反馈控制电路概述

四川信息职业技术学院教案课题：12.1反馈控制电路概述12.2自动增益控制教学目的：1.了解反馈控制电路的分类2.理解反馈控制电路的基本组成及工作原理3.了解AGC的功能、分类及应用4.理解AGC电压的产生及控制原理、方式教学重点：反馈控制电路的基本组成及工作原理AGC电压的产生及控制原理、方式教学难点：AGC电压的产生及控制原理、方式教学方法：讲授课时：2学时教学进程12.1反馈控制电路概述一、反馈控制电路的概念在通信系统和电子设备中，为了提高它们的性能指标或实现某些高性能要求，广泛采用各种类型的控制电路。这些控制电路大都是利用反馈的原理实现对自身的调节与控制，因此统称为反馈控制电路(FeedbackControlCircuits)。若反馈系统都是闭环的系统，则称为环路系统。二、反馈控制系统的框图1、框图反馈控制电路可以看成由被控制对象和反馈控制器两部分组成的自动调节系统。图12-1所示是反馈控制电路的组成方框图。四川信息职业技术学院教案图12-1反馈控制电路的组成方框图2、各部分的功能(1)参考部件产生标准的物理量(2)比较部件产生误差信号(3)控制部件产生控制信号(4)被控部件产生输出物理量，扰动代表各种使输出量变动的因素(5)测量部件是反馈网络其中Xo为系统输出量，XI为系统输入量，也就是反馈控制器的比较标准量。根据实际工作的需要，每个反馈控制电路的Xo和XI之间都有确定的关系，例如Xo=f(XI)。这一关系若受到破坏，则反馈控制器就能够检测出输出量与输入量的关系偏离Xo=f(XI)的程度，从而产生相应的误差量Xe，加到被控对象上对输出量Xo进行调整，使输出量与输入量之间的关系接近或恢复到预定的关系Xo=f(XI)。反馈控制系统之所以能够控制参量，使之稳定，其主要原因在于它能够利用存在着的误差来减小误差。因此当扰动引起误差时，反馈控制系统只能把误差减小或者说减到很小，但不能完全消除误差。三、反馈控制系统的类型及特点对通信系统来说，传送信息的载波信号通常采用高频振荡信号，而一个高频振荡信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。在传送信息时，发射信号可用振幅调制、频率调制和相位调制。对于反馈控制电路来说，也就是实现对这三个参数的分别控制，即自动增益控制AGC、自动频率控制AFC和锁相环路PLL。1.自动增益控制AGC，主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。2.自动频率控制AFC，又称自动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定在某一预期的标准频率附近。3.自动相位控制APC(或锁相环路PLL)，它用于锁定相位，实现无频差反馈控制。锁相环路功能强大，应用广泛，这也是本章的重点。由于反馈控制电路是利用反馈量与参考量之间的误差量实现对电路的控制，因此在控制过程中，被控制量始终存在误差，反馈控制只是维持误差在一定范围，它无法完全消除误差量。四川信息职业技术学院教案12.2自动增益控制AGC一.自动增益控制的概念、功能及应用(一)概念：利用反馈控制电压(±UAGC)控制放大器的增益，使放大器输出信号稳定(基本不变)。(二)功能自动增益控制电路是接收机的控制电路之一。1.影响接收机性能的因素(1)接收的信号功率不同、距离不同。(2)接收机的工作环境(温度、噪声等)具有时变性。(3)信号传输方式的差异，使接收的信号衰落各异。(4)接收机工作电源电压不稳定。2.各因素对接收机性能的影响(1)接收机输入信号忽强忽弱，若对不同信号维持相同增益，输出信号将忽大忽小；(2)接收机的电源稳定性、内部噪声及工作环境等因素的时变性使放大器的增益时变，输出信号也随之变化。3.AGC的必要性使用自动增益控制（AGC）来控制接收机的增益，使其随输入信号强弱变化。其作用是：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出信号基本稳定(变化不大)。