第五章：反饋控制電路

鄧

鋼Gdeng@263.net綜述(一)綜述與內容提要反饋控制電路可在系統受到擾動時，通過反饋控制作用使系統的某個參數達到所需的精度，或者按照一定的規律變化預先設定控制過程簡述：參考信號不變，輸出信號發生變化參考信號發生變化綜述(二)綜述與內容提要根據需要比較和調節的參數不同，可對反饋控制電路進行分類：AGCAFCAPC(PLL)反饋控制系統的特點：自動進行誤差檢測和調整系統根據誤差信號的變化而進行調整，不管誤差信號由何種原因產生存在剩余誤差基本工作原理(一)第一節：自動增益控制電路基本作用是減小因各種因素引起的系統輸出信號電平的變化范圍，以維持整機輸出穩定在輸入信號幅值變化很大的情況下，通過調節可控增益放大器的增益，使輸出信號幅值(電平)基本恒定或僅在較小范圍內變化的一種電路電路結構及反饋控制過程基本工作原理(二)第一節：自動增益控制電路低通濾波器的作用：濾除調制信號反調制AGC電路的輸入輸出量及其關系靜態誤差的產生自動電平控制電路的類型第一節：自動增益控制電路簡單AGC電路：優點：電路簡單缺點：對微弱信號的接收不利延遲AGC電路：不同輸入信號強度時電路的工作狀態自動電平控制電路的應用第一節：自動增益控制電路自動頻率控制電路的原理第二節：自動頻率控制電路可使用自動頻率控制的方法來穩定振蕩頻率。例如在高質量的接收機中，采用AFC電路對本地振蕩器的頻率進行自動調節，使混頻所得差頻較精確地等于固定中頻，從而提高接收機的靈敏度電路結構及工作過程鎖相環的特點第三節：自動相位控制電路-鎖相環是一種相位反饋控制系統，能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號保持確定的關系可分為模擬鎖相環和數字鎖相環。模擬鎖相環的特征是鑒相器輸出的誤差信號是連續的，對環路輸出信號的調節也是連續的鎖相環的構成(一)第三節：自動相位控制電路-鎖相環鑒相器(PD)實質上是個相位-電壓變換器鎖相環的構成(二)第三節：自動相位控制電路-鎖相環壓控振蕩器(VCO)實質上是個電壓-頻率變換器在一定控制電壓范圍內可近似用線性函數表示壓控特性：：壓控振蕩器的固有角頻率：壓控振蕩器的控制靈敏度(增益系數)第三節：自動相位控制電路-鎖相環鎖相環的構成(三)環路濾波器(LPF)還可使鎖相環獲得所需的帶寬和增益，改善環路的性能以適應對鎖相環多種應用的需要嚴格來說：在鎖相環的分析中，習慣使用微分算子的函數來表示和的關系，即：可濾除鑒相器輸出中包含鑒相輸入信號頻率在內的高頻分量，提高環路的抗干擾能力鎖相環的基本工作原理(一)第三節：自動相位控制電路-鎖相環環路鎖定狀態時的情況即當加到鑒相器上兩個信號的頻率相等時，其瞬時相位差是一個常數即當加到鑒相器上兩個信號的瞬時相位差為常數時，其頻率必然相等鎖相環的基本工作原理(二)第三節：自動相位控制電路-鎖相環當輸入輸出頻率不等時，由鎖相環與AFC均利用誤差信號的反饋作用來控制VCO的振蕩頻率，根本差別在于：可知，VCO的電壓將不斷改變，直至鎖定鎖相環路中的比較器為鑒相器，環路鎖定時存在剩余相差，不存在剩余頻差AFC中的比較器為鑒頻器，環路鎖定時存在剩余頻差鎖相環的數學模型第三節：自動相位控制電路-鎖相環推導可得鎖相環路的基本方程為：環路的鎖定狀態(一)第三節：自動相位控制電路-鎖相環環路鎖定過程簡述鎖定后壓控振蕩器角頻率與輸入信號同頻，但存在穩態相位誤差VCO振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的值，稱為瞬時角頻差閉環后控制電壓作用于壓控振蕩器后引起的輸出角頻率的變化，稱為控制角頻差輸入信號角頻率偏離的數值，稱為環路的輸入固有角頻差，又稱為開環角頻差環路的鎖定狀態(二)第三節：自動相位控制電路-鎖相環當環路鎖定時，有：無環路濾波器的鎖相環稱為一階鎖相環，此時有：環路的鎖定狀態：例一第三節：自動相位控制電路-鎖相環設PD的特性為：VCO的特性為：求輸入角頻率分別為時的穩態相差解：同理可得：故最后一種情況下環路不能鎖定環路的鎖定狀態：例二第三節：自動相位控制電路-鎖相環解：已知一階鎖相環路中正弦鑒相特性的鑒相器的；VCO的，自由振蕩頻率。