重庆科创职业学院反馈控制

1、第八章第八章 无线电技术中的反馈控制电路无线电技术中的反馈控制电路8.1 反馈控制系统的概念反馈控制系统的概念8.1.1 反馈控制系统的组成、工作过程和特点反馈控制系统的组成、工作过程和特点8.1.2 反馈控制系统的基本分析反馈控制系统的基本分析8.2 自动增益控制自动增益控制(AGC)电路电路8.2.1 电路的组成、工作原理和性能分析电路的组成、工作原理和性能分析8.2.2 放大器的增益控制放大器的增益控制可控增益电路可控增益电路8.2.3 AGC控制电压的产生控制电压的产生电平检测电路电平检测电路8.2.4 AGC电路举例电路举例8.3 自动频率控制自动频率控制(AFC)电路电路8.3.1

2、 AFC电路的组成和基本特性电路的组成和基本特性8.3.2 AFC电路的应用举例电路的应用举例8.4 自动相位控制电路自动相位控制电路8.4.1锁相环路的基本工作原理锁相环路的基本工作原理8.4.2锁相环的跟踪特性锁相环的跟踪特性 反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系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。本章先从反参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。本章先从反馈控制系统的基本概念入手，介绍反馈控制系统组成、工作馈控制系统的

3、基本概念入手，介绍反馈控制系统组成、工作过程、特点及基本分析。根据控制对象参数不同，反馈控制过程、特点及基本分析。根据控制对象参数不同，反馈控制电路在电子线路中可以分为以下三类：电路在电子线路中可以分为以下三类：自动增益控制自动增益控制(AGC)(AGC)电电路、自动频率控制路、自动频率控制(AFC)(AFC)电路及自动相位控制电路及自动相位控制(APC)(APC)电路电路。内内 容容 提提 要要8.1.1 8.1.1 反馈控制系统的组成、工作过程和特点反馈控制系统的组成、工作过程和特点 反馈控制系统的方框图如图反馈控制系统的方框图如图8.1所示。图中，比较器的作所示。图中，比较器的作用是将外

4、加的参考信号用是将外加的参考信号r(t)和和f(t)进行比较，通常是取其差值进行比较，通常是取其差值,并输出比较后的差值信号并输出比较后的差值信号e(t)，起检测误差信号和产生控制信，起检测误差信号和产生控制信号的作用。可控特性设备是在输入信号号的作用。可控特性设备是在输入信号s(t)的作用下产生输出的作用下产生输出信号信号y(t)，其输出与输入特性的关系受误差信号，其输出与输入特性的关系受误差信号e(t)的控制的控制,起起误差信号的校正作用。误差信号的校正作用。反馈环节的作用是将输出信号反馈环节的作用是将输出信号y(t)按按一定的规律反馈到输入端，这个规律可以随着要求的不同而一定的规律反馈到

5、输入端，这个规律可以随着要求的不同而不同，它对整个环路的性能起着重要的作用不同，它对整个环路的性能起着重要的作用。8.1 8.1 反馈控制系统的概念反馈控制系统的概念图图8.1 反馈控制系统的方框图反馈控制系统的方框图 1.反馈控制系统的工作过程反馈控制系统的工作过程 假定系统已处于稳定状态，这是输入信号为假定系统已处于稳定状态，这是输入信号为s0，输出信，输出信号号y0，参考信号为，参考信号为r0，比较器输出的误差信号为，比较器输出的误差信号为e0。 参考信号参考信号r0保持不变，输出信号保持不变，输出信号y发生了变化。发生了变化。y发生发生了变化的原因可以是输入信号了变化的原因可以是输入信

6、号s(t)发生了变化，也可以是可控发生了变化，也可以是可控特性设备本身的特性发生了变化。特性设备本身的特性发生了变化。y的变化经过反馈环节将的变化经过反馈环节将表现为反馈信号表现为反馈信号f的变化，使得输出信号的变化，使得输出信号y向趋近于向趋近于y0的方向的方向进一步变化。在反馈控制系统中，总是使输出信号进一步变化。在反馈控制系统中，总是使输出信号y进一步进一步变化的方向与原来的变化方向相反，也就是要减小变化的方向与原来的变化方向相反，也就是要减小y的变化的变化量。量。y的变化减小将使得比较器输出的误差信号减小。适当的变化减小将使得比较器输出的误差信号减小。适当的设计可以使系统再次达到稳定，

7、误差信号的设计可以使系统再次达到稳定，误差信号e的变化很小，的变化很小，这就意味着输出信号这就意味着输出信号y偏离稳态值偏离稳态值y0也很小，从而达到稳定也很小，从而达到稳定输出输出y0的目的。显然，整个调整过程是自动进行的。的目的。显然，整个调整过程是自动进行的。 参考信号参考信号r0发生了变化。这时即使输入信号发生了变化。这时即使输入信号s(t)和可控和可控特性设备的特性没有变化，误差信号特性设备的特性没有变化，误差信号e也要发生变化。系统也要发生变化。系统调整的结果使得误差信号调整的结果使得误差信号e的变化很小，这只能是输出信号的变化很小，这只能是输出信号y与参考信号与参考信号r同方向的

