第八章反馈控制电路PPT讲稿.ppt
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1、第八章反馈控制电路第1页,共97页,编辑于2022年,星期三图82 具有AGC电路的接收机组成框图8.1 自动增益控制电路(自动增益控制电路(AGC)无线通信中,接收机所接收的信号变化很大(几V至几mV),电路增益不变的后果:过弱信号又无法接收;过强信号会导致接收机饱和或阻塞。1.AGC1.AGC电路的作用:电路的作用:信号强度变化时,通过信号强度变化时,通过调节放大器的增益调节放大器的增益,使,使 接收机输出基本不变(保持恒定)。接收机输出基本不变(保持恒定)。第2页,共97页,编辑于2022年,星期三图83 自动增益控制电路框图 一、工作原理第3页,共97页,编辑于2022年,星期三二、A
2、GC电路1简单AGC电路简单AGC的参考电平Ur0。AGC的特性曲线如图。图8.4 简单AGC特性曲线只要输入信号振幅Ui增加,AGC就使增益Kv减小,使输出信号振幅Uo减小。适用:输入信号较大的场合。第4页,共97页,编辑于2022年,星期三则:第5页,共97页,编辑于2022年,星期三图85 延迟AGC特性曲线 2延迟AGC电路延迟AGC有一起控门限(即参考电压Ur),它与输入信号振幅Uimin对应,如图。图86 延迟AGC电路 第6页,共97页,编辑于2022年,星期三3前置AGC、后置AGC、基带AGC前置AGC:反馈信号从高频(或中频)信号中提取,控制高频(或中频)放大器的增益。后置
3、AGC:反馈信号从解调后提取,控制高频(或中频)放大器的增益。基带AGC:整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。第7页,共97页,编辑于2022年,星期三三、AGC的性能指标 1动态范围 增益动态范围越大,性能就越好。2响应时间 AGC电路的响应时间主要由低通滤波器的带宽决定:带宽大,则响应时间短,容易出现反调制现象。要求AGC既能跟上输入信号振幅的变化,又不出现反调制现象(AM信号有用幅度变化被AGC作用抵消)。第8页,共97页,编辑于2022年,星期三8.2 自动频率控制电路(自动频率控制电路(AFC)一、工作原理:用频率误差电压消除频率偏差。AFC电路组成:频率比较器、低通滤波器、可控
4、频率器件(压控振荡器VCO)三部分,如图。AFC是稳定频率的方法之一。图87 自动频率控制电路的组成二、主要指标:暂态和稳态响应、跟踪特性。第9页,共97页,编辑于2022年,星期三图8.8 调频通信机的AFC系统方框图三、三、AFC应用应用1自动频率微调电路(简称AFC电路)以固定中频fI作为鉴频器的中心频率。图89 AFT原理方框图 2.电视自动微调(AFT)第10页,共97页,编辑于2022年,星期三.频率准确跟踪频率准确跟踪.良好窄带高频跟踪(称载波跟踪型)良好窄带高频跟踪(称载波跟踪型).良好带通滤波性能(称调制跟踪型)良好带通滤波性能(称调制跟踪型).门限效应好门限效应好.易集成化
5、,数字化易集成化,数字化20世纪世纪70年代年代成为现代通信、电子技术领域中不成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要控制技术可缺少的重要控制技术20世纪世纪80年代以后年代以后数字锁相、集成锁相以及频率数字锁相、集成锁相以及频率合成技术,大大推合成技术,大大推 动数字通信、动数字通信、卫星通信的发展。卫星通信的发展。锁相环路的特点:锁相环路的特点:8.3 8.3 锁相环的基本原理锁相环的基本原理第11页,共97页,编辑于2022年,星期三图810 锁相环的基本构成一、PLL结构、工作原理锁相环是一个相位负反馈控制系统。第12页,共97页,编辑于2022年,星期三 输出频率偏离0(VCO自由
6、振荡频率)的量。2.锁定后,PLL的状态:锁定后的相位差:应为一固定的稳态值,故:锁定后输出信号的频率:第13页,共97页,编辑于2022年,星期三未锁定未锁定锁定锁定第14页,共97页,编辑于2022年,星期三图811 正弦鉴相器电路模型二、环路数学模型(相位模型)、环路基本方程先建立其3个基本部件的数学模型,据此再建立环路的数学模型。1.鉴相器数学模型图812 鉴相器的频域数学模型第15页,共97页,编辑于2022年,星期三图813 正弦鉴相器的鉴相特性第16页,共97页,编辑于2022年,星期三图814 环路滤波器的模型2.环路滤波器(低通)数学模型是一个线性低通滤波器,滤除ud(t)中
