2022年反馈控制电路r .pdf

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1、根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有：简称 APC，用于锁定相位，故又称锁相环路，简称PLL 。简称 AFC ，用于维持工作频率稳定。又称自动电平控制电路，简称AGC ，用于控制输出信号大小。引言7.1 自动增益控制电路主要要求：了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。了解常用增益控制电路。7.1.1 自动增益控制电路的作用作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号ui 幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化一、 AGC 的组成、工作原理与作用具有简单 AGC 的调幅接收机框图反馈控制器LPF 简单 AGC 缺点：只要有输入信号，AGC 就起控制作用，对接收弱信

2、号不利。二、 AGC 的应用是高性能接收机的重要辅助电路具有延迟式AGC 的调幅接收机框图当 AGC 检波器输入信号幅度小于UR 时， AGC 检波器不工作，AGC 电压为零， AGC 不起控制作用。当 AGC 检波器输入信号幅度大于UR 时，AGC 电路才起控制作用。7.1.2 增益控制电路1. 控制晶体管发射极电流实现增益控制AGC 放大电路Au gmgm IE / UT 当信号电压 ,使 -UC，则 IE , gm , Au 通常将控制电压加至基极或发射极2. 差分放大器增益控制电路通过改变对管的电流分配比、负反馈深度、恒流源电流等来实现对增益的控制。ic1 = ic2 + ic3 Ui

3、 一定时，则ic1 一定。若 Uc，则ic2ic3输出电压，Au。利用 Uc 控制 ic2 和 ic3 的分配比来实现增益控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 7.2 自动频率控制电路主要要求：了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。7.2.1 工作原理当fr = fo 时，uD(t) = 0 ，fo 不变当 fr fo 时， uD(t) 正比于（ fo fr ) ，得 uc(t)控制fo 向 fr 接近有剩余

4、频差是AFC 的缺点。鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则 f 越小。经若干调节周期，环路最后锁定在fo = fr + f 这个 f 称为剩余频率误差，简称剩余频差。7.2.2 应用举例广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通滤波和放大电路等，并将本机振荡器改为VCO 。AFC 保证了混频器输出频率接近fI ，从而提高接收机灵敏度和选择性。具有 AFC 的调幅接收机框图具有 AFC 的调频发射机框图鉴频器的中心频率调整在（fr fc ）上。当调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化，经窄带LPF 滤除调

5、制频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。由于fr 稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。7.3 锁相环路（ PLL ）主要要求：掌握 PLL 的作用、基本组成和工作原理了解 PLL 的数学模型了解 PLL 的捕捉与跟踪了解集成 PLL 及其应用7.3.1 锁相环路基本原理鉴相器（ PD） ：用以比较ui、 uo 相位，输出反映相位误差的电压 uD(t) 。环路滤波器（ LF） ：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。压控振荡器（ VCO ） ：在 uC(t) 控制下输出相应频率fo。两个正弦信号的频率和相位之间的关系

6、若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。若 wi wo，则 ui(t) 和 uo(t) 之间产生相位变化，鉴相器输出误差电压uD(t) ，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t) ，控制 VCO 的角频率wo ，去接近 wi 。最终使wi = wo ，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。7.3.2 锁相环路的数学模型一、鉴相器 (PD) 设压控振荡器的输出电压为 o0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率；o(t) 是以 o0 为参考的瞬时相位。环路输入电压ui(t) 为名师资料总结 -

7、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 其相位可改写为则 ui(t) 与 uo(t) 之间的瞬时相位差为以o0 为参考的输入信号瞬时相位。设鉴相器具有正弦鉴相特性，则二、压控振荡器(VCO) 在 uc = 0 附近，控制特性近似线性：以o0 为参考的瞬时相位o(t) 为可见压控振荡器是一个理想的积分器将积分符号用微分算子p=d/dt 的 倒数表示，则得VCO 的控制特性VCO 的相位模型三、环路滤波器(LF) 图（ b）电路的传递函数为

8、将 AF(s) 中的复频率s 用微分算子p 替换，可得四、 PLL 的相位模型和基本方程环路的基本方程式为两边对 t 求导数并移项，得锁相环路相位模型称瞬时角频差，表示VCO 角频率 o 偏离输入角频率i 的数值称控制角频差， 表示压控振荡器在uc(t)=AdAF(p)sine(t) 的作用下， 产生振荡角频率o 偏离 o0 的数值。可见：锁相环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差e(t)与控制角频差 o(t)之和恒等于输入固有角频差i(t) 若输入固有角频差i(t) = i 为常数， 即 ui(t) 为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差e(t)不断减小，而控制角频差o(t)不断

