高频电子线路 第9章_反馈控制电路课件

1、 第第 9 章章 反馈控制电路反馈控制电路1、反馈控制电路的作用、反馈控制电路的作用6-1 反馈控制电路概述反馈控制电路概述2 2、基本工作原理、基本工作原理比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控可控器件器件反馈网络反馈网络)( tr参参考考信信号号)( tf反反馈馈信信号号)( te误误差差信信号号)( tc控控制制信信号号)( tx输输入入信信号号)( ty输输出出信信号号根据输入比较信号的不同，比较器可以是：电压比较器电压比较器、频率比较器（鉴频器）频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）相位比较器（鉴相器）；误差信号和控制信号一般为电压；可控参数为增益或频率；输出信号为电压、频

2、率或相位。一、概述一、概述比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控可控器件器件反馈网络反馈网络)( tr参参考考信信号号)( tf反反馈馈信信号号)( te误误差差信信号号)( tc控控制制信信号号)( tx输输入入信信号号)( ty输输出出信信号号3、分类、分类在输入信号幅度变化在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路。在较小范围内变化的一种自动控制电路。是一种频率反馈控制是一种频率反馈控制系统，系统，AFC电路控制的是信号的电路控制的是信号的频率频率。又叫锁相环路。又叫锁相环路。(Phase L

3、ocked Loop,简称简称PLL)，是一种相位反，是一种相位反馈控制系统，锁相环路控制的是信号的馈控制系统，锁相环路控制的是信号的相位相位。根据比较器和可控器件比较和调节的参量不同，根据比较器和可控器件比较和调节的参量不同，可以分为以下三类：可以分为以下三类：二、自动电平控制电路二、自动电平控制电路1、基本组成及工作原理、基本组成及工作原理rkv比较比较放大器放大器直流直流放大器放大器可控增益可控增益放大器放大器振幅振幅检波器检波器rvevivovomdVrA)(2evA1AdomVev0omVVim一定一定0omVev2、应用举例、应用举例无线电接收机中，由于天线上感生的信号强度变化范围

4、大，使扬声器发出忽强忽弱的声音，可采用自自动增益控制电路动增益控制电路，压缩有用信号的变化范围。高频高频放大器放大器混频器混频器包络包络检波器检波器tvkVvcaimscoskv中频中频放大器放大器低频低频放大器放大器dAGC检波器检波器 )( evArv)(romdvVd1A直流直流放大器放大器evttvkVvcaomIcos)(AGC电路电路 检测出输出信号的电平值，输出一个检测出输出信号的电平值，输出一个反映其输入信号电平的信号，输出与输入反映其输入信号电平的信号，输出与输入信号电平成线性关系，通常电平检测电路信号电平成线性关系，通常电平检测电路是由是由检波器检波器担任担任 。 电平检测

5、电路电平检测电路)()(1ttOd 滤波器滤波器 用以控制用以控制AGC电路电路的响应时间。也就是决的响应时间。也就是决定当输入电平以不同的定当输入电平以不同的频率变化时输出电平将频率变化时输出电平将怎样变化。常用的是单怎样变化。常用的是单节节RC积分电路积分电路。 比较器比较器 r将给定的基准电平将给定的基准电平与滤波器的输出电压信号进行比较，与滤波器的输出电压信号进行比较，输出两者的差值，即误差信号。输出两者的差值，即误差信号。)(frKeA 控制信号产生电路控制信号产生电路 将误差信号转换将误差信号转换为适应可变增益电路为适应可变增益电路所需要的控制信号。所需要的控制信号。 eccA 可

6、控增益电路能在控制电压作用下改变增可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。要求这个电路在增益变化时，不使信号产益。要求这个电路在增益变化时，不使信号产生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化范围大。范围大。 可控增益电路可控增益电路三、自动频率控制电路三、自动频率控制电路1、基本组成及工作原理、基本组成及工作原理混频器混频器放大器放大器差频差频放大器放大器压控压控振荡器振荡器cvevivov限幅限幅鉴频器鉴频器i0codv2、应用举例、应用举例混频器混频器放大器放大器及及LP中频中频放大器放大器压控压控振荡器振荡器AMv限幅限幅鉴频器鉴频器包络包络检波器

7、检波器低频低频放大器放大器A、自动频率微调电路、自动频率微调电路B、调频负反馈解调电路、调频负反馈解调电路混频器混频器中频中频放大器放大器压控压控振荡器振荡器FMv限幅限幅鉴频器鉴频器低通低通滤波器滤波器ieokv6-2 自动相位控制电路（锁相环路自动相位控制电路（锁相环路PLL）一、基本组成一、基本组成鉴相器的输出信号vd(t) 是输入信号vi(t)和压控振荡器输出信号vo(t)之间相位差的函数。 vd(t)经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分量后，成为压控振荡器的控制电压vp(t) 。 在vp(t)的作用下，压控振荡器输出信号的频率将发生相应变化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。

