增益控制不作用2）當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)起到增益控制作用2022/12/2012三AGC的控制特性(1)動(dòng)態(tài)范圍：

在AGC電路中，動(dòng)態(tài)范圍定義為輸入（或輸出）信號(hào)振幅的最大值與最小值之比。

輸出動(dòng)態(tài)范圍：mi為AGC電路限定的輸入信號(hào)振幅最大值與最小值之比（輸入動(dòng)態(tài)范圍），即：則有nv稱為增益動(dòng)態(tài)范圍。2022/12/2013AGC電路是利用電壓誤差信號(hào)去消除輸出信號(hào)振幅與要求輸出信號(hào)振幅之間電壓誤差的自動(dòng)控制電路。在AGC電路中，一方面希望輸出信號(hào)振幅的變化越小越好，即要求輸出電壓振幅的誤差越小越好；另一方面，也希望容許輸入信號(hào)振幅變化越大越好。

AGC的動(dòng)態(tài)范圍是指：在給定輸出信號(hào)振幅變化范圍內(nèi)，容許輸入信號(hào)的變化范圍。2022/12/2014圖3-5-5延遲AGC特性曲線2．延遲AGC電路在延遲AGC電路里有一個(gè)起控門(mén)限，即比較器參考電壓Ur，它對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)振幅Uimin，如圖3-5-5所示。2022/12/2015

響應(yīng)時(shí)間

AGC電路是通過(guò)對(duì)可控增益放大器增益的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)振幅變化的限制，而增益變化又取決于輸入信號(hào)振幅的變化，所以要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號(hào)振幅的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時(shí)間特性。根據(jù)AGC的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短可分為慢速AGC和快速AGC兩類(lèi)。(低通濾波器帶寬越寬,響應(yīng)時(shí)間越短)2022/12/2016(3)差分放大器增益控制電路四、增益控制電路實(shí)現(xiàn)AGC的方法(1)改變發(fā)射極電流IE

正向AGC

反向AGC(2)改變放大器負(fù)載由于放大器的增益與負(fù)載密切相關(guān)，因此通過(guò)改變負(fù)載就可以控制放大器的增益。2022/12/2017

控制晶體管發(fā)射極電流實(shí)現(xiàn)增益控制AGC

放大電路Augmgm＝

IE/UT通常將控制電壓

加至基極或發(fā)射極2022/12/20182022/12/2019任務(wù)二自動(dòng)頻率控制電路

一、工作原理自動(dòng)頻率控制（AFC）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，如圖3-5-7所示。圖3-5-11自動(dòng)頻率控制電路的組成wy2022/12/2020

AFC電路的被控參數(shù)為頻率。

1、頻率比較器

頻率比較器：將電路的輸出角頻率與參考角頻率進(jìn)行比較，輸出其誤差（電壓）。頻率比較器有兩種：鑒頻器或混頻-鑒頻器。在鑒頻器中的中心角頻率就是參考角頻率；在混頻-鑒頻器中，參考頻率為本振頻率與鑒頻器中心頻率之和。2022/12/2021

2、可控頻率器件

可控頻率器件通常為壓控振蕩器（VCO），將在誤差信號(hào)的控制下，產(chǎn)生輸出信號(hào)。

壓控振蕩器的輸出振蕩角頻率可寫(xiě)成：(3-5-5)2022/12/2022三、應(yīng)用

1．自動(dòng)頻率微調(diào)電路（簡(jiǎn)稱AFC電路）

圖3-5-8是一個(gè)調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)的方框圖。這里是以固定中頻fI作為鑒頻器的中心頻率，亦作為AFC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率2022/12/2023圖3-5-8調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)方框圖2022/12/2024圖3-5-9AFT原理方框圖2、電視機(jī)中自動(dòng)微調(diào)電路（簡(jiǎn)稱AFT電路）

AFT電路完成將輸入信號(hào)偏離標(biāo)準(zhǔn)中頻(38MHz)的頻偏大小鑒別出來(lái)，并線性地轉(zhuǎn)化為直流誤差電壓，然后反送至調(diào)諧器本振回路的AFT變?nèi)荻O管，以微調(diào)本振頻率，從而保證中頻穩(wěn)定、準(zhǔn)確。2022/12/20253.5.3鎖相環(huán)路（PLL）主要要求：