8、变化，也就是输出信号将随着参考信同方向的变化，也就是输出信号将随着参考信号的变化而变化。号的变化而变化。 总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出信号变化，只引起小的误差信号变化。信号变化，只引起小的误差信号变化。欲得此结果，需满足如下欲得此结果，需满足如下两个条件两个条件： 一是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致一是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致.因为比较器输出的误差信号因为比较器输出的误差信号e是参考信号是参考信号r与反馈信号与反馈信号f之差，之差，即即e=r-f，所以，只有反馈信号与参考信号变化方向一致，才，

9、所以，只有反馈信号与参考信号变化方向一致，才能抵消参考信号的变化，从而减小误差信号的变化。能抵消参考信号的变化，从而减小误差信号的变化。 二是从误差信号到反馈信号的整个通路（含可控特性设二是从误差信号到反馈信号的整个通路（含可控特性设备、反馈环节和比较器）的增益要高备、反馈环节和比较器）的增益要高。从反馈控制系统的工。从反馈控制系统的工作过程可以看出，整个调整过程就是反馈信号与参考信号之作过程可以看出，整个调整过程就是反馈信号与参考信号之间的差值自动减小的过程，而反馈信号的变化是受误差信号间的差值自动减小的过程，而反馈信号的变化是受误差信号的控制的。整个通路的增益愈高，同样的误差信号变化所引的

10、控制的。整个通路的增益愈高，同样的误差信号变化所引起的反馈信号变化就愈大。这样，对于相同的参考信号与反起的反馈信号变化就愈大。这样，对于相同的参考信号与反馈信号之间的起始偏差，在系统重新达到稳定后，通路增益馈信号之间的起始偏差，在系统重新达到稳定后，通路增益高，误差信号变化就小，整个系统调整的质量就高。应该指高，误差信号变化就小，整个系统调整的质量就高。应该指出，提高通路增益只能减小误差信号变化，而不能将这个变出，提高通路增益只能减小误差信号变化，而不能将这个变化减小到零。这是因为补偿参考信号与反馈信号之间的起始化减小到零。这是因为补偿参考信号与反馈信号之间的起始偏差所需的反馈信号变化，只能由

11、误差信号的变化产生。偏差所需的反馈信号变化，只能由误差信号的变化产生。 2.反馈控制系统的特点反馈控制系统的特点 误差检测。控制信号产生和误差信号校正全部都是自误差检测。控制信号产生和误差信号校正全部都是自动完成的。动完成的。 系统是根据误差信号的变化而进行调整的，而不管误系统是根据误差信号的变化而进行调整的，而不管误差信号是由哪种原因产生的。差信号是由哪种原因产生的。 系统的合理设计能够减小误差信号的变化，但不可能系统的合理设计能够减小误差信号的变化，但不可能完全消除。完全消除。 以上对反馈控制系统的组成、工作过程及其基本特点进以上对反馈控制系统的组成、工作过程及其基本特点进行了说明，下面对

12、反馈控制系统作一些基本分析。行了说明，下面对反馈控制系统作一些基本分析。8.1.2 8.1.2 反馈控制系统的基本分析反馈控制系统的基本分析 1.反馈控制系统的传递函数及数学模型反馈控制系统的传递函数及数学模型 分析反馈控制系统就是要找到参考信号与输出信号（又分析反馈控制系统就是要找到参考信号与输出信号（又称被控信号）的关系，也就是要找到反馈控制系统的传输特称被控信号）的关系，也就是要找到反馈控制系统的传输特性。和其他系统一样，反馈控制系统也可以分为线性系统与性。和其他系统一样，反馈控制系统也可以分为线性系统与非线性系统。这里着重分析线性系统。非线性系统。这里着重分析线性系统。 若参考信号若参

13、考信号r(t)的拉氏变换为的拉氏变换为R(s)，输出信号，输出信号y(t)的拉氏的拉氏变换为变换为Y(s)，则反馈控制系统的传输特性表示为：，则反馈控制系统的传输特性表示为：)()()(sRsYsT8.1.1称称T(s)为反馈控制系统的闭环传输函数。为反馈控制系统的闭环传输函数。 下面来推导闭环传输函数下面来推导闭环传输函数T(s)的表示式，并利用它分析的表示式，并利用它分析反馈控制系统的特性。为此需先找出反馈控制系统各部件的反馈控制系统的特性。为此需先找出反馈控制系统各部件的传递函数及数学模型。传递函数及数学模型。 比较器比较器 比较器的典型特性如图比较器的典型特性如图8.2所示，其输出的误

14、差信号所示，其输出的误差信号e通通常与参考信号常与参考信号r和反馈信号和反馈信号f的差值成比例，即的差值成比例，即 e=Acp(r-f) 8.1.2这里这里Acp是一个比例常数，它的量纲应满足不同系统能够的要是一个比例常数，它的量纲应满足不同系统能够的要求。如在下面将要分析的求。如在下面将要分析的AGC系统中，系统中，r是参考信号电平值是参考信号电平值,所以所以Acp是一个无量纲的常数。而在是一个无量纲的常数。而在AFC系统中，系统中，r是参考信是参考信号的频率值，号的频率值，f是反馈信号频率值，是反馈信号频率值，e是反映这两个频率差的是反映这两个频率差的电平值，所以电平值，所以Acp就不再是