9、增大，两者之和恒等于i，直到瞬时角频差减小到零，控制角频差增大到i ，压控振荡器的振荡角频率o等于输入信号角频率i 时，环路进入锁定。环路锁定时的相位误差e(t) 是一个固定值，用e 表示， 称为剩余相位误差或稳态相位误差。 正是这个稳态相位误差，才使鉴相器输出一个直流电压，控制压控振荡器的振荡角频率，使之等于输入信号角频率。环路锁定时， i 增大，e 也相应增大。说明 i 越大，将VCO 振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越大，因而产生这个控制电压的e 也就越大。 但i 过大，环路将无法锁定，此时环路将不存在使它锁定的e 。7.3.3 锁相环路捕捉与跟踪由失锁进入锁定的过程称为

10、捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用 p 表示。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。 能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带） ，用 H 表示。捕捉过程：失锁锁定跟踪过程：锁定维持锁定当 wi 从低频至高频缓慢变化时wi 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 失锁锁定wb 失锁当 wi 从高频

11、至低频缓慢变化时wc 锁定wd 捕捉带同步带wPwH通常捕捉带小于同步带7.3.4 集成锁相环路一、通用型单片集成锁相环路L562 工作频率达30MHz L562 内部 VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路振荡频率为设起始时V1 导通、V2 截止，则VCC 通过 V3 、 V1 向 C 充电，充电电流为I02 。由于V1 导通时 UE1 VCC UBE(on) ，故C 充电使 UE2 下降， 当其下降到 （ VCC UDUBE(on) ）时， V2 导通 ,使 UC2 由 VCC下降为（ VCC UD） ，致使 V1 截止，VCC 通过 V4、 V2 向 C 反向充电，充电电流为 I01 ，使

12、UE1 下降，直到引起V1 重新导通、V2 又截止。如此循环二、 CMOS 锁相环路CD4046 为数字 PLL 。内有两个PD、VCO 、缓冲放大器、 输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率达1MHz 内部 VCO 产生 50% 占空比的方波。输出电平可与TTL 电平或 CMOS 电平兼容。具有相位锁定状态指示PD由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为VDD/2 ，用以确定VCO 的自由振荡频率。信号输入端： 允许输入0.1V 左右的小信号或方波，经 A1 放大和整形， 提

13、供满足 PD 要求的方波。PD采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，故该PD 能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD，输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PD 。R1 、R2、C 确定 VCO 频率范围。 R1 控制最高频率，R2 控制最低频率。R2= 时，最低频率为零。无输入信号时，PD 将 VCO 调整到最低频率接低电平时才允许VCO 工作7.3.5 锁相环路的应用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页

14、- - - - - - - - - 一、锁相环路的基本特性（1） 环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，没有频率误差。（2） 频率跟踪特性：环路锁定时，VCO 输出频率能在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。（3） 窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。二、锁相鉴频电路工作原理： 输入为调频信号，当环路锁定后， 压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t) 就是输入调频信号的原调制信号。三、调幅波的同步检波有 p/2 固定相移工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，

15、LF 的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有/2 的固定相移，因此须经过/2的移相器加到同步检波器上，这样才能使VCO 输出电压与已调信号的载波电压同相。四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号。采用锁相接收机，利用PLL 的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信号频率进行接收，有效提高输出信噪比。7.4 频率合成器为实现高质量的无线通信，抗干

16、扰， 近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调。频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短。主要要求：掌握频率合成器的作用。了解频率合成器的种类与主要性能指标。掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理。了解提高锁相频率合成器输出频率的方法。7.4 频率合成器7.4.1 频率合成器的主要技术指标1. 频率范围2. 频率间隔（又称分辨率）频率稳定度指： 在规定的观测时间内，输出频率偏

17、离标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。3. 频率转换时间4. 频率稳定度和准确度相邻频率之间的最小间隔。从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和 PLL 的捕捉时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 频率合成器的工作频率范围。5. 频谱纯度5. 频谱纯度指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各

