第8章 反馈控制电路

1、+81 概 述 +82 自动增益控制电路 +83 自动频率控制电路 +84 锁相环路（PLL） +85 频率合成器 +86 APC电路简介 +反馈控制是现实物理过程中的一个基本现 象。在各种人造系统中，为准确调整系统 或单元的某些状态参数，常采用反馈控制 的方法。采用反馈控制的方法稳定放大器 增益是反馈控制在电子线路领域最典型的 应用之一。 +采用反馈控制的方法来稳定这些电路状态 参数就是: +自动增益控制（Automatic Gain Control简 记为AGC） +自动频率控制（Automatic Frequency Control简记为AFC） +自动相位控制（Automatic Ph

2、ase Control 简记为APC ） +自动功率控制（Automatic Power Control 简记为APC） 81 概 述 +为稳定系统状态而采用的反馈控制系统应 是一个负反馈系统或称负反馈环路。它由 图8-1所示的三部分组成。 图8-1 反馈控制系统 81 概 述 +821 自动增益控制电路的作用 +822 增益控制电路 +自动增益控制电路组成如图8-3所示。 图8-3 自动增益控制电路 +图8-4所示为调幅接收机的自动增益控制电路 结构框图。 +在图8-4所示简单AGC电路中，当接收机一有输 入信号，AGC电路就会立即起控制作用，接收 机的增益因受控而降低，这对接收弱信号是不

3、利的。 图8-4 具有简单ACC电路的调幅接收机框图 +为了克服这一缺点，可采用图8-5（a）所示的延迟式AGC 电路，图中单独设置提供AGC电压的AGC检波器。 +当AGC检波器输入信号幅度大于 时，AGC电路才起作用， 其控制特性如图8-5（b）所示。 图8-5 具有延迟式ACC电路的接收机 （a）框图 （b）延迟式ACC控制特性 +1控制晶体管发射极电流实现增益控制控制晶体管发射极电流实现增益控制 +晶体管放大器的增益与放大管的跨导 有关， 而 与管子的静态工作点有关，因此，改变 发射极工作点电流 ，放大器的增益即随 之改变，从而达到控制放大器增益的目的。 m g m g E I +为了

4、控制晶体管的静态工作点电流 ，一 般把控制电压 加到晶体管的基极或发射 极上。图8-6所示是控制电压加到晶体管基 极上的AGC电路。 E I C U 图8-6 AGC放大电路 +2差分放大器增益控制电路差分放大器增益控制电路 +集成电路中广泛采用差分电路作为基本单元，差分电路的 增益控制可以通过改变其电流分配比、负反馈深度和恒流 源电流等来实现。图8-7所示是由中频放大器集成块构成 的放大电路. 图8-7 改变电流分配比的增益控制电路 +831 工作原理 +图8-9所示为AFC电路的原理框图，它由鉴频器、 低通滤波器和压控振荡器组成 为标准频率， 为 输出信号频率。 r f o f 图8-9

5、AFC电路原理框图 +832 应用举例 +自动频率控制电路广泛用作接收机和发射机中的自动频率 微调电路。图8-10所示是采用AFC电路的调幅接收机组成 框图，它比普通调幅接收机增加了限幅鉴频器、低通滤波 器和放大器等部分，同时将本机振荡器改为压控振荡器。 图8-10 调幅接收机中的AFC系统 +在AFC电路的作用下，接收机的输入调幅信 号的载波频率和压控振荡器频率之差接近 于中频。因此，采用AFC电路后，中频放大 器的带宽可以减小，从而有利于提高接收 机的灵敏度和选择性。 832 应用举例 +图8-11所示是采用AFC电路的调频发射机组 成框图。 图8-11 具有AFC电路的调频发射机框图 8

6、32 应用举例 +841 锁相环路组成与基本原理 +842 锁相环路的数学模型 +843 锁相环路的捕捉与跟踪 +844 集成锁相环路 +845 锁相环路的应用 +锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的自动 控制电路，但它不是直接利用频率误差信号电压， 而是利用相位误差信号电压去消除频率误差。锁 相环路基本组成如图8-12所示，它是由鉴相器、 环路滤波器和压控振荡器组成的闭合环路，与AFC 电路相比较，其差别仅在于鉴相器取代了鉴频器。 图8-12 锁相环路基本组成 +众所周知，若两个正弦信号频率相等，则这两个 信号之间的相位差必保持恒定，如图8-13（a）所 示。若两个正弦信号频率不相等，则它

7、们之间的 瞬时相位差将随时间变化而不断变化，如图8-13 （b）所示.。 图8-13 两个信号的频率和相位之间的关系 （a） （b） +锁相环路的性能主要取决于鉴相器、环路 滤波器和压控振荡器三个基本组成部件， 下面先对它们的基本特性予以说明。 +1鉴相器（鉴相器（PD） 图8-14 正弦鉴相器的相位模型 +2环路滤波器（环路滤波器（LF） +在锁相环路中常用的环路滤波器有RC积分 滤波器、RC比例积分滤波器和有源比例积 分滤波器等，它们的电路分别如图8-15 （a）、（b）、（c）所示。 图8-15 环路滤波器 （a）RC积分滤波器 （b）RC比例积分滤波器 （c）有源比例积分滤波器 +由图