15、一个常数，这种情况可参阅有关就不再是一个常数，这种情况可参阅有关文献，这里只讨论文献，这里只讨论Acp为常数的情况。为常数的情况。图图8.2 8.2 比较器的典型特性比较器的典型特性图图8.3 8.3 可控特性设备的典型特性可控特性设备的典型特性 将式将式8.1.2写成拉氏变换式写成拉氏变换式 E(s)=AcpR(s)-F(s) 8.1.3 其中，其中，E(s)是误差信号的拉氏变换，是误差信号的拉氏变换，R(s)是参考信号的是参考信号的拉氏变换，拉氏变换，F(s)是反馈信号的拉氏变换。是反馈信号的拉氏变换。 可控特性设备可控特性设备 在误差信号控制下产生相应输出信号的设备称为可控特在误差信号控

16、制下产生相应输出信号的设备称为可控特性设备。可控特性设备的典型特性如图性设备。可控特性设备的典型特性如图8.3所示。如压控振荡所示。如压控振荡器就是在误差电压的控制下产生相应的频率变化。和比较器器就是在误差电压的控制下产生相应的频率变化。和比较器一样可控特性设备的变化关系并不一定是线性关系，为简化一样可控特性设备的变化关系并不一定是线性关系，为简化分析，假定它是线性关系分析，假定它是线性关系 y=Ace 8.1.4 这里这里Ac是常数，其量纲应满足系统的要求。例如，压控是常数，其量纲应满足系统的要求。例如，压控振荡器的振荡器的Ac的量纲就是的量纲就是Hz/V。 将式将式8.1.4写成拉氏变换式

17、写成拉氏变换式 Y(s)=AcE(s) 8.1.5 反馈环节反馈环节 反馈环节的作用是将输出信号反馈环节的作用是将输出信号y的信号形式变换为比较的信号形式变换为比较器需要的信号形式。如输出信号是交流信号，而比较器需要器需要的信号形式。如输出信号是交流信号，而比较器需要用反映交变信号的平均值的直流信号进行比较，反馈环节应用反映交变信号的平均值的直流信号进行比较，反馈环节应能完成这种变换。反馈环节的另一重要作用是按需要的规律能完成这种变换。反馈环节的另一重要作用是按需要的规律传递输出信号。传递输出信号。 通常，反馈环节是一个具有所需特性的线性无源网络。通常，反馈环节是一个具有所需特性的线性无源网络

18、。如在如在PLL中它是一个低通滤波器。它的传递函数为中它是一个低通滤波器。它的传递函数为)()()(sYsFsH8.1.6称称H（s）为反馈传递函数。）为反馈传递函数。 根据上面各基本部件的功能和数学模型可以得到整个反根据上面各基本部件的功能和数学模型可以得到整个反馈控制系统的数学模型。如图馈控制系统的数学模型。如图8.4所示。所示。图图8.4 8.4 反馈控制系统的数学模型反馈控制系统的数学模型从而得到反馈控制的传递函数从而得到反馈控制的传递函数)(1)()()(sHAAAAsRsYsTcpccpc8.1.7)()()( )()()()()()()(sYsHAAsRAAsYsHsRAAsFs

19、RAAsEAsYcpccpccpccpcc 利用这个模型，就可以导出整个系统的传递函数：利用这个模型，就可以导出整个系统的传递函数： 因为因为正向传递函数是指输出信号正向传递函数是指输出信号Y(s)与误差信号与误差信号E(s)之比。之比。cfAsEsYsT)()()(8.1.98.1.10误差传递函数是指误差信号误差传递函数是指误差信号E(s)与参考信号与参考信号R(s)之比。之比。)(1)()()(sHAAAsRsEsTcpccpe 式式8.1.7称为反馈控制系统的闭环传递函数。利用该式就称为反馈控制系统的闭环传递函数。利用该式就可以对反馈控制系统的特性进行分析。在分析反馈控制系统可以对反馈

20、控制系统的特性进行分析。在分析反馈控制系统时，有时还用到开环传递函数时，有时还用到开环传递函数Top(s)，正向传递函数，正向传递函数Tf(s)和误和误差传递函数差传递函数Te(s)的表达式。的表达式。 开环传递函数是指反馈信号开环传递函数是指反馈信号F(s)与误差信号与误差信号E(s)之比之比)()()()(sHAsEsFsTcop8.1.8)()(1)(sRsHAAAAsYcpccpc8.1.11 在一般情况下，该式表示的是一个微分方程式，从线性在一般情况下，该式表示的是一个微分方程式，从线性系统分析可知，所求得的输出信号的时间函数系统分析可知，所求得的输出信号的时间函数Y(t)将包含有将

21、包含有稳态部分和瞬态部分。这里主要讨论稳态情况。稳态部分和瞬态部分。这里主要讨论稳态情况。 2.反馈控制系统的基本特性的分析反馈控制系统的基本特性的分析 反馈控制系统的瞬态与稳态响应反馈控制系统的瞬态与稳态响应 若反馈控制系统已经给定，即正向传递函数若反馈控制系统已经给定，即正向传递函数Ac和反馈传和反馈传递函数递函数H(s)为已知，则在给定参考信号为已知，则在给定参考信号R(s)后就可根据后就可根据8.1.7式求得该系统的输出信号式求得该系统的输出信号Y(s)，因为，因为 反馈控制系统的跟踪特性反馈控制系统的跟踪特性 反馈控制系统的跟踪特性是指误差函数反馈控制系统的跟踪特性是指误差函数e与参