7、的高频分量和噪声,对环路参数调整起到决定性的作用。时域模型频域模型第17页,共97页,编辑于2022年,星期三图8.15 RC积分滤波器1)RC积分滤波器 是最简单的低通滤波器,电路如图。传递函数:组成频率特性第18页,共97页,编辑于2022年,星期三图816 无源比例积分滤波器2)无源比例积分滤波器与RC积分滤波器相比差别:电容C串联了电阻R2,这样增加了一个可调参数。传递函数:组成频率特性第19页,共97页,编辑于2022年,星期三图817 有源比例积分滤波器3)有源比例积分滤波器电路频率特性第20页,共97页,编辑于2022年,星期三图818 VCO的数学模型 3.压控振荡器第21页,
8、共97页,编辑于2022年,星期三图819 锁相环路的相位模型 4.环路相位模型、环路基本方程A.环路相位模型B.环路基本方程因为第22页,共97页,编辑于2022年,星期三基本方程的物理意义:C.基本方程的物理意义:各项的物理意义:第23页,共97页,编辑于2022年,星期三三、锁相环工作过程(定性分析)锁相环基本方程是非线性微分方程,求解极为困难,工程上一般根据工作条件进行合理近似处理。工作过程:锁定 跟踪 失锁 捕获1.锁定状态:第24页,共97页,编辑于2022年,星期三2.跟踪过程同步带:环路能够维持锁定状态的 固有频差最大值。第25页,共97页,编辑于2022年,星期三3.失锁状态
9、是瞬时频差(r-v)总不为0的状态。失锁状态时,存在频率牵引效应:失锁时,鉴相器输出电压ud(t)为一上下不对称的稳定差拍波,其平均分量为一恒定直流。该恒定直流电压经环路滤波器后,使VCO的平均频率v偏离0,向r靠拢,这就是环路的频率牵引效应。第26页,共97页,编辑于2022年,星期三4.捕获过程:环路由失锁进入锁定的过程。(先进行频率捕捉,然后进行相位捕捉)开机瞬间,鉴相器两输入信号间的频差为0,对应的相位差0t。因此,鉴相器输出信号为:第27页,共97页,编辑于2022年,星期三图820 频率捕获锁定示意图捕获带:失锁状态下能使环路经频率牵引,最终锁定的最大固有频差第28页,共97页,编
10、辑于2022年,星期三四、锁相环路的线性分析:跟踪特性、频率响应锁相环路线性分析的前提是环路同步。线性分析实际上是鉴相器的线性化。(压控振荡器只要恰当地设计与使用就可以做到控制特性线性化。)跟踪过程中,一般很小,鉴相器鉴相特性为正弦型时,图821 正弦鉴相器线性化特性曲线第29页,共97页,编辑于2022年,星期三 图822 线性化鉴相器的模型图823 锁相环的线性相位模型(时域)第30页,共97页,编辑于2022年,星期三取拉氏变换,可得到相应复频域中的线性相位模型,如图。图824 锁相环的线性相位模型(复频域)第31页,共97页,编辑于2022年,星期三环路的传递函数有3种:(用于研究环路
11、的同步性能)(1)开环传递函数。研究开环e(t)=1(t)时,由输入相位1(t)所引起的输出相位2(t)的响应,为开环(847)(2)闭环传递函数:研究闭环时,由1(t)引起输出相位2(t)的响应,为(848)(3)误差传递函数:研究闭环时,由1(t)所引起的误差响应e(t),为线性微分方程,可采用传递函数来分析。第32页,共97页,编辑于2022年,星期三 Ho(s)、H(s)、He(s)是研究锁相环路同步性能最常用的三个传递函数,三者之间存在如下关系:第33页,共97页,编辑于2022年,星期三 表8.1 2种滤波器对应的环路传输函数比较 第34页,共97页,编辑于2022年,星期三表82