8、可写出它们的传递函数，现以图8-15 （b）为例，得 （8-6） +如果将 中的复频率s用微分算子P替换， 就可以写出描述滤波器激励和响应之间关 系的微分方程，即 （8-7） )(1 1 1 1 )( )( )( 21 2 21 2 s s sC RR sC R sU sU sA D C F )(sA F )()()(tupAtu DFC +由式（8-7）可得环路滤波器的电路模型， 如图8-16所示。 图8-16 环路滤波器的电路模型 +3压控振荡器（压控振荡器（VCO） +压控振荡器是一个电压一频率变换装置， 它的振荡角频率随输入控制电压 的变化 而变化。一般情况下，压控振荡器的控制 特性是

9、非线性的，如图8-17（a）所示 图8-17 压控振荡器的控制特性及其电路相位模型 （a）VCO的控制特性 （b）VCO相位模型 )(tuC +4锁相环路的相位模型和基本方程锁相环路的相位模型和基本方程 +将图8-14、图8-16（b）和图8-17所示三个基本环 路部件的数学模型按图8-12所示环路连接，就可 以得到图8-18所示锁相环路的相位模型。 图8-18 锁相环路相位模型 +由图8-18写出环路的基本方程式为 （8-12） +将式（8-14）两边对 求导数并移项，得 （8-13） 式（8-13）是一个非线性微分方程，它完整 地描述环路闭合后所发生的控制过程。 )()()( 0 ttt

10、ie )(sin)()(t p A pAAt e o Fdi )()(sin)()(tptpAAAtp ieFode +锁相环路根据初始状态的不同有两种自动 调节过程。若环路初始状态是失锁的，通 过自身的调节，使压控振荡器频率逐渐向 输入信号频率靠近，当达到一定程度后， 环路即能进入锁定，这种由失锁进入锁定 的过程称为捕捉过程。 +若环路初始状态是锁定的，因某种原因使 频率发生变化，环路通过自身的调节来维 持锁定的过程称为跟踪过程。 图8-19 捕捉带与同步带 （a）由低向高变化 b）由高向低变化 +由模拟电路构成的模拟锁相环路和由部分 数字电路（主要是数字鉴相器）或全部数 字电路（数字鉴相器

11、、数字滤波器、数控 振荡器）构成的数字锁相环路两大类。无 论是模拟锁相环还是数字锁相环，按其用 途可分为通用型和专用型两类。 +1通用型单片集成锁相环路L562 +L562是工作频率可达30 MHz的多功能单片集成锁相环路， 它的内部除包含鉴相器PD和压控振荡器VCO之外，还有三 个放大器 、 、 和一个限幅器，其组成如图8-20（a） 所示，外引线端排列如图8-20（b）所示。 1 A 2 A 3 A 图8-20 L562通用型集成锁相环路 （a）内部结构 （b）外引线端排列 +压控振荡器的等效电路如图8-21所示。 图8-21 射极耦合压控多谐振荡器 +2CMOS锁相环路锁相环路CD404

12、6 +CD4046是低频多功能单片集成锁相环路， 它主要由数字电路构成，具有电源电压范 围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，最高 工作频率为1 MHz。 +CD4046锁相环路的组成和外引线端排列分别如图8-22 （a）、（b）所示。 +由图可见，CD4046内含两个鉴相器、一个压控振荡器和缓 冲放大器、内部稳压器、输入信号放大与整形电路。 图8-22 CD4046集成锁相环路 （a）内部结构 （b）外引线端排列 +PD采用数字式鉴频鉴相器，由14、3端输 入信号的上升沿控制，它的鉴频鉴相特性 如图8-23所示。 图8-23 数字式鉴频鉴相器特性 +1锁相环路的基本特性锁相环路的基本特性 +总结以

13、上分析可知，锁相环路具有以下基本特性： +（1）环路锁定后，没有频率误差。 +（2）频率跟踪特性。 +（3）窄带滤波特性。 +2锁相鉴频电路锁相鉴频电路 +调频信号锁相解调电路组成如图8-24所示。 图8-24 调频波锁相解调电路组成 +采用集成片L562和外接电路组成的调频信号 锁相解调电路如图8-25所示。 图8-25 L562作调频信号解调电路 +3调幅波的同步检波调幅波的同步检波 +采用锁相环路从所接收的信号中提取载波 信号，可实现调幅波的同步检波。其电路 组成如图8-26所示。 图8-26 采用锁相环路的同步检波电路组成 +4锁相接收机锁相接收机 图8-27 锁相接收机组成 +锁相接

14、收机实际上是一个窄带跟踪环路，它比 一般锁相环路多了一个混频器和中频放大器， 由压控振荡器输出电压作为本振电压（频率 为 ），它与外加接收信号（频率为 ）相 混后，输出中频电压，经中频放大后加到鉴相 器与本地标准中频参考信号进行相位比较，在 环路锁定时，加到鉴相器上的两个中频信号频 率相等。 o i +851 频率合成器的主要技术指标 +852 锁相频率合成器 +大体来说，频率合成器有如下几项主要技术指标: +1频率范围频率范围 +2频率间隔频率间隔 +3频率转换时间频率转换时间 +4频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度 +5频谱纯度频谱纯度 +1单环频率合成器单环频率合成器 +在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器，就可构成锁相 频率合成器，如图8-29所示。 +2变模频率合成器变模频率合成器 +是单环频率合成器的一种改进，它可以增大最高 输出频率。 +3多环式锁相频率合成器多环式锁相