即当输入信号很弱时，接收机的增益大；当输入信号很强时，接收机的增益小。这样，当信号场强变化时，接收机输出端的电压或功率基本稳定。二.自动增益控制的类型(一)简单AGC1.基本原理在没有控制电路时，接收机的输出电压ou随天线上感应电动势Ae的增大而增大(不考虑外来信号过强时超出晶体管的线性工作范围)，如图12-2中曲线○1所示。具有简单AGC电路的接收机，它的增益随外来Ae的增加而减小，如图曲线○2所示。这种接收机输入感应电动势Ae与输出电压ou的关系曲线，称为AGC特性曲线。图12-2简单AGC特性曲线四川信息职业技术学院教案2.特点简单AGC电路的主要缺点是，一有外来信号，AGC立刻起作用，接收机的增益就因受控制而减小。这对提高接收机的灵敏度是不利的，尤其在外来信号很微弱时，不利一面表现尤为突出。为了克服这个缺点，也就是希望外来信号大于某值后，AGC才起作用，可采用延迟式AGC电路。(二)延迟式AGC1.基本原理图12-3为延迟式AGC特性曲线，当0AAEe后产生AGC作用；当0AAEe，无AGC作用。图12-3延迟式AGC特性曲线2.应用电路(1)组成图12-4延迟式AGC电路延迟式AGC电路如图12-4所示。二极管VD和负载R1C1组成包络检波器，检波后电压经RC低通滤波器滤波，取出直流AGC电压。另外，在二极管上加有一负电压0AE(由负电源分压获得)，称为延迟电压。(2)工作过程当天线上的感应电动势Ae很小时，AGC检波器的输入电压也比较小，由于延迟电压的存在，AGC检波器的二极管将处于截止状态，没有AGC电压输出，因此没有AGC作用。只有当Ae大到一定程度(0AAEe)，使检波器输入电压的幅值大于延迟电压后，AGC检波器才工作，产生AGC作用。调节延迟电压可改变0AE的数值，以满足不同的要求。由于延迟电压的存在，信号检波器必须要与AGC检波器分开，否则延迟电压会加到信号检波器上去，使外来信号小时不能检波，而信号大时又产生非线性失真。四川信息职业技术学院教案当Ae变化范围一定时，接收机输出电压ou的变化越小，AGC的性能越好。通常以此作为AGC的质量指标。例如，收音机的AGC指标为：输入信号强度变化26dB时，输出电压的变化不超过5dB。在高级通信机中，AGC指标为：输入信号强度变化60dB时，输出电压的变化不超过6dB，输入信号在10uV以下时，AGC不起作用。(3)改进措施为了提高AGC的能力，可在AGC检波器的前面或后面在增加放大器。这种电路成为延迟放大式AGC电路，其电路方框图分别如图12-5(a)、(b)所示。图12-5延迟放大式AGC电路方框图三.AGC的应用图12-6为具有AGC的超外差式调幅接收机的方框图。图中，天线接收到的信号)(tuI经高频放大、变频和中频放大后得到中频调幅波)('tuo，)('tuo经AGC检波器和低通滤波器后，得到反映输入信号大小变化趋势的直流分量，再经直流放大后得到AGC电压。显然，输入信号强，||AGCU大；反之，则||AGCU小。利用AGC电压去控制高放或中放的增益，使||AGCU大时增益低，||AGCU小时增益高，就达到自动增益控制的目的。图12-6具有AGC的超外差式调幅接收机方框图在实际电路中，AGC检波和恢复低频信号的检波一般共用一个检波器，直流放大器和高频放大器常省去，有时AGC电压只控制中放的增益。四.AGC电压的产生为了实现自动增益控制，必须有一个随输入信号强度而改变的电压，称为AGC电压，其值可正可负，分别用AGCU和AGCU表示。然后利用这个电压去控制接收机有关级的增益，达到AGC的目的。由图12-6可知，实用的AGC电路应包括：(1)产生一个随输入信号大小而变化的控制电压，即AGC电压；(2)利用AGC电压去控制有关级的增益，实现AGC。(一)平均值型四川信息职业技术学院教案平均值型AGC电路是利用检波器输出电压中的平均直流分量作为AGC电压的，其电路如图12-7所示。二极管D和阻容R1、R2、C1、C2构成了包络检波器。