北邮信通院通信电子电路第5章_反馈控制电路

第五章：反馈控制电路信息与通信工程学院综述(一)综述与内容提要反馈控制电路可在系统受到扰动时，通过反馈控制作用使系统的某个参数达到所需的精度，或者按照一定的规律变化0()ixfx预先设定控制过程简述：反馈控制器对象ex0xix0x外部输入信号参考信号不变，输出信号发生变化参考信号发生变化综述(二)综述与内容提要反馈控制器对象ex0xix0x外部输入信号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，条件为：反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致从误差信号到反馈信号的整个通路的增益要高综述(三)综述与内容提要根据需要比较和调节的参数不同，可对反馈控制电路进行分类：AGCAFCAPC(PLL)反馈控制器对象ex0xix0x外部输入信号反馈控制系统的特点：自动进行误差检测和调整系统根据误信号的变化而进行调整，不管误差信号由何种原因产生存在剩余误差基本工作原理(一)第一节：自动增益控制电路基本作用是减小因各种因素引起的系统输出信号电平的变化范围，以维持整机输出稳定在输入信号幅值变化很大的情况下，通过调节可控增益放大器的增益，使输出信号幅值(电平)基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路电路结构及反馈控制过程电压比较器0vev可控增益放大器2A直流放大器1A低通滤波器检波器rv1viv反馈控制器对象基本工作原理(二)第一节：自动增益控制电路低通滤波器的作用：滤除调制信号反调制AGC电路的输入输出量及其关系omrVKv静态误差的产生电压比较器0vev可控增益放大器2A直流放大器1A低通滤波器检波器rv1viv反馈控制器对象00()cos()cosiimmvtVtvtVt022()()()(,)mimeVAVAvev00mVimV一定自动电平控制电路的类型第一节：自动增益控制电路简单AGC电路：0rv优点：电路简单缺点：对微弱信号的接收不利延迟AGC电路：0rv不同输入信号强度时电路的工作状态imV00mV01mV02mV1imV2imV自动电平控制电路的应用第一节：自动增益控制电路高放混频预视放视频信号AGCv中放IIIIII检波延迟AGCAGC放大AGC检波消噪imV/vAdB总增益中频放大增益高频放大增益自动频率控制电路的原理第二节：自动频率控制电路可使用自动频率控制的方法来稳定振荡频率。例如在高质量的接收机中，采用AFC电路对本地振荡器的频率进行自动调节，使混频所得差频较精确地等于固定中频，从而提高接收机的灵敏度电路结构及工作过程混频器evIf检波器中频放大器压控振荡器VCO鉴频器SfLf反馈控制器对象低通滤波器cv锁相环的特点第三节：自动相位控制电路-锁相环是一种相位反馈控制系统，能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定的关系可分为模拟锁相环和数字锁相环。模拟锁相环的特征是鉴相器输出的误差信号是连续的，对环路输出信号的调节也是连续的锁相环的构成(一)第三节：自动相位控制电路-锁相环鉴相器(PD)的类型及鉴相特性实质上是个相位-电压变换器()devfPDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio0dVdmVdmVsinddmevVe2/,/2/22()/,/23/2dmeeddmeeVvV00dVdVdmVdmVee-()it()otsin[]dA()dvt()et锁相环的构成(二)第三节：自动相位控制电路-锁相环压控振荡器(VCO)的类型及其压控特性实质上是个电压-频率变换器()ocfv在一定控制电压范围内可近似用线性函数表示压控特性：0orcAvPDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio：压控振荡器的自由振荡角频率r：压控振荡器的控制灵敏度(增益系数)0Arocv线性区0000()()()tccvttAvtdtAp()cvt0Ap0()t第三节：自动相位控制电路-锁相环锁相环的构成(三)环路滤波器(LPF)的类型及传递函数还可使锁相环获得所需的带宽和增益，改善环路的性能以适应对锁相环多种应用的需要RC()cvt()dvtRC积分滤波器()1/(1)Fss1RC()cvt()dvtRC比例积分滤波器2121()()1sFss2RA()cvt()dvt1R2RC有源比例积分滤波器21()(1)/Fsss严格来说：()()*()cdvtftvt在锁相环的分析中，习惯使用微分算子的函数来表示和的关系，即：()()()cFdvtApvt()cvt()dvtPDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio可滤除鉴相器输出中包含鉴相输入信号频率在内的高频分量，提高环路的抗干扰能力()dvt()FAp()cvt锁相环的基本工作原理(一)第三节：自动相位控制电路-锁相环PDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio环路锁定状态时的情况0()()()ioetttdt()ioif00()0,()()etttdt即当加到鉴相器上两个信号的频率相等时，其瞬时相位差是一个常数(())eift常数()0,oit即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位差为常数时，其频率必然相等锁相环的基本工作原理(二)第三节：自动相位控制电路-锁相环PDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio0()()ettdt当输入输出频率不等时，由锁相环与AFC均利用误差信号的反馈作用来控制VCO的振荡频率，根本差别在于：可知，VCO的电压将不断改变，直至锁定锁相