反饋控制電路

反饋控制電路第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一20.１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)，2023年，2月20日，星期一所以,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,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（ＡＧＣ）,自動(dòng)頻率控制（ＡＦＣ）和自動(dòng)相位控制（ＡＰＣ）。自動(dòng)相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（ＰＬＬ）,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)，2023年，2月20日，星期一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)，2023年，2月20日，星期一比較器的作用是將外加參考信號(hào)ｒ（ｔ）和反饋信號(hào)ｆ（ｔ）進(jìn)行比較,輸出二者的差值即誤差信號(hào)ｅ（ｔ）,然后經(jīng)過(guò)控制信號(hào)發(fā)生器送出控制信號(hào)ｃ（ｔ）,對(duì)可控器件的某一特性進(jìn)行控制。對(duì)于可控器件,或者是其輸入輸出特性受控制信號(hào)ｃ（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)ｃ（ｔ）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)ｙ（ｔ）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)，2023年，2月20日，星期一根據(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ｒ（ｔ）和ｆ（ｔ）可以是電壓、頻率或相位參量。誤差信號(hào)ｅ（ｔ）和控制信號(hào)ｃ（ｔ）一般是電壓?？煽仄骷目煽刂铺匦砸话闶窃鲆婊蝾l率,所以輸出信號(hào)ｙ（ｔ）的量綱是電壓、頻率或相位。反饋控制電路第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(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：１參考信號(hào)ｒ（ｔ）不變,恒定為ｒ0。假定電路已處于穩(wěn)定狀態(tài),輸入信號(hào)ｘ（ｔ）恒定為ｘ0,輸出信號(hào)ｙ（ｔ）恒定為ｙ0,誤差信號(hào)恒定為ｅ0?，F(xiàn)由于輸入信號(hào)ｘ（ｔ）或可控器件本身的特性發(fā)生變化,導(dǎo)致輸出信號(hào)ｙ（ｔ）發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)增量Δｙ,從而產(chǎn)生一個(gè)新的反饋信號(hào)ｆ（ｔ）,經(jīng)與恒定的參考信號(hào)ｒ0比較,必然使誤差信號(hào)發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)增量Δｅ。反饋控制電路第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一誤差信號(hào)的變化將使可控器件的特性發(fā)生變化,從而使ｙ（ｔ）變化的方向與原來(lái)變化的方向相反,也就是使Δｙ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ｙ（ｔ）趨近于原穩(wěn)定狀態(tài)ｙ0。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)，2023年，2月20日，星期一

２.參考信號(hào)ｒ（ｔ）變化，由于ｒ（ｔ）變化,無(wú)論輸入信號(hào)ｘ（ｔ）或可控器件本身特性有無(wú)變化,輸出信號(hào)ｙ（ｔ）一般均要發(fā)生變化。從ｙ（ｔ）中提取所需分量并經(jīng)反饋后與ｒ（ｔ）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ｙ（ｔ）向減小誤差信號(hào)的方向變化,最后使ｙ（ｔ）和ｒ（ｔ）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),這種反饋控制電路可使輸出信號(hào)ｙ（ｔ）跟蹤參考信號(hào)ｒ（ｔ）的變化。反饋控制電路第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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)，2023年，2月20日，星期一20.2.1工作原理１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內(nèi)變化的一種電路。反饋控制電路第11頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖20-2AGC系統(tǒng)組成第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一設(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Ａg（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)，2023年，2月20日，星期一２比較過(guò)程在ＡＧＣ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)?？刂菩盘?hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié),增益為ｋ1。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Ａg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Ａg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)，2023年，2月20日，星期一反饋控制電路第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一３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)，2023年，2月20日，星期一４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+ΔUy

又有:Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux

其中Ag(uc)=Ag(0)+kguc

又有Uy0=Ag(0)Ux0反饋控制電路第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一式中的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Ａg（０）是相應(yīng)的輸入信號(hào)振幅和放大器增益,ｋc和ｋｇ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１,當(dāng)誤差信號(hào)ue＝０時(shí),寫出UR和Uy0、Ｕx0之間的關(guān)系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0當(dāng)輸入信號(hào)振幅Ux≠Ux0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)，2023年，2月20日，星期一

ue∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞)又Uy∞=［Ag(０)+kck1ue∞］Ux

從以上兩式可知,ue∞≠0,否則將有Ux=Ux0,與條件不符合。同時(shí)也說(shuō)明Uy∞≠Ｕy0,即ＡＧＣ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)，2023年，2月20日，星期一20.3自動(dòng)頻率控制電路

20.3.1工作原理自動(dòng)頻率控制（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。圖20-3AFC控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ＡＦＣ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ω0起參考信號(hào)ωr的作用。在后一種情況,本振信號(hào)(角頻率為ωL)先與輸出信號(hào)(角頻率為ωy)進(jìn)行混頻,然后再進(jìn)行鑒頻。參考信號(hào)ωr=ω0+ωL。反饋控制電路第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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。可控頻率器件通常是壓控振蕩器（ＶＣＯ）,其輸出振蕩角頻率可寫成:ωy(t)=ωy0+kcuc(t)其中ωy0是控制信號(hào)uc(t)=0時(shí)的振蕩角頻率,稱為ＶＣＯ的固有振蕩角頻率,ｋc是壓控靈敏度。

反饋控制電路第22頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)頻率比較器是鑒頻器時(shí),輸出誤差電壓為：ue=kb(ω0-ωy)=kb(ωr-ωy)若輸出信號(hào)角頻率ωy與鑒頻器中心角頻率ω0不相等時(shí),誤差電壓ue≠０,經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc,調(diào)節(jié)ＶＣＯ的振蕩角頻率,使之穩(wěn)定在ω0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ωd=ωy-ωL,而鑒頻器輸出誤差電壓為:ue=kb(ω0-ωd)=kb［(ω0+ωL)-ωy］=kb(ωr-ωy)

反饋控制電路第23頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

這時(shí),ωL可以看成是輸入信號(hào)角頻率ωi,而輸出信號(hào)角頻率ωy跟隨ωi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ｋp與ｋc均可視為常數(shù)。

若差頻ωd與ω0不相等時(shí),誤差電壓ue≠0,經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc,調(diào)節(jié)ＶＣＯ的振蕩角頻率ωy,使之與ωL的差值ωd穩(wěn)定在ω0上。若ωL是變化的,則ωy將跟隨ωL變化,保持其差頻ωd基本不變。反饋控制電路第24頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一20.4鎖相環(huán)路

ＡＦＣ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)，2023年，2月20日，星期一

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（ｔ）和壓控振蕩器輸出信號(hào)uy（ｔ）,它們的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角位移分別為ωi（ｔ）、ωy（ｔ）和φi（ｔ）、φy（ｔ）。顯然,只有當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量以相同角速度（即ωi＝ωy）旋轉(zhuǎn)時(shí),它們之間的相位差才能保持恒定值。反饋控制