8、二、基本工作原理二、基本工作原理iooViV相位。相位。分别为其瞬时角频率和分别为其瞬时角频率和和和，为压控振荡器输出信号为压控振荡器输出信号相位；相位；分别为其瞬时角频率和分别为其瞬时角频率和和和，为鉴相器输入参考信号为鉴相器输入参考信号)()( )()( ttVttVoooiii 失失锁锁。，相相位位差差不不恒恒定定，称称为为锁锁定定。若若两两角角频频率率不不同同上上。此此种种情情况况称称为为频频率率使使其其稳稳定定在在参参考考信信号号角角的的控控制制得得到到对对应应的的直直流流电电压压，的的相相位位差差恒恒定定。鉴鉴相相器器与与时时，ioioioVV ,VCO两种调节过程两种调节过程 (

9、1)环路捕捉过程环路捕捉过程:环路由环路由失锁状态失锁状态进入进入锁定状态锁定状态的过程。环路的过程。环路接通，处于失锁状态，鉴相器输出误差电压为正弦差拍电压接通，处于失锁状态，鉴相器输出误差电压为正弦差拍电压vd(角角频率为频率为 )。角频率。角频率较小较小时，时， vd通过通过LP控制控制VCO输出输出调频波，使调频波，使o向向i摆动，达到锁定状态；角频率较大，差拍电压摆动，达到锁定状态；角频率较大，差拍电压衰减较大，捕捉时间较长。角频偏太大，将无法捕捉信号频率。衰减较大，捕捉时间较长。角频偏太大，将无法捕捉信号频率。能由失锁进入锁定所允许的最大角频差的两倍称为环路的捕捉带。能由失锁进入锁

10、定所允许的最大角频差的两倍称为环路的捕捉带。oi (2)环路跟踪过程环路跟踪过程:环路锁定后，若信号频率发生变化，产生瞬环路锁定后，若信号频率发生变化，产生瞬时频差，从而产生瞬时相位差，时频差，从而产生瞬时相位差，VCO输出频率得到调整，及时跟输出频率得到调整，及时跟踪输入信号频率，重新维持锁定状态的过程。锁定后能继续维持踪输入信号频率，重新维持锁定状态的过程。锁定后能继续维持锁定所允许的最大角频差的两倍称为锁定所允许的最大角频差的两倍称为跟踪带或同步带跟踪带或同步带。两种不同的跟踪状态两种不同的跟踪状态（2）参考信号改变：压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪调制跟

11、踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路调制跟踪环路”。调制跟踪环路可实现高质量的调角信号的解调。（1）参考信号不变：压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪载波跟踪状态，这叫载波跟踪环载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。三、三、PLL各部件的特性与数学模型各部件的特性与数学模型1、鉴相器、鉴相器 （PD） 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样鉴相器和鉴频鉴相器等。 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器正弦鉴相特性的鉴相器。式中， 为输入信号 的瞬时相位；)(ti)(tvi为压控振荡器输出信号 的瞬时相位。)(tvo)(to)()()(ttftvoid

12、 设相乘器的相乘系数为 k，单位为1/V。输入信号为：)(sin)(sin)(0tVttVtviimiiimi 假设输出信号为：)(cos)(cos)(0tVttVtvoomooomo 统一参考相位：统一参考相位：一般两信号的频率是不同的。为了便于比较，现统一以现统一以VCO 的自由振荡相位的自由振荡相位 为参考为参考to0)()()()(100000tttttttoioioii 式中：)()()()(0001tttttiioi 改写输入和输出信号表示式：改写输入和输出信号表示式：)(sin)(10ttVtvoimi )(cos)(cos)(200ttVttVtvoomooomo 输入信号相位

13、可改写为： 输入信号与输出信号经过相乘器后得到：)()(sin2)()(2sin21)()(21210ttVVKtttVKVtvtKvomimoomimoi 再经过低通滤波滤除 成分，便得到误差电压：02o)()(sin21)()(sin21)(021ttVKVttVKVtviomimomimd 令 ，不难看出Kd 为鉴相器的最大输出电压，它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。omimdVKVK21)(sin)(tKtvdd 正弦鉴相器的数学模型正弦鉴相器的数学模型2、环路滤波器、环路滤波器 （LF ） 锁相环路中采用线性低通滤波器线性低通滤波器，主要有两个功能：1）滤除误差信号中的高频分量；2

14、）为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。 环路滤波器由线性元件，电阻、电容和运算放大器组成。环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶滤波电路。滤波电路形式滤波电路形式直通电路直通电路1)(sHFRCRC积分滤波器积分滤波器)( 11)(RCssHF1RC2R无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器理想积分滤波器理想积分滤波器1R2RC1)(1)(212SSsHF121)(sssHFdpFvvpHdtdpssH

15、)()(对对应应的的微微分分方方程程为为替替换换，可可用用微微分分算算子子中中的的3、压控振荡器、压控振荡器 (VCO)Pvo00o 在一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制电压呈线性关系，即：)()(0tvAtpooo PLL中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬瞬时相位时相位。)()()()(20t 0 0ttdttvAtdtttopoooo VCO称为环路中的固有积分环节环路中的固有积分环节 VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。要求：频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度好；线性区域要宽；噪声尽可能低 。VCO的数学模型的数学模型 时域模

