第8章_反馈控制技术AGC与AFC电路原理

第八章无线电技术中的反馈控制电路(2)AGC和AFC电路原理8.2自动增益控制(AGC)电路8.2.1电路的组成、工作原理和性能分析8.2.2放大器的增益控制——可控增益电路8.2.3AGC控制电压的产生——电平检测电路8.2.4AGC电路举例8.3自动频率控制(AFC)电路8.3.1AFC电路的组成和基本特性8.3.2AFC电路的应用举例作业：8.78.88.1反馈控制系统的概念8.1.2反馈控制系统的组成、工作过程和特点自动增益控制(AGC)电路、自动频率控制(AFC)电路及自动相位控制(APC)电路。1.反馈控制系统的工作过程①参考信号r0保持不变，输出信号y发生了变化②参考信号r0发生了变化总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出信号变化，只引起小的误差信号变化。两个条件:①是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致②是从误差信号到反馈信号的整个通路（含可控特性设备、反馈环节和比较器）的增益要高。2.反馈控制系统的特点（1）误差检测可以远远小于参考信号与反馈信号间的起始偏差。利用这个特性，达到两个目的-----保持输出基本不变或输出跟随参考的变化。反映速度快，精度高。（2）系统是根据误差信号的变化而进行调整，不论其变化的原因。（3）只要合理设计，就能够减小误差信号的变化，但不可能完全消除误差的存在。正向传递函数是指输出信号Y(s)与误差信号E(s)之比。cfAsEsYsT)()()(8.1.98.1.10误差传递函数是指误差信号E(s)与参考信号R(s)之比。)(1)()()()()()()()()(sHAAAsTsTsYsEsRsYsRsEsTcpccpfe)()()()(sHAsEsFsTcop8.1.8开环传递函数是指反馈信号F(s)与误差信号E(s)之比闭环传递函数是指输出信号Y(s)与参考信号R(s)之比)(1)()()()()(sHAAAAsTsTsRsYsTcpccpcef8.1.78.1.2反馈控制系统的基本分析1.系统的传递函数及数学模型自动增益控制电路是某些电子设备，特别是接收设备的重要的辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值。因此也称自动电平控制（ALC）电路。接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增益。由于种种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，微弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏。也就是说最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这种变化范围叫做接收机的动态范围。8.2自动增益控制(AGC)电路自动增益控制电路是输入信号电平变化时，用改变增益的方法维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。对自动增益控制电路的主要要求:控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时，不影响接收机的噪声性能。若用minmaxiiiUUm代表AGC电路输入信号电平的变化范围，则用minmaxoooUUm代表AGC电路输出信号电平允许变化范围。取ng=mi/mo8.2.1称ng为增益控制倍数，显然ng愈大控制范围愈宽。minmaxmaxmaxminminminmaxminmax//AAUUUUUUUUmmnoiioooiioig8.2.2式中，Amax=Uomin/Uimin表示AGC电路的最大增益（对应低电平时）Amin=Uomax/Uimax表示AGC电路的最小增益（对应高电平时）可见，要想扩大AGC电路的控制范围，就要增大AGC电路的增益控制倍数，也就是要求AGC电路有较大的增益变化范围。同时要根据信号的性质和需要，设计适当的响应时间。8.2.1AGC电路的组成、工作原理及性能分析AGC电路的组成如图8.11所示。