22、考信号与参考信号r的的关系。它的复频域表示式是式关系。它的复频域表示式是式8.1.10所示的误差传递函数，所示的误差传递函数，也可表示为也可表示为)()(1)(sRsHAAAsEccpcp8.1.15 当给定参考信号当给定参考信号r时，求出其拉氏变换并代入时，求出其拉氏变换并代入8.1.15式求出式求出E(s)，再进行逆变换就可得误差信号，再进行逆变换就可得误差信号e随时间变化的函数式。随时间变化的函数式。显然，误差信号的变化情况既决定于系统的参数显然，误差信号的变化情况既决定于系统的参数Acp、Ac和和H(s)，也决定于参数信号的形式。对于同一个系统，当参考，也决定于参数信号的形式。对于同一

23、个系统，当参考信号是一个阶约函数时，误差信号是一种形式，而当参考信信号是一个阶约函数时，误差信号是一种形式，而当参考信号是一个斜升函数（随时间线性增加的函数）时，误差信号号是一个斜升函数（随时间线性增加的函数）时，误差信号又是另一种形式。又是另一种形式。 误差信号随时间变化的情况，反映了参考信号变化和系误差信号随时间变化的情况，反映了参考信号变化和系统是怎样跟随变化的。例如，当参考信号是阶约变化时，即统是怎样跟随变化的。例如，当参考信号是阶约变化时，即由一个稳态值变化到另一个稳态值时，误差信号在开始时较由一个稳态值变化到另一个稳态值时，误差信号在开始时较大，而当控制过程结束系统达到稳态时，误差

24、信号将变得很大，而当控制过程结束系统达到稳态时，误差信号将变得很小，近似为零。但是，对于不同的系统变化的过程是不一样小，近似为零。但是，对于不同的系统变化的过程是不一样的，它可能是单调减小，也可能是振荡减小，如图的，它可能是单调减小，也可能是振荡减小，如图8.7中曲线中曲线()和和()所示。所示。图图8.7 8.7 反馈控制系统的跟踪过程反馈控制系统的跟踪过程 当需要了解系统在跟踪过程中有没有起伏以及起伏的大当需要了解系统在跟踪过程中有没有起伏以及起伏的大小时，或者需要了解误差信号减小到某一规定值所需时间（小时，或者需要了解误差信号减小到某一规定值所需时间（即跟踪速度）时，就需要了解整个跟踪过

25、程。从数学上说，即跟踪速度）时，就需要了解整个跟踪过程。从数学上说，就是要求出在给定参考信号变化的形式的情况下误差信号的就是要求出在给定参考信号变化的形式的情况下误差信号的时间函数。但是这种计算往往是比较复杂的。时间函数。但是这种计算往往是比较复杂的。 在许多实际应用中，往往不需要了解信号的跟踪过程，在许多实际应用中，往往不需要了解信号的跟踪过程，而只需了解系统稳定后误差信号的大小，称其为而只需了解系统稳定后误差信号的大小，称其为稳态误差稳态误差。利用拉氏变换的终值定理和误差传递函数的表达式利用拉氏变换的终值定理和误差传递函数的表达式8.1.15就就可求得稳态误差值可求得稳态误差值es)()(

26、1lim)(lim)(lim00sRsHAAsAssEteeccpcpssts8.1.16es愈小，说明系统的跟踪误差愈小，跟踪特性愈好。愈小，说明系统的跟踪误差愈小，跟踪特性愈好。 反馈控制系统的频率响应反馈控制系统的频率响应 反馈控制系统在正弦信号作用下的稳态响应称为频率响反馈控制系统在正弦信号作用下的稳态响应称为频率响应。可以用应。可以用j代替传递函数中的代替传递函数中的s来得到。这样系统的闭环来得到。这样系统的闭环频率响应为频率响应为)(1)()()(jHAAAAjRjYjTccpccp8.1.20 这时，反馈控制系统等效为一个滤波器，这时，反馈控制系统等效为一个滤波器，T(j)也可以

27、用也可以用幅频特性和相频特性表示。若参考信号的频谱函数为幅频特性和相频特性表示。若参考信号的频谱函数为R(j)，那么经过反馈控制系统后，它的不同频率分量的幅度和相位那么经过反馈控制系统后，它的不同频率分量的幅度和相位都将发生变化。都将发生变化。 由式由式8.1.20可以看出，反馈环节的频率响应可以看出，反馈环节的频率响应H(j)对反馈对反馈控制系统的频率响应起决定性的作用。可以利用改变控制系统的频率响应起决定性的作用。可以利用改变H(j)的方法调整整个系统的频率响应。的方法调整整个系统的频率响应。 与闭环频率响应一样，用式与闭环频率响应一样，用式8.1.10可求得误差频率响应可求得误差频率响应

28、)(1)()()(jHAAAjRjEjTccpcpe8.1.21它表示误差信号的频谱函数与参考信号频谱函数的关系。它表示误差信号的频谱函数与参考信号频谱函数的关系。 反馈控制系统的稳定性是必须考虑的重要问题之一。其反馈控制系统的稳定性是必须考虑的重要问题之一。其含义是，在外来扰动的作用下，环路脱离原来的稳定状态，含义是，在外来扰动的作用下，环路脱离原来的稳定状态，经瞬变过程后能回到原来的稳定状态，则系统是稳定的，反经瞬变过程后能回到原来的稳定状态，则系统是稳定的，反之则是不稳定的。之则是不稳定的。 若一个线性电路的若一个线性电路的传递函数传递函数T(s)的全部极点（亦即特征的全部极点（亦即特征

29、方程的根）位于复平面的左半平面内方程的根）位于复平面的左半平面内，则它的瞬态响应将是，则它的瞬态响应将是按指数规律衰减（不论是振荡的或是非振荡的）。这时，环按指数规律衰减（不论是振荡的或是非振荡的）。这时，环路是路是稳定稳定的。反之，若其中一个或一个以上的极点处于复平的。反之，若其中一个或一个以上的极点处于复平面的面的右半平面或虚轴上右半平面或虚轴上，则环路的瞬态响应或为等幅振荡或，则环路的瞬态响应或为等幅振荡或为指数增长振荡。这时环路是为指数增长振荡。这时环路是不稳定不稳定的。的。反馈控制系统的稳定性反馈控制系统的稳定性因此，由式因此，由式8.1.7，根据环路的特征方程，根据环路的特征方程

30、1+AcpAcH(s)=0 8.1.25由此得出由此得出全部特征根位于复平面的左半平面内是环路稳定工全部特征根位于复平面的左半平面内是环路稳定工作的充要条件作的充要条件。 反馈控制系统的控制范围反馈控制系统的控制范围 前面的分析，都是假定比较器和可控特性设备及反馈环前面的分析，都是假定比较器和可控特性设备及反馈环节具有线性特性。这个假定只可能在一定的范围内任何一个节具有线性特性。这个假定只可能在一定的范围内任何一个实际的反馈控制系统都有一个能够正常工作的范围。实际的反馈控制系统都有一个能够正常工作的范围。 自动增益控制电路是某些电子设备，特别是接收设备的自动增益控制电路是某些电子设备，特别是接

31、收设备的重要的辅助电路之一，其重要的辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持主要作用是使设备的输出电平保持为一定的数值为一定的数值。因此也称。因此也称自动电平控制（自动电平控制（ALC）电路）电路。 接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增益。由于种种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，益。由于种种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，微弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏。微弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏。也就是说最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这种变化也就是说最强信号和最弱信号相差可达几十分贝

32、。这种变化范围叫做接收机的范围叫做接收机的动态范围动态范围。8.2 8.2 自动增益控制自动增益控制(AGC)(AGC)电路电路 自动增益控制电路是输入信号电平变化时，用改变增益自动增益控制电路是输入信号电平变化时，用改变增益的方法维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。的方法维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。 对自动增益控制电路的主要要求是控制范围要宽，信号对自动增益控制电路的主要要求是控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时，不影响接收机的噪失真要小，要有适当的响应时间，同时，不影响接收机的噪声性能。声性能。若用若用minmaxiiiUUm 代表代表AGC电路输入

33、信号电平的变化范围，则电路输入信号电平的变化范围，则minmaxoooUUm 代表代表AGC电路输出信号电平允许变化范围。电路输出信号电平允许变化范围。当给定当给定mo时，时，mi取取 ng=mi/mo 8.2.1称称ng为增益控制倍数，显然为增益控制倍数，显然ng愈大控制范围愈宽。愈大控制范围愈宽。minmaxmaxmaxminminminmaxminmax/AAUUUUUUUUmmnoiioooiioig8.2.2式中，式中，Amax=Uomin/Uimin表示表示AGC电路的最大增益，电路的最大增益，Amin=Uomax/Uimax表示表示AGC电路的最小增益。电路的最小增益。 可见，要

34、想扩大可见，要想扩大AGC电路的控制范围，就要增大电路的控制范围，就要增大AGC电路的增益控制倍数，也就是要求电路的增益控制倍数，也就是要求AGC电路有较大的增益电路有较大的增益变化范围。同时要根据信号的性质和需要，设计适当的响变化范围。同时要根据信号的性质和需要，设计适当的响应时间。应时间。8.2.1 AGC8.2.1 AGC电路的组成、工作原理及性能分析电路的组成、工作原理及性能分析 AGC电路的组成如图电路的组成如图8.11所示。它包含有可控增益电所示。它包含有可控增益电路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制信号产生器。路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制信号产生器。图图8.11 AG

35、C电路组成电路组成 1.电平检测电路电平检测电路 电平检测电路的功能就是检测出输出信号的电平值。它电平检测电路的功能就是检测出输出信号的电平值。它的输入信号就是的输入信号就是AGC电路的输出信号，可能是调幅波或调频电路的输出信号，可能是调幅波或调频波，也可能是声音信号或图象信号。这些信号的幅度也是随波，也可能是声音信号或图象信号。这些信号的幅度也是随时间变化的，但变化频率较高，至少在几十赫兹以上。而其时间变化的，但变化频率较高，至少在几十赫兹以上。而其输出则是一个仅仅反映其输入信号电平的信号，如果其输入输出则是一个仅仅反映其输入信号电平的信号，如果其输入信号的电平不变，那么电平检测电路的输出信