18、寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。多数来自混频器，对称分布于有用信号两侧。7.4.2 锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器环路锁定时fr = fs / R = fo / N 故得fo = N fs/ R = N fr 改变 N 可得不同输出频率。频率分辨率为fr。参考分频器由12 级二进制计数器构成。取分频比R = 28 = 256，则得频率间隔为：fr = 1024kHz/256 = 4kHz 。CD4046 组成的频率合成器实例N 分频器采用可编程分频器CC40103 构成。图中N=29。改变 N 可获得不同频率的信号输出。作业：二、简单频率合成器存在的问题1. 频率间隔不能很小2. 锁

19、相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来1/N。对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N 的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能。3. 输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。fr 小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于fr ，以滤除 PD 输出信号中的参考频率及其谐波分量） ，这使频率转换时的环路捕捉时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的。另外，fr 小不利于降低VCO 引入的噪声。减小频率间隔而不降低参考频率fr 。采用多环式锁相频率合成器。解决问题

20、的方法如下：由于固定分频器速度远比程序分频器的高，故采用由固定分频器与程序分频器组成的吞脉冲可变分频器，可既获得小的频率间隔，又显著提高输出频率。构成吞脉冲锁相频率合成器。三、多环式锁相频率合成器fA = (NA/100)fr fB = NB fr fo = fA + fB fA = fo fB = ( NA /100 NB ) fr 单环名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 单环混频环频率间隔为1kHz 四、吞脉冲锁

21、相频率合成器两种计数模式的固定分频器：控制电平为高电平时，分频比为（P+1） ；控制电平为低电平时，分频比为P。主计数器的模N 必须大于辅助计数器的模A 。吞脉冲程序分频器的工作过程：计数开始时，设模式控制电路输出为高电平1，则双模分频器和主、辅计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满A 个脉冲时，使模式控制电路输出低电平0，使辅助计数器停止计数，同时使双模分频器分频比变为P，继续工作，主计数器也继续计数，直至计满N 个脉冲后，使模式控制电路输出恢复为高电平、双模分频器分频比恢复为（P1） ，电路进入下一个计数周期。1.吞脉冲程序分频器在一个计数周期内，总计脉冲数量为n=(P+1)A

22、+ P (N-A) = PN+A 吞脉冲可变分频器的分频比为f0/ f0 =1/(PN+A) N、A 均为整数 0、1、22. 吞脉冲集成锁相频率合成器吞脉冲程序分频器的分频比是PN+A ，锁相环路锁定时可得f0 =(PN+A) fr 12 位可编程二进制计数器。R: 34095（即 212-1） 。锁定时输出一脉宽极窄的脉冲；失锁时，输出脉宽较宽且不时变化的矩形脉冲。f0 = (PN+A) fr N: 31027 （即 210-1 ）A: 3127 （即 27-1 ）3. MC145146 吞脉冲集成锁相频率合成器MC145 系列集成频率合成器件，采用CMOS 工艺。其中MC145200、M

23、C145201 工作频率可达 2GHz。本章小结通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控制电路（AGC） 、自动频率控制电路（ AFC ）和自动相位控制电路（APC ） ，它们用来改善和提高整机的性能。AGC 用来稳定输出电压或电流的幅度；AFC 用于维持工作频率的稳定；APC 又称锁相环路（PLL ） ，用于实现两个电信号的相位同步。锁相环路是利用相位的调节以消除频率误差的自动控制系统，由鉴相器、 环路滤波器、 压控振荡器等组成。当环路锁定时，环路输出信号频率与输入信号（参考信号）频率相等，但两信号之间保持一恒定的剩余相位误差。锁相环路广泛应用于滤波、频率合成、调制与解调等方面。在

24、锁相环路中应搞清楚两种自动调节过程，若锁相环路的初始状态是失锁的，通过自身的调节，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程，称为跟踪过程。捕捉特性用捕捉带表示，跟踪特性用同步带表示。锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路构成，基准频率产生器为合成器提供高稳定的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 参考频率，锁相环路则利用其良好的窄带跟踪特性，使输出频率保持在参考频率的稳定度上。采用多环锁相或吞脉冲可变分频器，可使锁相频率合成器的工作频率提高，又可获得所需的频率间隔。感谢使用本高频电子线路电子教案欢迎提出宝贵意见名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -