第8章反馈与控制.ppt

1 第第8章章 反馈与控制反馈与控制2本章基本要求本章基本要求n掌握掌握 AGC、AFC等基本反馈控制电路的原理等基本反馈控制电路的原理及作用、相关电路及作用、相关电路；n熟悉熟悉 锁相环的应用的分析方法；锁相环的应用的分析方法；n了解了解 集成锁相环、频率合成技术及其应用集成锁相环、频率合成技术及其应用 38.1 8.1 反馈控制电路反馈控制电路 反馈控制电路是电子系统中的一种自动调节电路反馈控制电路是电子系统中的一种自动调节电路,其作其作用是反馈系统在受到扰动的情况下用是反馈系统在受到扰动的情况下,系统通过自身反馈系统通过自身反馈控制的调节作用控制的调节作用,使其中的某个参数（如电信号的振幅、使其中的某个参数（如电信号的振幅、频率或相位）受控制达到预定的精度。频率或相位）受控制达到预定的精度。反馈控制系统可以用如图反馈控制系统可以用如图8-1-1所示的方框图来描述所示的方框图来描述。图8-1-1 反馈控制系统框图4反馈控制电路分类反馈控制电路分类 n自动增益控制自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)、n自动频率控制自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)，AFC电路在某些系统中又称为自动频率电路在某些系统中又称为自动频率微调电路（微调电路（Automatic Frequency Tuning，AFT），），n自动相位控制自动相位控制(Automatic Phase Control,APC)。APC电路又称为锁相环路电路又称为锁相环路(Phase Locked Loop，PLL),这是应用最广的一种反这是应用最广的一种反馈控制电路。馈控制电路。58.1.1 自动增益控制（自动增益控制（AGC）电路）电路 n在无线电通信、广播、电视、遥测遥感等系统中在无线电通信、广播、电视、遥测遥感等系统中,由于由于受到发射功率大小、接收距离远近及信号衰落等许多因受到发射功率大小、接收距离远近及信号衰落等许多因素的影响素的影响,接收机所接收到的信号强度变化较大接收机所接收到的信号强度变化较大,信号的信号的强弱可能相差几十分贝。强弱可能相差几十分贝。其原因主要有其原因主要有:n a.同一接收机在同一接收点接收不同发射机的信号。同一接收机在同一接收点接收不同发射机的信号。由于各发射机的发射功率不同由于各发射机的发射功率不同,接收点与发射机的距离接收点与发射机的距离不同不同,因此不同发射机在该接收点的场强不同。因此不同发射机在该接收点的场强不同。n b.处于移动状态中的接收机处于移动状态中的接收机,如手持移动电话、车、如手持移动电话、车、船、飞机中的通信等船、飞机中的通信等,随着接收地点的变化随着接收地点的变化,同一发射机同一发射机的信号场强也在不断变化。的信号场强也在不断变化。n c.信号的多径传输及其衰落等信号的多径传输及其衰落等,都使接收机的输入信都使接收机的输入信号强度发生变化。号强度发生变化。68.1.1.2 AGC电路的组成电路的组成 AGC电路的组成框图如图电路的组成框图如图8-1-2所示所示 图8-1-2 AGC电路组成框图7C第三级中放输出电压ADEUimUim2Uim10图8-1-4 电视接收机中的 AGC 特性uA中放AGC控制电压高放级的AGC电压高放级输出电压B中放增益图8-1-3 电视接收机中的AGC系统88.1.1.3 增益控制的方法增益控制的方法 接收机、发射机以及其他电子系统中有多种增益控制的接收机、发射机以及其他电子系统中有多种增益控制的方法。最基本的方法有两种：一是通过改变放大管的直方法。最基本的方法有两种：一是通过改变放大管的直流偏置，改变放大管的正向传输导纳流偏置，改变放大管的正向传输导纳feY变增益的目的；变增益的目的；，从而达到改，从而达到改二是利用二极管或场效应管的变阻特性组成电二是利用二极管或场效应管的变阻特性组成电控衰减器实现对放大器增益的控制。