問當輸入頻率分別為和的正弦信號時，環路能否鎖定？若能鎖定，穩態相差多大，壓控振蕩器的控制電壓多大？故環路不能鎖定環路的鎖定狀態(三)第三節：自動相位控制電路-鎖相環假設環路已處于鎖定狀態，然后緩慢地改變輸入信號頻率，能夠繼續維持環路鎖定所允許的最大輸入固有角頻差的2倍，稱為鎖相環的同步帶或跟蹤帶，用表示故要增大鎖相環的同步帶，必須提高其直流總增益使用正弦型鑒相器時同步帶主要受到VCO最大頻率控制范圍的限制一階環路的平衡點第三節：自動相位控制電路-鎖相環在A、B兩點時：A、B兩點的區別一階環路的捕捉過程第三節：自動相位控制電路-鎖相環捕捉是指鎖相環路從失鎖狀態進入到鎖定狀態的過程捕捉時間捕捉帶：環路由失鎖到鎖定所允許的最大固有角頻差(或固有頻差)的含義對于一階環路來說，其捕捉帶與同步帶相等一階環路的差拍狀態第三節：自動相位控制電路-鎖相環差拍狀態的含義一階環路的頻率牽引第三節：自動相位控制電路-鎖相環差拍狀態狀態下盡管環路不能鎖定，但卻能使壓控振蕩器的頻率向著縮小頻差方向牽引，即向著鎖定方向牽引牽引作用隨著的增大而減弱一階鎖相環的頻率牽引特性環路的跟蹤過程第三節：自動相位控制電路-鎖相環環路鎖定時，輸入信號頻率與輸出信號頻率相同，但兩者之間有一穩態相差跟蹤的定義鎖定狀態：相對于頻率和相位固定的輸入信號而言跟蹤狀態：相對于頻率和相位變化的輸入信號而言當輸入信號的頻率和相位改變時，只要相位變化不超過一定的范圍，通過環路的作用，壓控振蕩器輸出的頻率和相位也會以同樣規律隨之變化，不斷地跟蹤輸入信號頻率和相位的變化，這種情況稱為環路處于跟蹤狀態鎖相環的重要特性第三節：自動相位控制電路-鎖相環環路在鎖定狀態時無剩余頻差存在是一個理想的頻率控制系統輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入信號的變化。環路鎖定后，輸入信號和輸出信號之間的穩態相位誤差可以通過增加環路增益的辦法被控制在所需數值范圍之內對干擾來說，相當于一個窄帶高頻帶通濾波器良好的跟蹤特性良好的窄帶濾波特性在調制指數相同時要低于普通鑒頻器良好的門限特性易于集成化鎖相調頻電路第三節：自動相位控制電路-鎖相環對調頻波的基本要求：中心頻率足夠穩定，頻偏足夠寬由于中心頻率的漂移為慢變化，而調制信號頻率較高，若低通濾波器的通帶能夠濾除調制信號的頻譜，則可實現要求VCO的振蕩頻率同時受輸入調制信號和反映VCO中心頻率漂移的電壓控制鎖相鑒頻電路第三節：自動相位控制電路-鎖相環要求LPF在調制信號的有效頻譜范圍內有平坦的幅頻特性和相頻特性注意對VCO和LPF的要求若環路帶寬設計得足夠寬，則環路鎖定時VCO能夠跟蹤輸入調頻波中反映調制規律變化的瞬時頻率，此時VCO輸入端的控制電壓必然和輸入調頻波頻率的變化規律相同，故從LPF輸出端即可得到解調信號是調制跟蹤型鎖相環路同步檢波電路第三節：自動相位控制電路-鎖相環窄帶跟蹤濾波器第三節：自動相位控制電路-鎖相環混頻器輸出的中頻被鎖定在本地標準中頻上低通濾波器的帶寬很窄，調制信號分量不能進入環路，只對緩慢變化的頻移進行調整，從而提高了接收機的靈敏度載波頻率的變化范圍可以超過等效窄帶濾波器的通頻帶，但限制在壓控振蕩器的可控振蕩頻率范圍內。其工作條件是載