36、号就是一个脉信号的电平不变，那么电平检测电路的输出信号就是一个脉动电流。一般情况下，电平信号的变化频率较低，如几赫兹动电流。一般情况下，电平信号的变化频率较低，如几赫兹左右。通常电平检测电路是由检测器担任，其输出与输入信左右。通常电平检测电路是由检测器担任，其输出与输入信号电平成线性关系，即号电平成线性关系，即 u1=Kduy 8.2.3其复频域表示式为其复频域表示式为 U1(s)=KdUy(s) 8.2.4 2.滤波器滤波器 对于以不同频率变化的电平对于以不同频率变化的电平信号，滤波器将有不同的传输特信号，滤波器将有不同的传输特性。用此可以控制性。用此可以控制AGC电路的响电路的响应时间。也

37、就是决定当输入电平应时间。也就是决定当输入电平以不同的频率变化时输出电平将以不同的频率变化时输出电平将怎样变化。常用的是单节怎样变化。常用的是单节RC积分电路。如图积分电路。如图8.12所示。所示。 它的传输特性为它的传输特性为sRCsUsUsHf11)()()(1图图8.12 RC积分电路积分电路8.2.5 3.比较器比较器 将给定的基准电平将给定的基准电平Ur与滤波器输出的与滤波器输出的uf进行比较，输出进行比较，输出误差信号为误差信号为ue。通常。通常ue与与(ur-uf)成正比，所以，比较器特性的成正比，所以，比较器特性的复频域表示式为复频域表示式为 Ue(s)=AcpUr(s)-uf

38、(s) 8.2.6其中，其中，Acp为一比例常数。为一比例常数。 4.控制信号产生器控制信号产生器 控制信号产生器的功能是将误差信号变换为适于可变增控制信号产生器的功能是将误差信号变换为适于可变增益电路需要的控制信号。这种变换通常是幅度的放大或极性益电路需要的控制信号。这种变换通常是幅度的放大或极性的变换。有的还设置一个初始值，以保证输入信号小于某一的变换。有的还设置一个初始值，以保证输入信号小于某一电平时，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的复频域电平时，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的复频域表示式为表示式为 Up(s)=ApUe(s) 8.2.7其中，其中，Ap为比例常数。为比例常

39、数。 5.可控增益电路可控增益电路 可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。要求这个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，不使信号产生线性或非线性失真。同时电路在增益变化时，不使信号产生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化范围大，它将直接影响要求它的增益变化范围大，它将直接影响AGC系统的增益控系统的增益控制倍数制倍数ng。所以，可控增益电路的性能对整个。所以，可控增益电路的性能对整个AGC系统的技系统的技术指标影响是很大的。术指标影响是很大的。 可控增益电路的增益与控制电压的关系一般是非线性可控增益电路的增益与控制电压的关系一般是非线性的。通常最关心的是的。通常

40、最关心的是AGC系统的稳定情况。为简化分析，假系统的稳定情况。为简化分析，假定它的特性是线性的，即定它的特性是线性的，即 G=Agup 8.2.8其复频域表示式为其复频域表示式为 G(s)=AgUp(s) 8.2.9 Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)Up(s)=KgUp(s) 8.2.10式中，式中，Kg=AgUi，表示表示Uo与与Up关系中的斜率，如图关系中的斜率，如图8.13所示。所示。 以上说明了以上说明了AGC电路的组成及各部件的功能。但是，在电路的组成及各部件的功能。但是，在实际实际AGC电路中并不一定都包含这些部分。电路中并不一定都包含这些部分。8.2.2 8.2.2

41、 放大器的增益控制放大器的增益控制可控增益电路可控增益电路 可控增益电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变可控增益电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。这部分电路通输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。这部分电路通常是与整个系统共用的，并不是单独属于常是与整个系统共用的，并不是单独属于AGC系统。例如接系统。例如接收机的高、中频放大器，它既是接收机的信号通道，又是收机的高、中频放大器，它既是接收机的信号通道，又是AGC系统的可控增益电路。要求可控增益电路只改变增益而系统的可控增益电路。要求可控增益电路只改变增益而不致使信号失真。如果单级增益变化范围

42、不能满足要求时，不致使信号失真。如果单级增益变化范围不能满足要求时，还可采用多级控制的方法。还可采用多级控制的方法。 可控增益电路通常是一个可控增益电路通常是一个可变增益放大器可变增益放大器。控制放大器。控制放大器增益的方法主要有：控制放大器本身的某些参数后，在放大增益的方法主要有：控制放大器本身的某些参数后，在放大器级间插入可控衰减器。器级间插入可控衰减器。 1.利用控制放大器本身的参数改变增益利用控制放大器本身的参数改变增益 利用控制放大器本身的参数改变增益的方法有改变发射利用控制放大器本身的参数改变增益的方法有改变发射极电流，改变放大器负载，改变差分电流分配比以及改变负极电流，改变放大器

