反馈控制电路

第6章反馈控制电路6.1概述6.2锁相环路第6章反馈控制电路第6章反馈控制电路6.1概述一、引言以上各章分别介绍了放大电路、调制电路和解调电路。由这些功能电路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统，但是这样组成的系统其性能不一定完善。例如，在调幅接收机中，天线上感生的有用信号的强度往往由于电波传播衰落等原因会有较大的起伏变化，导致放大器输出信号时强时弱不规则变化，有时还会造成阻塞。又如，在通信系统中，收发两地的载频应保持严格同步，使输出中频稳定，而要做到这一点也比较困难。第6章反馈控制电路特别是在航空航天电子系统中，由于收、发设备是装在不同的运载体上，二者之间存在相对运动，必然产生多卜勒效应，因此引入随机频差。所以为了提高通信和电子系统的性能指标或者实现某些特定的要求，必须采用自动控制方式。由此，各种类型的反馈控制电路便应运而生了。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可分为以下三类：自动增益控制(AutomaticGainControl，简称AGC)自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，简称AFC)自动相位控制(AutomaticPhaseControl,简称APC)其中自动相位控制电路又称为锁相环路（PhaseLockedLoop简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路。第6章反馈控制电路二、反馈控制电路基本原理：反馈控制电路的组成如下图所示比较器控制信号发生器参考信号r(t)误差信号ve(t)可控器件控制信号vc(t)反馈网络反馈信号f(t)输入信号vi(t)输出信号y(t)在反馈控制电路里，比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成了一个负反馈闭合环路。其中比较器的作用是将外加参考信号r(t)和反馈信号f(t)进行比较，输出二者的差值即误差信号ve(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号vc(t)，对可控器件的某一特性进行控制。第6章反馈控制电路对于可控器件，或者是其输入输出特性受控制信号vc(t)的控制(如可控增益放大器)，或者是在不加输入的情况下，本身输出信号的某一参量受控制信号vc(t)的控制(如压控振荡器)。而反馈网络的作用是在输出信号y(t)中提取所需要进行比较的分量，并送入比较器。需要注意的是，上图中所标明的各时域信号的量纲不一定是相同的。根据输入比较信号参量的不同，图中的比较器可以是电压比较器、频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）三种，所以对应的r(t)和f(t)可以是电压、频率或相位参量。误差信号ve(t)和控制信号vc(t)一般是电压。可控器件的可控制特性一般是增益或频率，所以输出信号y(t)的量纲可以是电压、频率或相位。第6章反馈控制电路6.1.1自动增益控制电路电压比较器KpVp控制信号发生器K1可控增益放大器Kvvevc直流放大器K2低通滤波器电平检测器K2ViVo一、电路组成框图自动增益控制电路是一种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，使输出信号幅值基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路，其组成方框图如图所示。第6章反馈控制电路二、比较过程设输入信号振幅为Vi，输出信号振幅为Vo，可控增益放大器增益为Kv(vc)，即其是控制信号vc的函数，则有：在AGC电路里，比较参量是电压信号，所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。反馈网络检测出输出信号振幅电平(平均电平或峰值电平)，滤去不需要的较高频率分量，然后进行适当放大后与恒定的参考电平Vp比较，产生一个误差信号ve。控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节，增益为K1。若Vi减小而使Vo减小时，环路产生的控制信号vc将使增益Kv增大，从而使Vo趋于增大。icvoVvKV)(第6章反馈控制电路若Vi增大而使Vo增大时，环路产生的控制信号vc将使增益Kv减小，从而使Vo趋于减小。无论何种情况，通过环路不断地循环反馈，都应该使输出信号振幅Vo保持基本不变或仅在较小范围内变化。三、滤波器的作用环路中的低通滤波器是非常重要的。由于发射功率的变化，距离远近的变化，电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的，所以整个环路应具有低通传输特性，这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时，为了使调幅波的有用幅值变化不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消，必须恰当选择环路的频率响应特性，使对高于某一频率的调制信号的变化第6章反馈控制电路6.1.2自动频率控制电路无响应，而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。一、电路组成框图自动频率控制（AFC）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成，如下图所示。低通滤波器H(s)可控频率器件KcvevcwrWr(s)频率比较器KpVe(s)Vc(s)Wr(s)wy输出信号第6章反馈控制电路二、工作原理AFC电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种：鉴频器和混频—鉴频器。在前一种情况中，鉴频器的中心角频率ω0起参考信号ωr的作用。在后一种情况，本振信号(角频率为ωL)先与输出信号(角频率为ωy)进行混频，然后再进行鉴频，所以参考信号ωr=ω0+ωL。频率比较器输出的误差信号ve是电压信号，送入低通滤波器后取出缓变控制信号vc。可控频率器件通常是压控振荡器(VCO)，其输出振荡角频率可写成：ωy(t)=ω0+kcvc(t)对前一种情况来说，若输出信号角频率ωy与鉴频器中心角频率ω0不相等时，误差电压ve≠０，经低通滤波第6章反馈控制电路器后送出控制电压vc，调节VCO的振荡角频率，使之稳定在ω0上。