掌握PLL的作用、基本組成和工作原理了解PLL的數(shù)學(xué)模型掌握PLL的捕捉與跟蹤了解集成PLL及其應(yīng)用2022/12/2026

據(jù)前面介紹可知，AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，基本思想是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，必然會(huì)有剩余頻率誤差存在，即頻率誤差不可能為零——AFC的固有缺點(diǎn)。鎖相環(huán)也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，但是它是利用相位誤差去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，盡管存在剩余相位誤差存在，但頻率誤差可以降低到零。2022/12/20275.3.1鎖相環(huán)路基本原理鑒相器（PD）：用以比較ui、uo相位，輸出反映相位誤差的電壓uD(t)。環(huán)路濾波器（LF）：用以濾除誤差信號(hào)中的高頻分量和噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。壓控振蕩器（VCO）：在uC(t)控制下輸出相應(yīng)頻率fo。2022/12/2028兩個(gè)正弦信號(hào)的頻率和相位之間的關(guān)系若能保證兩個(gè)信號(hào)之間的相位差恒定，則這兩個(gè)信號(hào)的頻率必相等。2022/12/2029若wi≠wo，則ui(t)和uo(t)之間產(chǎn)生相位變化

，鑒相器輸出誤差電壓uD(t)，它與瞬時(shí)誤差相位成正比，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波，濾除了高頻分量和噪聲而取出緩慢變化的電壓uc(t)，控制VCO的角頻率wo，去接近wi。最終使wi=wo

，相位誤差為常數(shù)，環(huán)路鎖定，這時(shí)的相位誤差稱為剩余相位誤差或穩(wěn)態(tài)相位誤差。2022/12/20305.3.2鎖相環(huán)路捕捉與跟蹤由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程稱為捕捉過(guò)程。能夠由失鎖進(jìn)入鎖定的最大輸入固有頻差稱為環(huán)路捕捉帶，用Δωp表示。若環(huán)路初始狀態(tài)是鎖定的，因某種原因使頻率發(fā)生變化，環(huán)路通過(guò)自身的調(diào)節(jié)來(lái)維持鎖定的過(guò)程稱為跟蹤過(guò)程。能夠保持跟蹤的輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率最大頻差范圍稱為同步帶（又稱跟蹤帶），用ΔωH表示。捕捉過(guò)程：失鎖鎖定

跟蹤過(guò)程：鎖定維持鎖定2022/12/2031當(dāng)wi從低頻至高頻緩慢變化時(shí)未加控制電壓(即uD(t)=0)時(shí)的VCO振蕩頻率uD(t)Owo0wawi失鎖鎖定wb失鎖當(dāng)wi從高頻至低頻緩慢變化時(shí)wc鎖定wd捕捉帶同步帶wPwH通常捕捉帶小于同步帶2022/12/20325.3.2鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型一、鑒相器(PD)1、模擬乘法鑒相器輸入信號(hào)為正弦波信號(hào)2、異或門(mén)鑒相器方波信號(hào)3、邊沿觸發(fā)型鑒相器方波、矩形波2022/12/2033環(huán)路濾波器的電路模型二、環(huán)路濾波器(LF)RC

積分濾波器RC

比例積分濾波器有源比例積分濾波器圖（b）電路的傳遞函數(shù)為將AF(s)中的復(fù)頻率s用微分算子p替換，可得2022/12/20345.3.3集成鎖相環(huán)路模擬PLL：模擬PDLFVCO數(shù)字PLL：全數(shù)字：數(shù)字PD數(shù)字LF數(shù)字VCO模擬+數(shù)字：數(shù)字PD模擬LF模擬VCO按電路構(gòu)成分類(lèi)通用PLL專用PLL按用途分類(lèi)2022/12/20355.3.4鎖相環(huán)路的應(yīng)用一、鎖相環(huán)路的基本特性（1）環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)頻率相等，

沒(méi)有頻率誤差。（2）頻率跟蹤特性：環(huán)路鎖定時(shí)，VCO輸出頻率能

在一定范圍內(nèi)跟蹤輸入信號(hào)頻