高频电子线路反馈控制电路

《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路第8章反馈控制电路8.1自动增益控制电路8.2自动频率控制电路8.3锁相环的基本原理8.4频率合成器《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.1图8―1反馈控制系统的组成比较器控制信号发生器参考信号ur(t)误差信号ue(t)可控器件控制信号uc(t)反馈网络反馈信号uf(t)输入信号ui(t)输出信号uo(t)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―2具有AGC电路的接收机组成框图高频放大器至解调器混频器中频放大器直流放大器AGC检波器ur《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.1.1设输入信号振幅为Ui,输出信号振幅为Uo,可控增益放大器增益为Kv(uc),它是控制电压uc的函数,则有()ovciUKuU(8―1)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―3自动增益控制电路框图电压比较器KpUp控制信号发生器K1可控增益放大器AKueuc直流放大器K2低通滤波器电平检测器K2uiUo《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.1.2根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求,AGC电路主要有以下几种类型。1．简单AGC在简单AGC电路里,参考电平Ur＝0。这样,只要输入信号振幅Ui增加,AGC的作用就会使增益Kv减小,从而使输出信号振幅Uo减小。图8―4为简单AGC的特性曲线。maxmxoooiUmU(8―2)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路mi为AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小值之比（输入动态范围）,即maxmxiiiiUmU(8―3)maxmxmaxmxmaxmaxmxmaxmxmx////iiiioiivvoooiooavimUUUUKnmUUUUK(8―4)则有《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―4简单AGC特性曲线Uo0Ui《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―5延迟AGC特性曲线Uo0UiUominUomaxUiminUimax《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路2．延迟AGC在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电压Ur,它对应的输入信号振幅Uimin,如图8―5所示。图8―6延迟AGC电路至信号检波－＋延迟电压VCCC1R1RCAGC电压VD《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路3．前置AGC、后置AGC与基带AGC前置AGC是指AGC处于解调以前,由高频（或中频）信号中提取检测信号,通过检波和直流放大,控制高频（或中频）放大器的增益。后置AGC是从解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.1.3AGC1．AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。2．AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制,而增益变化又取决于输入信号振幅的变化,所以要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调制现象,这就是响应时间特性。《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.28.2.1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,如图8―7所示。《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―7自动频率控制电路的组成低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucrr(s)频率比较器KpUe(s)Uc(s)r(s)r输出信号《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路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0yyccku(8―5)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.2.2对于AFC电路,其主要的性能指标是暂态和稳态响应以及跟踪特性。1．由图8―7可得AFC电路的闭环传递函数()()()()1()()()()1()ybcrbcbcyrbcskkHsTsskkHskkHssskkHs由此可得到输出信号角频率的拉氏变换(8―6)(8―7)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路2．由图8―7可求得AFC电路的误差传递函数T（s）,它是误差角频率Ωe（s）与参考角频率Ωr（s）之比,其表达式为00()1()()1()llim()lim()1()eerbceerssbcsTsskkHssssskkHs从而可得AFC电路中误差角频率ω的时域稳定误差值(8―8)(8―9)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.2.31．自动频率微调电路（简称AFC电路）图8―8是一个调频通信机的AFC系统的方框图。这里是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率,亦作为AFC系统的标准频率。《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―8调频通信机的AFC系统方框图fs混频中放鉴频fI＝|fs－f0|fI中心频率fI本振(压控振)低放低通滤波器f0《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―9AFT原理方框图自中放来限幅放大移相网络u2u1uo《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.38.3.1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,如图8―10所示。《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―10锁相环的基本构成参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路设参考信号为()sin[()]rrrrutUtt(8―10)若参考信号是未调载波时,则θr(t)=θr=常数。设输出信号为()cos[()]ooooutUtt(8―11)两信号之间的瞬时相差为0000()()(())()()crrrrtttttt（8―12）由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为00()()erdtdtdtdt(8―13)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即()lim0etdtdt（8―14此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率ω0(控制电压uc(t)=0时的频率),其偏移量由式(8―13)和(8―14)得到为00()rdtdt(8―15)这时输出信号的工作频率已变为00()(()ccrddtttdtdt(8―16)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路8.3.21.鉴相器（PD）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差θe(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数,图8―11正弦鉴相器模型ui(t)uo(t)LPFud(t)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―12线性鉴相器的频域数学模型1(t)－＋2(t)e(t)Udsin(·)Udsine(t)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路若以压控振荡器的载波相位ω0t作为参考,将输出信号uo(t)与参考信号uruo(t)=Uocos［ω0t+θ2(t)］(8―18)ur(t)=Ursin［ωrt+θr(t)］=Ursin［ω0t+θ1(t)］(8―19)式中，θ2(t)=θ0(t),θ1(t)=(ωr-ω0)t+θr(t)=Δω0t+θr(t)(8―20)将uo(t)与ur(t)相乘,滤除2ω0分量,可得ud(t)=Udsin［θ1(t)-θ2(t)］=Udsinθe(t)(8―21)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―13正弦鉴相器的鉴相特性－2－－2－3220322e(t)Ud(t)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―14(a)时域模型;(b)频域模型F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(s)(b)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路2.环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。1)RC这是最简单的低通滤波器,电路如图8―15(a)所示,其传递函数为1()1()()1sdUsFsUss(8―22)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―15RC积分滤波器的组成与频率特性(a)组成;(b)频率特性20lg|F(j)/dB0－3(对数刻度)()0－45－90－6dB/倍频程udRCuc(a)(b)/°1/《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路2)无源比例积分滤波器如图8―16(a)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21()1()()1cdUssFsUss(8―23)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―16(a)组成;(b)频率特性20lg|F(j)/dB0－3(对数刻度)()0－45－90udR1Cuc(a)(b)R21211220lg/°1/1/《高频电路原理与分析》第8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,电路如图8-17(a)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21()1()()1cdUssFsAUss(8―24)式中，τ′1=(R1+AR1+R2)C;τ2=R2C。若A很高,则221121221111()1()111sRCsRCFsAAsARRRCsARCsRCssRCs(8―25)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路3.压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性地变化,即式中，ωv(t)是VCO的瞬时角频率,Kd是线性特性斜率,表示单位控制电压,可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度或增益系数,单位为［rad/V·s］。在锁相环路中,VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位,即0()()vdctkut（8―26）《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路00020()()()()ttvdctdctdttkudtkud（8―27）（8―28）将此式与式(8―18)比较,可知以ω0t为参考的输出瞬时相位为《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―17(a)电路;(b)频率特性＋－CR1uducR220lg|F(j)/dB0(对数刻度)()0－45°(b)1220lg20lg212－90°－6dB/倍频程(a)/°(对数刻度)1/《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分作用,因此也称它为环路中的固有积分环节。式(8―28)就是压控振荡器相位控制特性的数学模型,若对式(8―28)进行拉氏变换,可得到在复频域的表示式为22()()()cddcUsksskUss（8―29）（8―30）VCO的传递函数为《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―18VCO的复频域模型pK0uc(t)2(t)(a)sK0uc(s)2(s)(b)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路4.环路相位模型和基本方程复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(≡d/dt)是微分算子。由图8―19,我们可以得出锁相环路的基本方程122()()()()sin()()cddetttKtUtFpp(8―31)(8―32)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路图8―19锁相环路的相位模型1(t)－＋e(t)Udsin[·]ud(t)F(p)uc(t)pK02(t)《高频电路原理与分析》第8章反馈控制电路将式(8―32)代入式