16、型：时域模型：)()()(20t 0 0ttdttvAttopooo pAo) (2t) (tvPoA) (2tp1) (tvP4、PLL的相位数学模型与环路方程的相位数学模型与环路方程原理方框图原理方框图sindK)( pHFpAo)(1t)(2t)()()(21ttte)(tvP)(tvdPDLFVCO相位数学模型相位数学模型0)()(sin)()(1)()(sin)()(1)()()(sin)(11212 ttppHAKtpApHtKttpApHttKteFodeoFedeoFd 0)()(sin)()(1 dttdtpHKdttdeFPe PLL环路的非线性微分方程环路的非线性微分方程

17、。odPAKKsrad/令 ，为环路增益，单位为为环路增益，单位为从相位数学模型可得到从相位数学模型可得到PLL环路的非线性微分方程环路的非线性微分方程讨论：讨论： 第一项是第一项是瞬时相位误差e (t)对时间的微分，e (t)是输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时频差瞬时频差。 第二项第二项是压控振荡器在控制电压vp (t)的作用下所产生的角频率变化量，所以一般称为控制频差控制频差。 第三项第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它不随时间变化而是决定于环路开始工作时的状态，称为称为“初始频差初始频差”。 在闭环后的任何时刻，初

18、始频差总等于瞬时频差和控在闭环后的任何时刻，初始频差总等于瞬时频差和控制频差的代数和制频差的代数和。 在锁定时刻，在锁定时刻， 是常数，所以控制频差等于初始频差。是常数，所以控制频差等于初始频差。)(te0)()(sin)()(1 dttdtpHKdttdeFPe 6、3 锁相环的应用锁相环的应用一、一、 锁相环在解调和接收机中的应用锁相环在解调和接收机中的应用鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器FMv)(ti)(to)(tvc1、调频波解调电路、调频波解调电路2、调幅波的同步检波、调幅波的同步检波鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器AMv)(tvo同步同步检波

19、器检波器/2相移器相移器3、锁相接收机、锁相接收机二、锁相环在频率合成器中的使用二、锁相环在频率合成器中的使用具有大量的可供用户选择和迅速更换的载频信号。具有大量的可供用户选择和迅速更换的载频信号。这些频率点的载波频率具有较高的稳定度与精度。这些频率点的载波频率具有较高的稳定度与精度。 采用频率合成，可以用一个或多个基准频率，通过一采用频率合成，可以用一个或多个基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。离散频率的频率稳定度和精度均与基准频率相同。各离散频率点能方便地变换。各离散频率点能

20、方便地变换。1、概、概 述述近代通信系统要求通信机：近代通信系统要求通信机：2、频率合成的基本方法、频率合成的基本方法A、直接频率合成法、直接频率合成法 采用混频器、倍频器混频器、倍频器、分频器分频器和滤波器滤波器的不同组合来实现频率合成的方法，一般称为直接频率合成法。倍频器倍频器分频器分频器混频器混频器MNrfqfofrqofNMff 频率间隔为：rfN1 离散频率数由倍频器的可变倍频次数M决定。 主要缺点：主要缺点：有较多非线性电路，可能产生寄生干扰，使输出信号频谱纯度降低输出信号频谱纯度降低。接入了大量的、滤波性能要求较高的频带滤波器，使设备体积庞大，造价也十分高使设备体积庞大，造价也十

21、分高。B、间接式频率合成（锁相频率合成）、间接式频率合成（锁相频率合成） 取样锁相环：取样锁相环：它是用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。 锁相环路具有良好的窄带滤波特性窄带滤波特性，故其输出信号质量得到明显的改善。 主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化高；易于得到大量的离散频率；易于集成化。 主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小。间隔不能做得很小

22、。C、直接数字频率合成（、直接数字频率合成（DDS） 在存储器存入合成波形的在存储器存入合成波形的M个均匀间隔的样品。个均匀间隔的样品。 以均匀速率把这些样品输出到以均匀速率把这些样品输出到DAC变换成模拟阶梯信号。变换成模拟阶梯信号。 经低通滤波器平滑，便得到所需波形。经低通滤波器平滑，便得到所需波形。 主要优点：相位连续；分辨力高（可达主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等。（几乎是即时的频率转换），以及成本低、控制灵活等

23、。 主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平可能很高。高时钟频率；总输出噪声电平可能很高。DDS （Direct Digtial Frequency Synthesis）是一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术。3、频率合成器的主要技术指标、频率合成器的主要技术指标工作频率范围工作频率范围频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围。围，称为频率合成器的工作频率范围。频率间隔频率间隔每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔。又称分辨力。率间隔。又称分辨力。频率转换时间频率转换时间由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。达到稳定工作所需的时间。频率稳定度与准确度频率稳定度与准确度频谱纯度频谱纯度4、锁相频率合成电路原理、锁相频率合成电路原理A、锁相倍频电路、锁相倍频电路鉴相器鉴相器环路环路滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器分频器分频器Nif)(tiNffooof)(toNtoo)(io