第9章 反馈控制电路 (2)精选文档.ppt

第第9章章 反馈控制电路反馈控制电路本讲稿第一页，共三十五页1、反馈控制电路的作用、反馈控制电路的作用6-1 反馈控制电路概述反馈控制电路概述2 2、基本工作原理、基本工作原理比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控可控器件器件反馈网络反馈网络根据输入比较信号的不同，比较器可以是：电压比较器电压比较器、频率频率比较器（鉴频器）比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）相位比较器（鉴相器）；误差信号和控制信号一般为电压；可控参数为增益或频率；输出信号为电压、频率或相位。一、概述一、概述比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控可控器件器件反馈网络反馈网络本讲稿第二页，共三十五页3、分类、分类自动增益控制（自动增益控制（自动增益控制（自动增益控制（AGCAGC）：）：）：）：在输入信号幅度变化很大的在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路。内变化的一种自动控制电路。自动频率控制（自动频率控制（自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）：）：）：）：是一种频率反馈控制系统，是一种频率反馈控制系统，AFC电路控制的是信号的电路控制的是信号的频率频率。自动相位控制（自动相位控制（自动相位控制（自动相位控制（APCAPC）：）：）：）：又叫锁相环路。又叫锁相环路。(Phase Locked Loop,简称简称PLL)，是一种相位反馈控制系统，是一种相位反馈控制系统，锁相环路控制的是信号的锁相环路控制的是信号的相位相位。根据比较器和可控器件比较和调节的参量不同，根据比较器和可控器件比较和调节的参量不同，可以分为以下三类：可以分为以下三类：本讲稿第三页，共三十五页二、自动电平控制电路二、自动电平控制电路1、基本组成及工作原理、基本组成及工作原理比较比较放大器放大器直流直流放大器放大器可控增益可控增益放大器放大器振幅振幅检波器检波器Vim一定一定本讲稿第四页，共三十五页2、应用举例、应用举例无线电接收机中，由于天线上感生的信号强度变化范围大，使扬声器发出忽强忽弱的声音，可采用自动增益控自动增益控制电路制电路，压缩有用信号的变化范围。高频高频放大器放大器混频器混频器包络包络检波器检波器中频中频放大器放大器低频低频放大器放大器AGC检波器检波器直流直流放大器放大器本讲稿第五页，共三十五页AGC电路电路 检测出输出信号的电平值，输出一个反检测出输出信号的电平值，输出一个反映其输入信号电平的信号，输出与输入信号映其输入信号电平的信号，输出与输入信号电平成线性关系，通常电平检测电路是由电平成线性关系，通常电平检测电路是由检检波器波器担任担任。电平检测电路电平检测电路本讲稿第六页，共三十五页滤波器滤波器 用以控制用以控制AGC电路的响电路的响应时间。也就是决定当输入应时间。也就是决定当输入电平以不同的频率变化时输电平以不同的频率变化时输出电平将怎样变化。常用的出电平将怎样变化。常用的是单节是单节RC积分电路积分电路。比较器比较器 将给定的基准电平将给定的基准电平与滤波器的输出电压信号进行比较，与滤波器的输出电压信号进行比较，输出两者的差值，即误差信号。输出两者的差值，即误差信号。本讲稿第七页，共三十五页控制信号产生电路控制信号产生电路 将误差信号转换为将误差信号转换为适应可变增益电路所需适应可变增益电路所需要的控制信号。要的控制信号。可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。要求这个电路在增益变化时，不使信号产生线性或要求这个电路在增益变化时，不使信号产生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化范围大。非线性失真。同时要求它的增益变化范围大。可控增益电路可控增益电路本讲稿第八页，共三十五页三、自动频率控制电路三、自动频率控制电路1、基本组成及工作原理、基本组成及工作原理混频器混频器放大器放大器差频差频放大器放大器压控压控振荡器振荡器限幅限幅鉴频器鉴频器本讲稿第九页，共三十五页2、应用举例、应用举例混频器混频器放大器放大器及及LP中频中频放大器放大器压控压控振荡器振荡器限幅限幅鉴频器鉴频器包络包络检波器检波器低频低频放大器放大器A、自动频率微调电路、自动频率微调电路B、调频负反馈解调电路、调频负反馈解调电路混频器混频器中频中频放大器放大器压控压控振荡器振荡器限幅限幅鉴频器鉴频器低通低通滤波器滤波器本讲稿第十页，共三十五页6-2 自动相位控制电路（锁相环路自动相位控制电路（锁相环路PLL）一、基本组成一、基本组成鉴相器的输出信号vd(t)是输入信号vi(t)和压控振荡器输出信号vo(t)之间相位差的函数。vd(t)经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分量后，成为压控振荡器的控制电压vp(t)。在vp(t)的作用下，压控振荡器输出信号的频率将发生相应变化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。本讲稿第十一页，共三十五页二、基本工作原理二、基本工作原理本讲稿第十二页，共三十五页两种调节过程两种调节过程(1)环路捕捉过程环路捕捉过程:环路由环路由失锁状态失锁状态进入进入锁定状态锁定状态的过程。环路的过程。环路接通，处于失锁状态，鉴相器输出误差电压为正弦差拍电压接通，处于失锁状态，鉴相器输出误差电压为正弦差拍电压vd(角角频率为频率为 )。