高频电子线路反馈与控制.ppt

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1、1 第第10章章 反馈控制电路反馈控制电路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 3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

2、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。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(Automati

3、c 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馈这是应用最广的一种反馈控制电路。控制电路。5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

4、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

5、的输入信号强度发生变化。号强度发生变化。6AGC电路的组成电路的组成 AGC电路的组成框图如图所示电路的组成框图如图所示 78增益控制的方法增益控制的方法 接收机、接收机、发发射机以及其他射机以及其他电电子系子系统统中有多种增益控制的中有多种增益控制的方法。最基本的方法有两种：一是通方法。最基本的方法有两种：一是通过过改改变变放大管的直放大管的直流偏置，改流偏置，改变变放大管的正向放大管的正向传输导纳传输导纳变变增益的目的；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

6、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 当晶体三极管的当晶体三极管的变变化化时时，正向，正向传输导纳传输导纳之之变变化，以此可以改化，以此可以改变变三极管的增益，控制方式分三极管的增益，控制方式分为为正向正向下降；反向下降；反向AGC则则通通过过减小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所示。如图所示。10(2)采用电控衰减器法采用电控衰减器法 11(3)利用利用PIN二极管构成二极管构成AGC电路电路 12(4)双栅场效应管的双栅场效应管的AGC电路电路 13(5)调幅收音机中的

7、调幅收音机中的AGC电路电路 14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,如图所示。如图所示。15 下下图为图为超外差超外差电视电视接收机中的自接收机中的自动频动频率控制率控制电电路，路，又称又称为为自自动频动频率微率微调调(AFT)电电路路,其作用是使本振其作用是使本振频频率率稳稳定定,以保以保证证接收机接收机稳稳定工作其中本振定工作其中本振频频率率为为接收的高接收

8、的高频频已已调调信号的信号的载载波波频频率率为为,混混频频器器输输出的中出的中频频。，所，所频率为频率为161718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)。下图所。下图所示是简单的锁相环电路组成框图。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。19APC电电路也是一种路也是一种实现频实现频率跟踪的自率跟踪的自动动控制控制电电路。但在路。但在与与VCO的振的振荡荡角角频频率率之之间间保持保持预预定的关系定的关系(

9、如如=)。在。在满满足足这这种种预预定关系定关系与与率差率差,而是利用它而是利用它们们之之间间的相位的相位误误差差,即即环环路保持一个固定路保持一个固定,因此因此,环环路的路的锁锁定是指相位的定是指相位的锁锁定。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。20

10、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 集成锁相环是将下图所示的锁相环中的重要部件鉴相器、集成锁相环是将下图所示的锁相环中的重要部件鉴相器、压控振荡器及某些特殊的器件集成在同一基片上，各部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。分之间采用部分连接或都不连接的一种集成电路。21鉴相器鉴相器(PD)它的作用是它的作用是检测检测出出和和两个两个电压电压之之间间的相位差的相位差,。产生相应的输出电压产生相应的输出电压22为输为输入信号入信号,为为VCO输输出出电压电压,两信号正交两信号正交,即即其中，其中，是以是以为为参考的参考

11、的的瞬的瞬时时相位；相位；是以是以为为参考的参考的的瞬的瞬时时相位。若以相位。若以为为参考参考频频率率,则则相位可写相位可写为为 的总的总式中，式中，是以是以为为参考角参考角频频率率时时的瞬的瞬时时相位。相位。于是有于是有 23将两式所表示的将两式所表示的输输入信号相乘入信号相乘,滤滤除除2获获得得鉴鉴相器相器输输出出误误差差电压电压 分量分量,即可即可若若,则则鉴鉴相器的特性称相器的特性称为为余弦余弦鉴鉴相特性相特性,这时这时24压控振荡器压控振荡器(VCO)压压控振控振荡荡器是一个器是一个电压电压频频率率转换转换器器,其瞬其瞬时时角角频频率率o(t)的函数的函数,控制特性如控制特性如图图a

12、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。VCO输出的总相位为输出的总相位为 25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。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 式中，式中，为滤为滤波器的波器的传递传递函数。函数。26锁相环的相位模

13、型锁相环的相位模型 如下图所示的锁相环路的相位模型如下图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:即即 或表示或表示为为 称为锁相环路的瞬时角频差称为锁相环路的瞬时角频差 称为环路的控制频差称为环路的控制频差 称为输入固有角频差称为输入固有角频差 27锁相锁相环的环的自动自动调节调节过程过程 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，如图所示。电压特性，如图所示。29集成锁相环的应用集成锁相环的应用 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 30偏置及温度补偿偏

