高频电子线路第10章_反馈控制电路_1

第10章反馈控制电路10.1自动增益控制电路10.2自动频率控制电路10.3锁相环的基本原理10.4一、反馈控制的概念和分类反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。电子线路中也常常应用反馈控制技术。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为以下三类：概述1、自动增益控制(AutomaticGainControl，简称AGC)，它主要用于接收机中，控制接收机的增益，以维持整机输出恒定，使之几乎不随外来信号的强弱变化。2、自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，简称AFC)，它主要用于维持电子设备中工作频率的稳定。3、自动相位控制(AutomaticPhaseControl，简称APC)，又称为锁相环路(PhaseLockLoop，简称PLL)，它用于锁定相位，能够实现许多功能，是应用最广的一种反馈控制电路。二、反馈控制电路的组成反馈控制电路的组成如图10-1所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。图10-1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)比较器的作用：是将参考信号ur(t)和反馈信号uf(t)进行比较，输出二者的差值即误差信号ue(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号uc(t)，对可控制器件的某一特性进行控制。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)。可控制器件：或者是其输入输出特性受控制信号uc(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uc(t)的控制(如压控振荡器)。反馈网络的作用：是在输出信号uo(t)中提取所需要进行比较的分量，送到比较器与参考信号进行比较。10.1自动增益控制电路一、自动增益控制的意义图10-2具有AGC电路的接收机组成框图在通信、导航、遥测遥感等无线电系统中，接收机接收到的信号可能有强有弱，通过AGC，使接收机的增益随信号强弱自动改变，达到信号幅度均衡的目的。AGC的基本结构如图10-2。二、工作原理1、自动增益控制电路的目的自动增益控制电路的目的：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益电路不起作用；而当输入信号很强时，自动增益电路进行控制，使接收机增益减小。从而达到当接收机信号强度变化时，其输出端的电压或功率基本不变或保持恒定的目的。2、自动增益控制电路框图自动增益控制电路框图如图10-3所示。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Av(uc)，它是控制电压uc的函数，则有()ovciUAuU(10-1)图10-3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。由于发射功率变化,距离远近变化,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（此现象称为反调制）,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。图10.4简单的AGC特性三、自动增益控制电路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电路在简单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10-4为简单AGC的特性曲线。特点：一有输入信号，AGC就起作用，增益就减小，因而对提高灵敏度不利特点：电路简单，不需专门比较器；只要有输入信号，AGC电路就起作用，适合输入信号很大的场合。具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图图10-5延迟AGC特性曲线Uo0UiUominUomaxUiminUimax2．延迟AGC电路在延迟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10-5所示。这种ＡＧＣ电路由于需要延迟到Ｕi＞Ｕimin之后才开始控制作用,故称为延迟ＡＧＣ。“延迟”二字不是指时间上的延迟。当输入信号Ｕi大于Ｕimax后,ＡＧＣ作用消失。可见,Ｕimin与Ｕimax区间即为所容许的输入信号的动态范围,Ｕomin与Ｕomax区间即为对应的输出信号的动态图10-6延迟AGC电路至信号检波－＋延迟电压VCCC1R1RCAGC电压VD改变“延迟电压”可改变门限的大小低通滤波器VD、C1、R1组成AGC检波器可见，只有放大器的输出大于延迟电压后，即输入信号幅度大于门限电压时，二极管VD导通，AGC检波器才工作。具有延迟AGC的接收机框图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。四、AGC的性能指标1．动态范围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。在AGC电路中，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出电压振幅的误差越小越好；另一方面，也希望容许输入信号振幅变化越大越好。AGC的动态范围是指：在给定输出信号振幅变化范围内，容许输入信号的变化范围。2．响应时间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。根据AGC的响应时间长短可分为慢速AGC和快速AGC两类。控制放大器增益的方法主要有两种:一种方法是通过改变放大器本身的某些参数,如发射极电流、负载、电流分配比、恒流源电流、负反馈大小等等来控制其增益;另一种方法是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。