角频率。角频率较小较小时，时，vd通过通过LP控制控制VCO输出调频输出调频波，使波，使o向向i摆动，达到锁定状态；角频率较大，差拍电压衰减较摆动，达到锁定状态；角频率较大，差拍电压衰减较大，捕捉时间较长。角频偏太大，将无法捕捉信号频率。能由失锁大，捕捉时间较长。角频偏太大，将无法捕捉信号频率。能由失锁进入锁定所允许的最大角频差的两倍称为环路的捕捉带。进入锁定所允许的最大角频差的两倍称为环路的捕捉带。(2)环路跟踪过程环路跟踪过程:环路锁定后，若信号频率发生变化，产生瞬时环路锁定后，若信号频率发生变化，产生瞬时频差，从而产生瞬时相位差，频差，从而产生瞬时相位差，VCO输出频率得到调整，及时跟踪输输出频率得到调整，及时跟踪输入信号频率，重新维持锁定状态的过程。锁定后能继续维持锁定所允入信号频率，重新维持锁定状态的过程。锁定后能继续维持锁定所允许的最大角频差的两倍称为许的最大角频差的两倍称为跟踪带或同步带跟踪带或同步带。本讲稿第十三页，共三十五页两种不同的跟踪状态两种不同的跟踪状态（2）参考信号改变：压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪调制跟踪环路环路”。调制跟踪环路可实现高质量的调角信号的解调。（1）参考信号不变：压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪载波跟踪状态，这叫载波跟踪环载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。本讲稿第十四页，共三十五页三、三、PLL各部件的特性与数学模型各部件的特性与数学模型1、鉴相器、鉴相器（PD）常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样鉴相器和鉴频鉴相器等。作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器正弦鉴相特性的鉴相器。式中，为输入信号 的瞬时相位；为压控振荡器输出信号 的瞬时相位。本讲稿第十五页，共三十五页 设相乘器的相乘系数为 k，单位为1/V。输入信号为：假设输出信号为：统一参考相位：统一参考相位：一般两信号的频率是不同的。为了便于比较，现统一以现统一以VCO 的自由振荡相位的自由振荡相位 为参考为参考式中：改写输入和输出信号表示式：改写输入和输出信号表示式：输入信号相位可改写为：本讲稿第十六页，共三十五页 输入信号与输出信号经过相乘器后得到：再经过低通滤波滤除 成分，便得到误差电压：令 ，不难看出Kd 为鉴相器的最大输出电压，它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。正弦鉴相器的数学模型正弦鉴相器的数学模型本讲稿第十七页，共三十五页2、环路滤波器、环路滤波器（LF）锁相环路中采用线性低通滤波器线性低通滤波器，主要有两个功能：1）滤除误差信号中的高频分量；2）为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。环路滤波器由线性元件，电阻、电容和运算放大器组成。环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶滤波电路。本讲稿第十八页，共三十五页滤波电路形式滤波电路形式直通电路直通电路RC积分滤波器积分滤波器无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器理想积分滤波器理想积分滤波器本讲稿第十九页，共三十五页3、压控振荡器、压控振荡器(VCO)0 在一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制电压呈线性关系，即：PLL中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬瞬时相位时相位。VCO称为环路中的固有积分环节环路中的固有积分环节 VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。要求：频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度好；线性区域要宽；噪声尽可能低 。本讲稿第二十页，共三十五页VCO的数学模型的数学模型 时域模型：时域模型：本讲稿第二十一页，共三十五页4、PLL的相位数学模型与环路方程的相位数学模型与环路方程原理方框图原理方框图PDLFVCO相位数学模型相位数学模型本讲稿第二十二页，共三十五页PLL环路的非线性微分方程环路的非线性微分方程。令 ，为环路增益，单位为为环路增益，单位为从相位数学模型可得到从相位数学模型可得到PLL环路的非线性微分方程环路的非线性微分方程本讲稿第二十三页，共三十五页讨论：讨论：第一项是第一项是瞬时相位误差e(t)对时间的微分，e(t)是输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时频差瞬时频差。第二项第二项是压控振荡器在控制电压vp(t)的作用下所产生的角频率变化量，所以一般称为控制频差控制频差。第三项第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它不随时间变化而是决定于环路开始工作时的状态，称为称为“初始频差初始频差”。在闭环后的任何时刻，初始频差总等于瞬时频差和控制频差的代在闭环后的任何时刻，初始频差总等于瞬时频差和控制频差的代数和数和。在锁定时刻，在锁定时刻，是常数，所以控制频差等于初始频差。是常数，所以控制频差等于初始频差。