中频输入信号uI经检波后，R1、R2两端除了得到音频信号uav外，还有一个平均值分量UAV，其中调制频率分量uav经C4耦合输出，而平均直流分量UAV经过R3C3组成的低通滤波器输出。由于平均直流分量与输入载波分量的振幅成正比，而与调幅度无关，因此该平均直流分量可以作为AGC电压，根据二极管的特性，不难判断该AGC电压为正，即为AGCU。图12-7平均值型AGC电压产生电路为了使AGC电压不受音频信号的影响，需利用低通平滑滤波器R3C3，把检波后的音频分量去掉，使送到前级去的控制增益的电压只与载波电平有关。R3C3时间常数选取十分重要，应根据最低调制频率来选择。若R3C3过小，滤波效果Ω调制信号为50Hz时，可选R3=4.7kΩ,C3=10～30pF。(二)延迟式AGC原理电路如图12-4所示，基本工作过程如前所述。图12-8所示为一实用延迟式AGC电路。图中，R3、U、VD2、R6、C6组成延迟式AGC电路，输入信号经高频小信号谐振放大器放大后，一方面送入包络检波器解调，产生输出信号；另一方面又送入延迟式AGC电路，提取AGC控制电压。图12-8延迟式AGC电压产生电路五.AGC的控制过程(一)高放、中放的增益以接收机前置放大器为例，若采用高频小信号谐振放大器，则其电压增益为四川信息职业技术学院教案gyPPAfeu||210式中，LoeogPgPgg2212，EfeIy||。在采用AGC电路实现对放大器增益的自动控制过程中，可利用改变晶体管发射极电流EI或改变负载电阻LR，分别完成对||fey或g的控制，从而达到实现AGC的目的。(二)AGC的控制方法1.改变发射极(或基极)的电流IEQ图12-9所示为典型的中放管β~IE曲线。由图可以看出，当IE较小时，β随的IE增大而增大；当IE增至某一值IEQ后，β最大；若IE继续增大，则β逐渐减小。因此，根据晶体管的上述特点，利用AGC电压控制IE，就可以实现AGC。图12-9晶体管β~IE曲线利用β~IE曲线的上升部分或下降部分都可实现增益控制，前者称为反向自动增益控制(反向AGC)，后者称为正向自动增益控制(正向AGC)。(1)反向AGC○1控制原理在反向AGC中，EI必须随着||AGCU的增大而减小，才能使β下降，增益降低，因此起始工作点应选择在曲线上升部分的上部，其控制过程可表示为imUomU||AGCUEI||fey||0uA图12-10(a)、(b)所示即为反向AGC。(a)图中，反馈控制电压AGCU加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输出信号增加，反馈控制电压随之增大，晶体管发射极电位上升，BEu减小，发射极电流EI减小，利用反向作用可使放大器增益下降，从而使输出信号由增大变为趋于稳定。(a)反向AGC(b)反向AGC(c)正向AGC图12-10改变IE的AGC电路四川信息职业技术学院教案(b)图中，反馈控制电压AGCU加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输出信号增加，反向后的反馈控制电压随之减小，晶体管基极电位下降，BEu减小，发射极电流EI减小，利用反向作用可使放大器增益下降，从而使输出信号由增大变为趋于稳定。○2优缺点反向AGC的优点是利用β~IE曲线较陡峭的上升部分实现对放大器增益的控制，因此控制灵敏度高。反向AGC对晶体管要求不高，使用普通的中、高频管即可，而且管子的电流不大，不致使管子的集电极损耗超过允许值。反向AGC的缺点是随着输入信号的增大，观众的工作点降得很低，动态范围很小，即增益控制范围窄。(2)正向AGC○1控制原理在反向AGC中，EI必须随着||AGCU的增大而增大，才能使β下降，增益降低，因此起始工作点应选择在β值较大处，其控制过程可表示为imUomU||AGCUEI||fey||0uA图12-10(c)所示即为正向AGC，反馈控制电压AGCU加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输