下面介绍两种常用电路。１.晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳|yfe|,而|yfe|又与晶体管工作点有关,所以,改变发射极平均电流ＩE就可以使|yfe|随之改变,从而达到控制放大器增益的目的。10.1.3晶体管|yfe|-IE特性曲线如图,其中实线是普通晶体管特性,虚线是ＡＧＣ管特性。如果把静态工作点选在ＩEQ点,当ＩE＜ＩEQ时,|yfe|随ＩE减小而下降,称为反向ＡＧＣ；当ＩE＞ＩEQ时,|yfe|随ＩE增加而下降,称为正向ＡＧＣ。而,当输入信号增强时,为使增益减小,ＩE应该增大,所以ＩE的变化方向与输入信号的变化方向应该相同。控制电压既可以从发射极送入,也可以从基极送入。对于反向ＡＧＣ,当输入信号增强时,希望增益减小,即|yfe|减小,则ＩE应该减小,所以ＩE的变化方向与输入信号的变化方向应该正好相反,故称为反向ＡＧＣ。反向ＡＧＣ的优点是工作电流较小,对晶体管安全工作有利,但工作范围较窄,而正向ＡＧＣ正好相反。为了克服正向ＡＧＣ工作电流较大的缺点,在制作晶体管时可以使其|yfe|-IE特性曲线的峰值点左移,同时使右端曲线斜率增大。专供增益控制用的ＡＧＣ管大多是正向ＡＧＣ管。这种电路的缺点是,当工作电流ＩE变化时,晶体管输入输出电阻、电容也会发生变化,因此将影响放大器的幅频特性、相频特性和回路Ｑ值。但由于电路简单,在一些要求不太高的ＡＧＣ电路中仍被广泛应用。AGC控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极送入，如图所示。EI改变的增益控制电路(a)反向ＡＧＣ(b)正向ＡＧＣ||iocbeBEfegouuuuIIyAu(a)(b)||iocbeBEfegouuuuIIyAu10.2一、工作原理自动频率控制（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10-7所示。图10-7自动频率控制电路的组成AFC电路的被控参数为频率。低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucwr频率比较器Kpwy输出信号wy1、频率比较器频率比较器：将电路的输出角频率与参考角频率进行比较，输出其误差（电压）。频率比较器有两种：鉴频器或混频-鉴频器。低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucwr频率比较器Kpwy输出信号wy2、可控频率器件可控频率器件通常为压控振荡器（VCO），将在误差信号的控制下，产生输出信号。压控振荡器的输出振荡角频率可写成：0yycckuww(10-5)低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucwr频率比较器Kpwy输出信号wy00yccu=VCOKw是时的固有频率，是压控灵敏度。可见，AFC电路是利用反馈网络，产生与输出频率与参考频率之差成正比的误差信号，并由误差信号控制振荡频率。显然，达到最后稳定时，两个频率存在着频差，叫剩余误差，Δω=|ωy-ωr|。二、应用自动频率微调电路（简称AFC电路）图10-8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。图10-8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f010.3锁相环的基本原理据前面介绍可知，AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，必然会有剩余频率误差存在，即频率误差不可能为零——AFC的固有缺点。锁相环也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但是它是利用相位误差去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，尽管存在剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零。图10-10锁相环的基本构成参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号一、工作原理1、电路结构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10-10所示。(1)鉴相器(PD)：是相位比较器，它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差θe(t)的误差电压ud(t)。(2)环路滤波器(LF)：其作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，保证环路性能，提高系统稳定性。(3)电压控制振荡器(VCO)：受控制电压uc(t)的控制，使其振荡频率向参考频率靠近，使两者频率误差越来越小，直至频差消除而被锁定。参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号2、工作原理设参考信号为：()sin[()]rrrrutUttw(10-10)设输出信号为：()sin[()]ooooutUttw(10-11)两信号之间的瞬时相差为：0000()()(())()()errrrttttttwwww（10-12）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()(())errdtdtdtdtww(10-13)因此，锁相环的工作原理为：首先鉴相器把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差大小的误差电压；此电压经环路滤波器过滤后得到控制电压；最后由控制电压去控制振荡器的振荡频率，使其向参考频率靠近，直到两者频率相等而相位同步实现锁定。参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输