控衰减器实现对放大器增益的控制。9(1)改变放大管直流偏置法改变放大管直流偏置法 CIfefeYyCIcI当晶体三极管的当晶体三极管的变化时，正向传输导纳变化时，正向传输导纳之之变化，以此可以改变三极管的增益，控制方式分为变化，以此可以改变三极管的增益，控制方式分为正向正向下降；反向下降；反向AGC则通过减小则通过减小来控制增益下降。来控制增益下降。也随也随AGC和反向和反向AGC两种。正向两种。正向AGC通过增加通过增加来控制增益来控制增益如图如图8-1-5所示。所示。uA0mA/cI0.1110 100反向AGC区正向AGC区图8-1-5 AGC控制特性ABmax uAc0cI10(2)采用电控衰减器法采用电控衰减器法 图8-1-6 电控衰减器AGC电路11(3)利用利用PIN二极管构成二极管构成AGC电路电路 图8-1-7 采用PIN管电调衰减器的AGC电路12(4)双栅场效应管的双栅场效应管的AGC电路电路 图8-1-8 采用双栅场效应管的AGC电路13(5)调幅收音机中的调幅收音机中的AGC电路电路 图8-1-9 调幅收音机AGC电路之一148.1.2 自动频率微调（自动频率微调（AFT）电路）电路 自动频率调整自动频率调整(AFT)电路也称为自动频率控制电路也称为自动频率控制(AFC)电电路，是接收机中的重要电路之一。路，是接收机中的重要电路之一。它由反馈控制电路它由反馈控制电路及可控频率器件组成及可控频率器件组成,如图如图8-1-11所示。所示。图8-1-11 AFT电路的组成15LiI图图8-1-12所示为超外差电视接收机中的自动频率控制电所示为超外差电视接收机中的自动频率控制电路，又称为自动频率微调路，又称为自动频率微调(AFT)电路电路,其作用是使本振频其作用是使本振频率稳定率稳定,以保证接收机稳定工作其中本振频率为以保证接收机稳定工作其中本振频率为接收的高频已调信号的载波频率为接收的高频已调信号的载波频率为,混频器输出的中频混频器输出的中频。，所，所频率为频率为图 8-1-12 电视接收机中的 AFT 电路框图 16图8-1-13 电视接收机中的AGC和AFT电路17图8-1-14 调频收音机中的AFC电路188.2 自动相位控制（自动相位控制（APC）电路）电路 自动相位控制（自动相位控制（APC）电路又称为锁相）电路又称为锁相(PLL)。图。图8-2-1 所示是简单的锁相环电路组成框图。所示是简单的锁相环电路组成框图。它的控制对象是它的控制对象是VCO。反馈控制电路由鉴相器和低通。反馈控制电路由鉴相器和低通滤波器组成。滤波器组成。晶振鉴相器(PD)LPF压控振荡器(VCO)iuioooudUcU图8-2-1 锁相环路的组成19iooiioeAPC电路也是一种实现频率跟踪的自动控制电路。但在电路也是一种实现频率跟踪的自动控制电路。但在与与VCO的振荡角频率的振荡角频率之间保持预定的关系之间保持预定的关系(如如=)。在满足这种预定关系。在满足这种预定关系与与率差率差,而是利用它们之间的相位误差而是利用它们之间的相位误差,即环路保持一个固定即环路保持一个固定,因此因此,环路的锁定是指相位的锁定。环路的锁定是指相位的锁定。APC 电路中电路中,输入信号的角频率输入信号的角频率时时,环路进入锁定状态。但这时不是利用环路进入锁定状态。但这时不是利用之间的频之间的频的相位差的相位差APC系统的主要特性有系统的主要特性有:a)环路锁定时无频差。环路锁定时无频差。b)良好的窄带跟踪特性。良好的窄带跟踪特性。c)良好的调制跟踪特性。良好的调制跟踪特性。d)门限性能好。门限性能好。e)易于集成化。易于集成化。208.2.1集成锁相环的基本部件及相位模型集成锁相环的基本部件及相位模型 集成锁相环是将图集成锁相环是将图8-2-1所示的锁相环中的重要部件鉴相所示的锁相环中的重要部件鉴相器、器、压控振荡器及某些特殊的器件集成在同一基片上，压控振荡器及某些特殊的器件集成在同一基片上，各部分之间采用部分连接或都不连接的一种集成电路。