它包含有可控增益电路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制信号产生器。图8.11AGC电路组成1.电平检测电路电平检测电路的功能就是检测出输出信号的电平值。它的输入信号就是AGC电路的输出信号，可能是调幅波或调频波，也可能是声音信号或图象信号。这些信号的幅度也是随时间变化的，但变化频率较高，至少在几十赫兹以上。而其输出则是一个仅仅反映其输入信号电平的信号，如果其输入信号的电平不变，那么电平检测电路的输出信号就是一个脉动电流。一般情况下，电平信号的变化频率较低，如几赫兹左右。通常电平检测电路是由检测器担任，其输出与输入信号电平成线性关系，即u1=Kduy8.2.3其复频域表示式为U1(s)=KdUy(s)8.2.4电平检测电路根据控制电压产生方法的不同，有平均值型、峰值型和选通型。2.滤波器对于以不同频率变化的电平信号，滤波器将有不同的传输特性。用此可以控制AGC电路的响应时间。也就是决定当输入电平以不同的频率变化时输出电平将怎样变化。常用的是单节RC积分电路。如图8.12所示。它的传输特性为sRCsUsUsHf11)()()(1图8.12RC积分电路8.2.53.比较器将给定的基准电平Ur与滤波器输出的uf进行比较，输出误差信号为ue。通常ue与(ur-uf)成正比，所以，比较器特性的复频域表示式为Ue(s)=Acp[Ur(s)-uf(s)]8.2.6其中，Acp为一比例常数。4.控制信号产生器控制信号产生器的功能是将误差信号变换为适于可变增益电路需要的控制信号。这种变换通常是幅度的放大或极性的变换。有的还设置一个初始值，以保证输入信号小于某一Up(s)=ApUe(s)8.2.7其中，Ap为比例常数。电平时，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的复频域表示式为5.可控增益电路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非线性失真。同时要求它的增益变化范围大，它将直接影响AGC系统的增益控制倍数ng。所以，可控增益电路的性能对整个AGC系统的技术指标影响是很大的。可控增益电路的增益与控制电压的关系一般是非线性的。通常最关心的是AGC系统的稳定情况。为简化分析，假定它的特性是线性的，即G=Agup8.2.8其复频域表示式为：——up为AGC控制电压G(s)=AgUp(s)8.2.9Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)Up(s)=KgUp(s)8.2.10式中，Kg=AgUi，表示Uo与Up关系中的斜率，如图所示。以上说明了AGC电路的组成及各部件的功能。但是，在实际AGC电路中并不一定都包含这些部分。将图8.2.1改画成图8.2.4所示的电路模型图中，Kg即为Ac8.2.2放大器的增益控制——可控增益电路可控增益电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。这部分电路通常是与整个系统共用的，并不是单独属于AGC系统。例如接收机的高、中频放大器，它既是接收机的信号通道，又是AGC系统的可控增益电路。要求可控增益电路只改变增益而不致使信号失真。如果单级增益变化范围不能满足要求时，还可采用多级控制的方法。可控增益电路通常是一个可变增益放大器。控制放大器增益的方法主要有：控制放大器本身的某些参数，或在放大器级间插入可控衰减器。1.利用控制放大器本身的参数改变增益⑴改变发射极电流Ie正向传输导纳|Yfe|与晶体管的工作点有关，改变发射极（或集电极电流）就可以使|Yfe|随之改变，从而达到控制放大器增益的目的。⑵改变放大器的负载放大器的增益与负载YL有关，调节YL也可以实现对放大器增益的控制。⑶改变电流分配比利用电流分配法来控制放大器的增益，其优点是：放大器的增益受控时，只是改变了VT1和VT2的电流分配，对VT3没有影响。oomIIkTaqg104⑷改变恒流源电流改变恒流源电流的增益控制电路如图8.21所示。它是平衡输入，单端输出的差分放大电路。该电路的小信号跨导为2.利用在放大器级间插入可控衰减器改变增益在放大器各级间插入由二极管和电阻网络构成的电控衰减器来控制增益，是增益控制的一种较好的方法。