14、置及温度补偿 318.3.2 锁相在倍频、分频、混频和接收机中的应用锁相在倍频、分频、混频和接收机中的应用 在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器,就可组成锁相就可组成锁相倍频电路倍频电路,其组成框图如图其组成框图如图a所示。所示。由于反由于反馈馈信号的角信号的角频频率是率是VCO输输出角出角频频率率经经n 次分次分频频后的后的将与将与输输入信号角入信号角频频率率相同相同,所以所以VCO输输出信号的角出信号的角频频率率是是输输入信号角入信号角频频率的率的n 倍倍,即即。角频率角频率,当环路锁定时当环路锁定时,送入鉴相器的反馈信号角频率送入鉴相器的反馈信号角频率

15、(/n)32若在若在环环路中插入分路中插入分频频器器,如如图图b所示，所示，则则与上述情况与上述情况，即，即分分频频信号的分信号的分频频次数是倍次数是倍频频器的倍器的倍频频次数。次数。相反相反,环路锁定时环路锁定时，VCO输出输出33在基本锁相环的反馈通道中插入混频器和中频放大器在基本锁相环的反馈通道中插入混频器和中频放大器,还可组成锁相混频电路，如图还可组成锁相混频电路，如图c所示。所示。34图所示为锁相接收机的组成框图。由图可见图所示为锁相接收机的组成框图。由图可见,它除了鉴相它除了鉴相器、环路滤波和振荡器器、环路滤波和振荡器(VCO)外外,还在基本环路中插入了还在基本环路中插入了混频器、

16、中频放大器和基准信号源（晶体振荡器）混频器、中频放大器和基准信号源（晶体振荡器）35集成锁相频率合成技术集成锁相频率合成技术 频频率合成，是利用一个或几个高率合成，是利用一个或几个高稳稳定度和高精度的定度和高精度的频频率源（通常率源（通常为为晶体振晶体振荡荡器），通器），通过对过对它它进进行混行混频频（加（加减）、倍减）、倍频频（乘）或分（乘）或分频频（除），（除），产产生大量的具有相生大量的具有相同同频频率率稳稳定度和精度的定度和精度的频频率信号。率信号。图图所示所示为锁为锁相相频频率率合成器的合成器的组组成框成框图图。其中，包括倍。其中，包括倍频锁频锁相相环环、分、分频锁频锁相相环环和混和

17、混频锁频锁相相环环(其中其中为为参考角参考角频频率率)三种方式。三种方式。3637集成直接数字频率合成器集成直接数字频率合成器 根据奈奎斯特采样定理根据奈奎斯特采样定理 对于一个周期的连续正弦波信号，可以沿着其相位轴方向，对于一个周期的连续正弦波信号，可以沿着其相位轴方向，以等量的相位间隔对其进行相位以等量的相位间隔对其进行相位/幅度采样，得到一个周期性幅度采样，得到一个周期性的离散相位的正弦信号抽样序列，并对模拟幅度进行量化，的离散相位的正弦信号抽样序列，并对模拟幅度进行量化，对量化后的幅度采用相应的二进制数据进行编码，根据合成对量化后的幅度采用相应的二进制数据进行编码，根据合成波形的精度要

18、求，采用接近的整数值表示相应的幅值序列。波形的精度要求，采用接近的整数值表示相应的幅值序列。这样就可以把一个周期性的连续正弦信号转换成一系列离散这样就可以把一个周期性的连续正弦信号转换成一系列离散的二进制序列，最后把它存储在只读存储器中，每个存储单的二进制序列，最后把它存储在只读存储器中，每个存储单元的地址就是相位取样地址，而存储单元的内容即是量化的元的地址就是相位取样地址，而存储单元的内容即是量化的正弦波的幅度值。正弦波的幅度值。38采用一个只采用一个只读读存存储储器构成一个与器构成一个与的的正弦函数正弦函数查查找表，只要找表，只要输输入相位地址，就可以立即得到入相位地址，就可以立即得到相相

19、应应的正弦波幅度的正弦波幅度值值数据，从而取代了用数据，从而取代了用计计算机算机对对正弦函正弦函数的数的递递推运算。推运算。相位取样相对应相位取样相对应39在固定的在固定的时间间时间间隔内，正弦波的隔内，正弦波的相位角增量相位角增量与正弦波的与正弦波的频频率构成一一率构成一一对应对应关关系，也就是系，也就是为为了构成了构成频频率率为为可以从构建一个余弦序列相可以从构建一个余弦序列相对对的余弦波形，的余弦波形，应的相位序列入手，其频率为应的相位序列入手，其频率为 40若若对对的的连续连续相位区相位区间进间进行行间间隔隔为为的的线线性量化。性量化。代替上式中的代替上式中的，即可得到：，即可得到：于是将于是将41本章要点本章要点n掌握掌握 AGC、AFC、APC等反馈控制电路的等反馈控制电路的基本原理及控制方法基本原理及控制方法n熟悉熟悉 锁相环的原理、分析方法及其应用；锁相环的原理、分析方法及其应用；