12、 PLL的响应在性质上可以为非谐振型或振荡型,系统的特性可通过以下2参数来描述:第35页,共97页,编辑于2022年,星期三1跟踪特性衡量跟踪性能好坏的指标是跟踪相位误差,即:相位误差函数e(t)的暂态响应和稳态响应。暂态响应:用来描述跟踪速度的快慢及跟踪过程中相位误差波动的大小。稳态响应:是当t时的相位误差值,表征系统的跟踪精度。第36页,共97页,编辑于2022年,星期三下面分析:理想二阶环对于频率阶跃信号的暂态误差响应。进行拉氏反变换,得相位误差响应曲线如图8.25第37页,共97页,编辑于2022年,星期三图825 理想二阶环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线第38页,共97页,编辑于2
13、022年,星期三暂态响应曲线特点:(1)暂态过程的性质由决定。当1时,暂态过程是衰减振荡,环路处于欠阻尼状态;当1时,暂态过程按指数衰减,尽管可能有过冲,但不会在稳态值附近多次摆动,环路处于过阻尼状态;当=1时,环路处于临界阻尼状态,暂态过程没有振荡。(2)当1时,暂态过程的振荡频率为(1-2)1/2n。若=0,则振荡频率等于n。所以n作为无阻尼自由振荡角频率的物理意义很明确。(3)二阶环暂态过程有过冲现象,过冲量的大小与值有关。越小,过冲量越大,环路相对稳定性越差。(4)暂态过程是逐步衰减的,衰减到多少才认为暂态过程结束,,取决于如何选择暂态结束的标准。第39页,共97页,编辑于2022年,
14、星期三稳态相位误差:用来描述环路最终能否跟踪输入信号的相位变化,以及跟踪精度与环路参数之间的关系。求解稳态相差e()的方法有两种:(1)由前面求出的e(t),令t即可求出(2)利用拉氏变换的终值定理,直接从e(s)求出 表 83 不同环的稳态相位误差第40页,共97页,编辑于2022年,星期三由表8.13可见稳态相位误差特点:(1)同一环路对不同输入的跟踪能力不同:输入变化越快,跟踪性能越差,e()=意味着环路不能跟踪。(2)同一输入,环路滤波器不同的环路,跟踪性能不同。可见环路滤波器对改善环路跟踪性能的作用。(3)同是二阶环,对同一信号的跟踪能力与环路的“型”有关(即环内理想积分因子1/s的
15、个数)。(4)理想二阶环(二阶型)跟踪频率斜升信号的稳态相位误差与扫瞄速率R成正比。第41页,共97页,编辑于2022年,星期三2.频率响应是决定锁相环对信号和噪声过滤性能好坏的重要特性,由此可判断环路的稳定性,并进行校正。采用RC积分滤波器,其传递函数如式(822)所示,则闭环传递函数为(858)相应的幅频特性为(859)第42页,共97页,编辑于2022年,星期三 图8-26 闭环幅频特性可见具有低通滤波特性。环路带宽:第43页,共97页,编辑于2022年,星期三五、锁相环路的应用以上讨论了锁相环路的几个重要特性:(1)锁定后没有剩余频差。VCO的输出频率严格等于输入信号的频率。(2)跟踪
16、特性。环路锁定后,当输入信号频率i稍有变化时,VCO的频率立即发生相应的变化,最终使VCO输入频率r=i。(3)滤波特性。环路滤波器具有窄带滤波特性,锁相环能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。(4)易于集成化。环路的基本部件都易于采用模拟集成电路。环路实现数字化后,更易采用数字集成电路。锁相环路广泛地应用于:电视彩色副载波提取,调频立体声解码、电机转速控制、微波频率源、锁相接收机、移相器、位同步、以及各种调制方式的调制器和解调器、频率合成器等。第44页,共97页,编辑于2022年,星期三下面介绍锁相环的几种应用:1.锁相环调频、锁相环解调FM信号 锁相环调频特点:调频信号中心频率锁定在晶
17、振频率上,高度稳定。图827 锁相环路调频器方框图第45页,共97页,编辑于2022年,星期三调制跟踪锁相环本身就是一个调频解调器。它利用锁相环路良好的调制跟踪特性,使锁相环路跟踪输入调频信号瞬时相位的变化,从而使VCO控制端获得解调输出。锁相环鉴频器的组成如图828所示。图828 锁相鉴频器 第46页,共97页,编辑于2022年,星期三第47页,共97页,编辑于2022年,星期三图829 NE562调频解调器第48页,共97页,编辑于2022年,星期三图830 AM信号同步检波器 利用锁相环跟踪AM信号中的载波分量,再经90移相,用作同步检波器的相干载波。与AM波在非线性器件中乘积检波,输出
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