简单的二极管电控衰减器如图8.22所示。电阻R和二极管VD的动态电阻rd构成一个分压器。当控制电压up变化时，rd随着变化，从而改变分压器的分压比。图8.22二极管电控衰减器交流等效电路图8.23是一种改进电路。控制电压up通过三极管VT来控制VD1、VD2和VD3、VD4的动态电阻。当输入信号较弱时，控制电压up的（负压较小）值较小，晶体管VT的电流较大，流过VD1～VD4的电流也比较大，其动态电阻rd小，因而信号ui从四只二极管通过时的衰减很小。当输入信号增大时，up的值增大，VT和VD1～VD4的电流减小，rd增大，使信号受到较大的衰减。控制过程如下：串联式二极管衰减器Ui大→Vp大（b点电位低）→Vc高→电流小→rd大→衰减大→输出小图8.25是用PIN管作为增益控制器件的典型电路。图中VT1是共发射极电路，它直接耦合到下一级的基极；VT2是射极跟随器，放大后的信号由发射极输出，同时有一部分由反馈电阻Rf反馈到VT1的基极，反馈深度可通过Rf调整。因为反馈电压与输入电压并联，所以是电压并联负反馈。图8.25用PIN管作为电控衰减器的放大电路输入大→Up小→PIN内阻大→衰减大→输出小控制过程如下：8.2.3AGC控制电压的产生——电平检测电路AGC控制电压是由电平检测电路形成的，电平检测电路的功能是从系统输出信号中取出电平信息。通常要求其输出应与信号电平成比例。按照控制电压产生方法的不同，电压检测电路有平均值型、峰值型和选通型三种。1.平均值型AGC电路平均值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的平均值的情况。调幅接收机的自动增益控制广泛采用这种电路。图8.26平均值型电平检测电路图8.26是一种常用的等效电路，二极管VD和R1、R2、C1、C2构成一个检波器，中频输出信号uo经检波后，除了得到音频信号之外，还有一个平均直流分量up，它的大小和中频载波电平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以用做AGC控制电压。Rp、Cp组成一个低通滤波器。把检波后的音频分量滤掉，使控制电平up不受音频信号的影响。为了减小反调制作用所产生的失真，时间常数τp=RpCp(足够大但不能太大，太大了跟不上信号的变化)应根据调制信号的最低频率FL来选择。其数值可以用下式来计算：pLRF2～105pC8.2.26（反调制---τp太小，则控制电压将会跟随调制信号变化，使输出音频信号受到附加的调制。相对来说，低频比高频更容易受到反调制。）2.峰值型AGC电路峰值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的峰值的情况。峰值型AGC检波电路不能和图象信号的检波共用一个检波器。必须另外设置一个峰值检波器。图8.28就是这种检波器的电路（电视机中AGC采用）。图8.28峰值型电平检测电路及其波形要求充电时间小，放电时间大，C1小R1大。峰值型AGC电路具有一些优点：1、输出的AGC控制电压大。2、较好的抗干扰能力（幅度小于同步信号的干扰）缺点：干扰幅度大于同步信号，而且混入的时间较长，那么，它对AGC电路就会产生危害。因此，这种电路的抗干扰性能还不够理想。3.选通型AGC电路选通型AGC电路具有更强的抗干扰能力，多用于高质量的电视接收机和某些雷达接收机。它的基本思想是只在反映信号电平的时间范围内对信号取样，然后利用这些取样值形成反应信号的电平。优点：在取样时间范围外的干扰都不会对电平值产生影响，从而大大提高了电路的抗干扰能力.使用的前提条件：首先是信号本身要（1）周期性出现，在信号出现的时间内信号的幅度能反映信号的电平；其次是要提供与上述信号出现时间相对应的（2）选通信号，这个选通信号可由AGC系统（3）内部产生，也可由外部提供。8.2.4AGC电路举例图8.30是一种简单的延迟AGC电路。电路有两个检波器,一个是信号检波器S，另一个是AGC的电平检测电路A。它们的主要区别在于后者的检波二极管VD2上加有延迟电压Vd.这样，只有当输出电压uo的幅度大于Vd时，VD2才开始检波,产生控制电压up。图8.30延迟AGC电路(可控增益电路)AFC电路也是一种反馈控制电路。它与AGC电路的区别在于控制对象不