本讲稿第二十四页，共三十五页6、3 锁相环的应用锁相环的应用一、一、锁相环在解调和接收机中的应用锁相环在解调和接收机中的应用鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器1、调频波解调电路、调频波解调电路2、调幅波的同步检波、调幅波的同步检波鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器同步同步检波器检波器/2相移器相移器3、锁相接收机、锁相接收机本讲稿第二十五页，共三十五页二、锁相环在频率合成器中的使用二、锁相环在频率合成器中的使用具有大量的可供用户选择和迅速更换的载频信号。具有大量的可供用户选择和迅速更换的载频信号。这些频率点的载波频率具有较高的稳定度与精度。这些频率点的载波频率具有较高的稳定度与精度。采用频率合成，可以用一个或多个基准频率，通过一定的变换采用频率合成，可以用一个或多个基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。各离散频率点能方便地变换。各离散频率点能方便地变换。1、概、概 述述近代通信系统要求通信机：近代通信系统要求通信机：本讲稿第二十六页，共三十五页2、频率合成的基本方法、频率合成的基本方法A、直接频率合成法、直接频率合成法 采用混频器、倍频器混频器、倍频器、分频器分频器和滤波器滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为直接频率合成法。倍频器倍频器分频器分频器混频器混频器 频率间隔为：离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。主要缺点：主要缺点：有较多非线性电路，可能产生寄生干扰，使输输出信号频谱纯度降低出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，使设备体积庞大，造价也十分高使设备体积庞大，造价也十分高。本讲稿第二十七页，共三十五页B、间接式频率合成（锁相频率合成）、间接式频率合成（锁相频率合成）取样锁相环：取样锁相环：它是用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。锁相环路具有良好的窄带滤波特性窄带滤波特性，故其输出信号质量得到明显的改善。主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化易于得到大量的离散频率；易于集成化。主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。不能做得很小。本讲稿第二十八页，共三十五页C、直接数字频率合成（、直接数字频率合成（DDS）在存储器存入合成波形的在存储器存入合成波形的M个均匀间隔的样品。个均匀间隔的样品。以均匀速率把这些样品输出到以均匀速率把这些样品输出到DAC变换成模拟阶梯信号。变换成模拟阶梯信号。经低通滤波器平滑，便得到所需波形。经低通滤波器平滑，便得到所需波形。主要优点：相位连续；分辨力高（可达主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频率范）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。频率转换），以及成本低、控制灵活等。主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平可能很高。率；总输出噪声电平可能很高。DDS（Direct Digtial Frequency Synthesis）是一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术。本讲稿第二十九页，共三十五页3、频率合成器的主要技术指标、频率合成器的主要技术指标工作频率范围工作频率范围频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围。围，称为频率合成器的工作频率范围。频率间隔频率间隔每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔。又称分辨力。率间隔。又称分辨力。频率转换时间频率转换时间由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。达到稳定工作所需的时间。频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度频谱纯度频谱纯度本讲稿第三十页，共三十五页4、锁相频率合成电路原理、锁相频率合成电路原理A、锁相倍频电路、锁相倍频电路鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器分频器分频器N本讲稿第三十一页，共三十五页B、锁相混频电路、锁相混频电路鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器混频器混频器中频中频放大器放大器本讲稿第三十二页，共三十五页C、锁相频率合成器、锁相频率合成器晶振晶振前置前置分频器分频器M鉴相器鉴相器kd环路环路滤波器滤波器HF(s)压控压控振荡器振荡器Ao /s可变可变分频器分频器N单环频率合成器单环频率合成器本讲稿第三十三页，共三十五页单环频率合成器的缺陷单环频率合成器的缺陷解决办法：解决办法：加入锁相混频电路，采用多环方案。本讲稿第三十四页，共三十五页例：双环频率合成器例：双环频率合成器混频混频带通带通鉴相鉴相低通低通VCOVCO低通低通鉴相鉴相分频分频N2分频分频N1分频分频N2分频分频N3本讲稿第三十五页，共三十五页