43、负载，改变差分电流分配比以及改变负反馈等多种形式。反馈等多种形式。 改变发射极电流改变发射极电流Ie 正向传输导纳正向传输导纳|Yfe|与晶体管的工作点有关，改变发射极与晶体管的工作点有关，改变发射极（或集电极电流）就可以使（或集电极电流）就可以使|Yfe|随之改变，从而达到控制放随之改变，从而达到控制放大器增益的目的。大器增益的目的。 改变放大器的负载改变放大器的负载 放大器的增益与负载放大器的增益与负载YL有关，调节有关，调节YL也可以实现对放大也可以实现对放大器增益的控制。器增益的控制。 改变电流分配比改变电流分配比 利用电流分配法来控制放大器的增益，其优点是：放大利用电流分配法来控制放

44、大器的增益，其优点是：放大器的增益受控时，只是改变了器的增益受控时，只是改变了VT1和和VT2的电流分配，对的电流分配，对VT3没有影响。没有影响。改变恒流源电流改变恒流源电流 改变恒流源电流的增益控制电路如图改变恒流源电流的增益控制电路如图8.21所示。它是平所示。它是平衡输入，单端输出的差分放大电路。该电路的小信号跨导为衡输入，单端输出的差分放大电路。该电路的小信号跨导为omIkTaqg4由于由于VT2的负载电阻为的负载电阻为Rc，则单端输出时的电压放大倍数是，则单端输出时的电压放大倍数是cococmuRIRIkTaqRgA1048.2.24 显然，改变显然，改变Io即可改变即可改变Au。

45、对于输入信号。对于输入信号ui而言，改变而言，改变Io相当于改变了这个放大器的跨导，所以这种工作方式又称为相当于改变了这个放大器的跨导，所以这种工作方式又称为可变跨导放大器。可变跨导放大器。2.利用在放大器级间插入可控衰减器改变增益利用在放大器级间插入可控衰减器改变增益 在放大器各级间插入由二极管和电阻网络构成的电控衰在放大器各级间插入由二极管和电阻网络构成的电控衰减器来控制增益，是增益控制的一种较好的方法。减器来控制增益，是增益控制的一种较好的方法。 简单的二极管电控衰减器如图简单的二极管电控衰减器如图8.22所示。电阻所示。电阻R和二极和二极管管VD的动态电阻的动态电阻rd构成一个分压器。

46、当控制电压构成一个分压器。当控制电压up变化时，变化时，rd随着变化，从而改变分压器的分压比。随着变化，从而改变分压器的分压比。图图8.22 二极管电控衰减器二极管电控衰减器 图图8.23是一种改进电路。控制电压是一种改进电路。控制电压up通过三极管通过三极管VT来控来控制制VD1、VD2和和VD3 、VD4的动态电阻。当输入信号较弱时，的动态电阻。当输入信号较弱时，控制电压控制电压up的值较小，晶体管的值较小，晶体管VT的电流较大，流过的电流较大，流过VD1VD4的电流也比较大，其动态电阻的电流也比较大，其动态电阻rd小，因而信号小，因而信号ui从四只二从四只二极管通过时的衰减很小。当输入信

47、号增大时，极管通过时的衰减很小。当输入信号增大时，up的值增大，的值增大，VT和和VD1VD4的电流减小，的电流减小，rd增大，使信号受到较大的衰增大，使信号受到较大的衰减。减。图图8.23 串联式二极管衰减器串联式二极管衰减器 图图8.25是用是用PIN管作为增益控制器件的典型电路。图中管作为增益控制器件的典型电路。图中VT1是共发射极电路，它直接耦合到下一级的基极；是共发射极电路，它直接耦合到下一级的基极；VT2是射是射极跟随器，放大后的信号由发射极输出，同时有一部分由反极跟随器，放大后的信号由发射极输出，同时有一部分由反馈电阻馈电阻Rf反馈到反馈到VT1的基极，反馈深度可通过的基极，反馈

48、深度可通过Rf调整。因为调整。因为反馈电压与输入电压并联，所以是电压并联负反馈。反馈电压与输入电压并联，所以是电压并联负反馈。图图8.25 用用PIN管作为电控衰减器的放大电路管作为电控衰减器的放大电路8.2.3 AGC8.2.3 AGC控制电压的产生控制电压的产生电平检测电路电平检测电路 AGC控制电压是由电平检测电路形成的，电平检测电路控制电压是由电平检测电路形成的，电平检测电路的功能是从系统输出信号中取出电平信息。通常要求其输出的功能是从系统输出信号中取出电平信息。通常要求其输出应与信号电平成比例。应与信号电平成比例。 按照控制电压产生方法的不同，电压检测电路有按照控制电压产生方法的不同

49、，电压检测电路有平均值平均值型型、峰值型峰值型和和选通型选通型三种。三种。 1.平均值型平均值型AGC电路电路 平均值型平均值型AGC电路适应于被控信号中含一个不随有用信电路适应于被控信号中含一个不随有用信号变化的平均值的情况。调幅接收机的自动增益控制广泛采号变化的平均值的情况。调幅接收机的自动增益控制广泛采用这种电路。用这种电路。图图8.26 平均值型电平检测电路平均值型电平检测电路 图图8.26是一种常用的等效电路，二极管是一种常用的等效电路，二极管VD和和R1、R2、C1、C2构成一个检波器，中频输出信号构成一个检波器，中频输出信号uo经检波后，除了得经检波后，除了得到音频信号之外，还有