当频率比较器是混频—鉴频器时，其中混频器输出差频ωd=ωy-ωL，而鉴频器输出误差电压为:ve=kp(ω0-ωd)=kp［(ω0+ωL)-ωy］=kp(ωr-ωy)若差频ωd与ω0不相等时，误差电压ve≠0，经低通滤波器后送出控制电压vc，调节VCO的振荡角频率ωy，使之与ωL的差值ωd稳定在ω0上。若ωL是变化的，则ωy将跟随ωL变化，保持其差频ωd基本不变。这时ωL可以看成是输入信号角频率ωi，而输出信号角频率ωy跟随ωi变化，从而实现了频率跟踪。鉴频器和压控振荡器均是非线性器件，但在一定条件下，可工作在近似线性状态，则ｋp与ｋc均可视为常数。第6章反馈控制电路6.2锁相环路AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在，即频差不可能为零，这是一个不可克服的缺点。锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环还具有易于集成化和性能优越等许多优点，因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。第6章反馈控制电路一、电路组成框图锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PhaseDetector，缩写为PD)、环路滤波器(LoopFilter，缩写为LF)和电压控制振荡器(VoltageControlledOscillator，缩写为VCO)三个基本部件组成，如上图所示。被控参量是相位。如何利用相位误差信号实现无频差的频率跟踪，可用图8.５.２所示的旋转矢量说明。第6章反馈控制电路第6章反馈控制电路设旋转矢量Ui和Uy分别表示鉴相器输入参考信号ui(t)和压控振荡器输出信号uy(t)，它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为ωi(t)、ωy(t)和φi(t)、φy(t)。显然，只有当两个旋转矢量以相同角速度（即ωi=ωy）旋转时，它们之间的相位差才能保持恒定值。鉴相器再将此恒定相位差变换成对应的直流电压，去控制VCO的振荡角频率ωy，使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率ωi上。这种情况称之为锁定。反之，两者角频率不相等，相位差不恒定，则称为失锁。若某种因素使ωy偏离了ωi，比如说，ωy＜ωi，则Uy比Ui旋转得慢一些，瞬时相位差［φi(t)－φy(t)］将随时间增大，则鉴相器产生的误差电压也相应变化。第6章反馈控制电路该误差电压通过环路滤波器(实际上是一个低通滤波器)后，作为控制电压调整VCO的振荡角频率，使其增大，因而瞬时相位差也将减小。经过不断地循环反馈，Uy矢量的旋转角速度逐渐加快,直到与Ui旋转角速度相同，重新实现ωy=ωi，这时环路再次锁定，瞬时相位差φ0为恒值，鉴相器输出恒定的误差电压。研究途径：部件数学模型→环路数学模型→系统方程→为了建立锁相环路的数学模型，需要先求出鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型。第6章反馈控制电路6.2.1锁相环路基本方程1.鉴相器设鉴相器输入参考信号ui(t)和VCO输出信号uy(t)均为单频正弦波。一般情况下，这两个信号的频率是不同的。设ωy0和(ωy0t+φy0)分别是VCO未加控制电压时的中心振荡角频率和相位，其中φy0是初相位。又φ1(t)和φ2(t)分别是ui(t)和uy(t)与未加控制电压时VCO输出信号的相位差。即:φ1(t)=φi(t)－(ωy0t+φy0)φ2(t)=φy(t)－(ωy0t+φy0)所以，φ1(t)－φ2(t)=φi(t)－φy(t)第6章反馈控制电路若鉴相器采用模拟乘法器组成的乘积型鉴相器，根据鉴相特性和上式，其输出误差电压为:ue(t)=Adsin［φi(t)-φy(t)］=Adsinφe(t)其中Ad为鉴相器增益，是一常数。2.环路滤波器环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以保证环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。设环路滤波器的传递函数为AF(s)，则有：环路滤波器的类型：RC、比例积分、有源比例积分滤波器。)()()(sUsUsHecAF(s)第6章反馈控制电路(1)RC这是最简单的低通滤波器，电路如下图所示，其传递函数为：20lg|F(jW)/dB0£­3W(对数刻度)(W)0£­45£­90£­6dB/±¶Æµ³ÌueRCuc(a)(b)/¡ã1/RCssUsUsHec，11)()()(AF(s)第6章反馈控制电路(2)无源比例积分滤波器如下图所示。与RC积分滤波器相比，它附加了一个与电容C串联的电阻R2，这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为：CRCRsssUsUsHec2211212)(11)()()(，，20lg|F(jW)/dB0£­3W(对数刻度)(W)0£­45£­90ueR1Cuc(a)(b)R21211220lg/¡ã1/1/AF(s)第6章反馈控制电路(3)有源比例积分滤波器由运算放大器组成，电路如下图所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时，它的传递函数为：20lg|F(jW)/dB0W(对数刻度)(W)0£­45¡ã(b)1220lg20lg212£­90¡ã£­6dB/±¶Æµ³Ì/¡ãW(对数刻度)1/£«£­CR1ueucR2(a)CR)CRAR(RssAsUsUsHec22211112''11)()()(，，AF(s)第6章反馈控制电路3.压控振荡器在有限的控制电压范围内，VCO的振荡角频率ωy(t)与其控制电压可写成线性关系，即ωy(t)=ωy0+Aouc(t)，其中kc为压控灵敏度，是一常数。因此，VCO输出信号uy(t)的相位:)()()()(20000000ttwdttuktwdttwtyytyctcyyyy所以，φ2(t)=kc∫t0uc(t)dt。可见，虽然VCO的振荡角频率ωy(t)与控制电压uc(t)成线性关系，但其瞬时相位变化φ2(t)与uc(t)却是积分关系。因此对于锁相环路来说，VCO被视为一个积分器。若用积分算子来表示，则上式可写成：dtpt0()1ptukcc)((t)2AoAo第6章反馈控制电路4.环路