各部分之间采用部分连接或都不连接的一种集成电路。图8-2-1 锁相环路的组成218.2.1.1 鉴相器鉴相器(PD)iuoudu它的作用是检测出它的作用是检测出和和两个电压之间的相位差两个电压之间的相位差,。产生相应的输出电压产生相应的输出电压图8-2-2 鉴相器电路模型和相位模型22)(siniiimittUu)(cosooomottUuiuou为输入信号为输入信号,为为VCO输出电压输出电压,两信号正交两信号正交,即即)(itiiu)(otoouoiu其中，其中，是以是以为参考的为参考的的瞬时相位；的瞬时相位；是以是以为参考的为参考的的瞬时相位。若以的瞬时相位。若以为参考频率为参考频率,则则相位可写为相位可写为 的总的总)()()(ioioiittttt)(iott)()()(ioiitttoiu式中，式中，是以是以为参考角频率时为参考角频率时的瞬时相位。的瞬时相位。于是有于是有)(sinioimittUu)(sinooomottUu23将式将式(8-2-2)、式、式(8-2-3)两式相乘两式相乘,滤除滤除2o获得鉴相器输出误差电压获得鉴相器输出误差电压 分量分量,即可即可)(sinoddtKu(8-2-4)(sinooomottUu)(coseddtKu若若,则则鉴相器的特性称为余弦鉴相特性鉴相器的特性称为余弦鉴相特性,这时这时图8-2-3 VCO的控制特性和相位特性248.2.1.2 压控振荡器压控振荡器(VCO)压控振荡器是一个电压压控振荡器是一个电压频率转换器频率转换器,其瞬时角频率其瞬时角频率o(t)cu的函数的函数,控制特性如图控制特性如图8-2-3a所示。所示。是控制电压是控制电压在环路锁定点附近在环路锁定点附近,VCO 的控制特性呈线性。的控制特性呈线性。)()(c0ootuKt(8-2-5)VCO输出的总相位为输出的总相位为 tduKt0c0o)()()(c0tuPK258.2.1.3环路滤波器环路滤波器 环路低通滤波器主要用于滤除鉴相器输出电流中一些无环路低通滤波器主要用于滤除鉴相器输出电流中一些无用的组合频率及干扰用的组合频率及干扰,以提高环路的稳定性。以提高环路的稳定性。锁相环中锁相环中常用的环路滤波电路有简单常用的环路滤波电路有简单RC 低通滤波器或有源低通滤波器或有源RC低低通滤波器。通滤波器。)(fPK)(ctu tud图8-2-4 环路滤波器模型环路滤波器传递函数的通式为环路滤波器传递函数的通式为)()(fFsFKsK(8-2-7)()()(dfctuPKtu(8-2-8)式中，式中，)(fpK为滤波器的传递函数。为滤波器的传递函数。268.2.1.4 锁相环的相位模型锁相环的相位模型)(it)(ot)(dtu)(et sindK)(fPK)(ctu)(0PK to图8-2-5 锁相环的相位模型如图如图8-2-5所示的锁相环路的相位模型所示的锁相环路的相位模型 由该模型可得到环路的基本方程由该模型可得到环路的基本方程:)(sin1)()()()()(e0fdioietpKpKKtttt(8-2-9)即即)(sin)()()(e0fdeitKpKKtptp(8-2-10)或表示为或表示为 cso（8-2-11）oiees)()(dttdtp称为锁相环路的瞬时角频差称为锁相环路的瞬时角频差 0ooc称为环路的控制频差称为环路的控制频差 0oio称为输入固有角频差称为输入固有角频差 278.2.2 锁相锁相环的环的自动自动调节调节过程过程 图8-2-锁相环的捕捉过程28锁相环路通常还用同步范围和捕捉范围来说明环路的频锁相环路通常还用同步范围和捕捉范围来说明环路的频率率电压特性，如图电压特性，如图8-2-8所示。所示。图8-2-8 锁相环的频率-电压特性298.3集成锁相环的应用集成锁相环的应用 8.3.1 通用集成锁相环组成锁相解调电路通用集成锁相环组成锁相解调电路 图8-3-1 NE562的组成框图308.3.1.3 偏