环路中的比较器为鉴相器，环路锁定时存在剩余相差，不存在剩余频差AFC中的比较器为鉴频器，环路锁定时存在剩余频差锁相环的数学模型第三节：自动相位控制电路-锁相环PDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio-()it()otsin[]dA()et0Ap0()t()dvt()FAp()cvt0()()sin()()edFeiptAAAptpt推导可得锁相环路的基本方程为：环路的锁定状态(一)第三节：自动相位控制电路-锁相环0()()sin()()edFeiptAAAptpt()()()eeeiodtpttdt0()sin()dFeAAApt()oort()()iiirptt环路锁定过程简述锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频，但存在稳态相位误差VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的值，称为瞬时角频差闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起的输出角频率的变化，称为控制角频差输入信号角频率偏离的数值，称为环路的输入固有角频差，又称为开环角频差rPDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio环路的锁定状态(二)第三节：自动相位控制电路-锁相环0()()sin()()edFeiptAAAptpt当环路锁定时，有：0(0)sindFeiAAA00sinarcsinarcsin(0)iiedFAAAA无环路滤波器的锁相环称为一阶锁相环，此时有：PDVCO()ivt()()dcvtvt()ovtio环路的锁定状态：例一第三节：自动相位控制电路-锁相环PDVCO()ivt()()dcvtvt()ovtio3sindevV设PD的特性为：VCO的特性为：33(29910210)/odvrads求输入角频率分别为时的稳态相差555210,21.0110,21.0310解：329910r53111210210iiir311302101arcsinarcsinarcsin32103iedAA同理可得：22arcsin3e34arcsin3e故最后一种情况下环路不能锁定环路的锁定状态：例二第三节：自动相位控制电路-锁相环解：已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相器的；VCO的，自由振荡频率。问当输入频率分别为和的正弦信号时，环路能否锁定？若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的控制电压多大？2dAV020/AkHzV1rMHz0.98MHz1.05MHz(0.98)iifMHz0.02iMHz611300.02101arcsinarcsinarcsin2201026iedAA1sin2sin()16cdevAV(1.05)iifMHz00.05idMHzAA故环路不能锁定环路的锁定状态(三)第三节：自动相位控制电路-锁相环假设环路已处于锁定状态，然后缓慢地改变输入信号频率，能够继续维持环路锁定所允许的最大输入固有角频差的2倍，称为锁相环的同步带或跟踪带，用表示im2H故要增大锁相环的同步带，必须提高其直流总增益使用正弦型鉴相器时0HA同步带主要受到VCO最大频率控制范围的限制0()()sin()()edFeiptAAAptpt一阶环路的平衡点第三节：自动相位控制电路-锁相环0()idifAA在A、B两点时：A、B两点的区别0()sin()edeidtAAtdt0sin()()eedeiedAAtfdtABe()eefi0dAAeAeB002arcsin(21)arcsinieAdieBdnAAnAA0e一阶环路的捕捉过程第三节：自动相位控制电路-锁相环捕捉是指锁相环路从失锁状态进入到锁定状态的过程捕捉时间捕捉带：环路由失锁到锁定所允许的最大固有角频差(或固有频差)2p的含义0ABe()eefi0dAAeAeB对于一阶环路来说，其捕捉带与同步带相等一阶环路的差拍状态第三节：自动相位控制电路-锁相环0()idifAA差拍状态的含义****0000011sin()teedeetdtddAAfe()eefi0dAA0t*tt02t0()sin()edeidtAAtdt01sin1()edeieedtdAAdft/2tt3/2t2tdmVdV0dV()sin()ddmevtVt一阶环路的频率牵引第三节：自动相位控制电路-锁相环t/2tt3/2t2tdmVdV0dV()sin()ddmevtVt0i(1)(1)(2)(2)(3)(3)00::||(2):|(1|)(3)iddAAAA0dAA0dAA差拍状态状态下尽管环路不能锁定，但却能使压控振荡器的频率向着缩小频差方向牵引，即向着锁定方向牵引牵引作用随着的增大而减弱0一阶锁相环的频率牵引特性高阶锁相环的同步与捕捉第三节：自动相位控制电路-锁相环此时的特性需要同时考虑环路滤波器的通频带及VCO的频率控制范围假定VCO的频率控制范围足够大，则：环路始终处于失锁状态若远大于环路滤波器的通频带i若的值在环路滤波器的通频带内i环路能够被锁定若大于环路滤波器的通频带i环路能够通过频率牵引过程被锁定若的值超出环路滤波器通频带一定值i环路能够通过快捕过程被锁定高阶环路中，捕捉带一般大于快捕带，但小于同步带环路的跟踪过程第三节：自动相位控制电路-锁相环环路锁定时，输入信号频率与输出信号频率相同，但两者之间有一稳态相差e跟踪的定义锁定状态：相对于频率和相位固定的输入信号而言跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入信号而言PDLPFVCO()ivt()dvt()cvt()ovtio当输入信号的频率和相位改变时，只要相位变化不超过一定的范围，通过环路的作用，压控振荡器输出的频率和相