50、一个平均直流分量到音频信号之外，还有一个平均直流分量up，它的大小和中，它的大小和中频载波电平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以频载波电平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以用做用做AGC控制电压。控制电压。Rp、Cp组成一个低通滤波器。把检波组成一个低通滤波器。把检波后的音频分量滤掉，使控制电平后的音频分量滤掉，使控制电平up不受音频信号的影响。不受音频信号的影响。 为了减小反调制作用所产生的失真，时间常数为了减小反调制作用所产生的失真，时间常数p=RpCp应根据调制信号的最低频率应根据调制信号的最低频率FL来选择。其数值可以用下式来来选择。其数值可以用下式来计算：计算：pLR

51、F2105pC8.2.26 2.峰值型峰值型AGC电路电路 峰值型峰值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的峰值的情况。号变化的峰值的情况。 峰值型峰值型AGC检波电路不能和图象信号的检波共用一个检检波电路不能和图象信号的检波共用一个检波器。必须另外设置一个峰值检波器。图波器。必须另外设置一个峰值检波器。图8.28就是这种检波就是这种检波器的电路。器的电路。图图8.28 峰值型电平检测电路及其波形峰值型电平检测电路及其波形 峰值型峰值型AGC电路具有一些优点，它比平均值型电路具有一些优点，它比平均值型AGC电路电路的输出电压要大得多，它具有

52、较好的抗干扰能力，幅度小于的输出电压要大得多，它具有较好的抗干扰能力，幅度小于同步信号的干扰，对于同步信号的干扰，对于AGC电路的工作没有影响。但是如果电路的工作没有影响。但是如果干扰幅度大于同步信号，而且混入的时间较长，那么，它对干扰幅度大于同步信号，而且混入的时间较长，那么，它对AGC电路就会产生危害。因此，这种电路的抗干扰性能还不电路就会产生危害。因此，这种电路的抗干扰性能还不够理想。够理想。 3.选通型选通型AGC电路电路 选通型选通型AGC电路具有更强的抗干扰能力，多用于高质量电路具有更强的抗干扰能力，多用于高质量的电视接收机和某些雷达接收机。它的基本思想是的电视接收机和某些雷达接收

53、机。它的基本思想是只在反映只在反映信号电平的时间范围内对信号取样，然后利用这些取样值形信号电平的时间范围内对信号取样，然后利用这些取样值形成反应信号的电平成反应信号的电平。这样，出现在取样时间范围外的干扰都。这样，出现在取样时间范围外的干扰都不会对电平值产生影响，从而大大提高了电路的抗干扰能力不会对电平值产生影响，从而大大提高了电路的抗干扰能力.使用这种方法的条件，首先是信号本身要周期性出现，在信使用这种方法的条件，首先是信号本身要周期性出现，在信号出现的时间内信号的幅度能反映信号的电平；其次是要提号出现的时间内信号的幅度能反映信号的电平；其次是要提供与上述信号出现时间想对应的选通信号，这个选

54、通信号可供与上述信号出现时间想对应的选通信号，这个选通信号可由由AGC系统内部产生，也可由外部提供。系统内部产生，也可由外部提供。8.2.4 AGC8.2.4 AGC电路举例电路举例 图图8.30是一种简单的延迟是一种简单的延迟AGC电路。电路有两个检波器电路。电路有两个检波器,一个是信号检波器一个是信号检波器S，另一个是，另一个是AGC的电平检测电路的电平检测电路A。它。它们的主要区别在于后者的检波二极管们的主要区别在于后者的检波二极管VD2上加有延迟电压上加有延迟电压Vd.这样，只有当输出电压这样，只有当输出电压uo的幅度大于的幅度大于Vd时，时，VD2才开始检波才开始检波,产生控制电压产

55、生控制电压up。 与简单与简单AGC不同，延迟不同，延迟AGC的电平检测电路不能和信号的电平检测电路不能和信号检波器共用一个二极管。因为检波器加上延迟电压检波器共用一个二极管。因为检波器加上延迟电压Vd之后，之后，对于小于对于小于Uimin信号不能检测，而对于大于信号不能检测，而对于大于Uimax的信号将产生的信号将产生大较大的非线性失真。大较大的非线性失真。图图8.30 延迟延迟AGC电路电路 AFC电路也是一种反馈控制电路。它与电路也是一种反馈控制电路。它与AGC电路的区别电路的区别在于在于控制对象控制对象不同，不同，AGC电路的控制对象是电路的控制对象是电平信号电平信号，而，而AFC电路

56、的控制对象则是电路的控制对象则是信号的频率信号的频率。其主要作用是自动控。其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。制振荡器的振荡频率。8.3 8.3 自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）电路）电路8.3.1 AFC8.3.1 AFC电路的组成和基本特性电路的组成和基本特性 1.AFC电路的组成电路的组成 AFC电路的框图如图电路的框图如图8.31所示需要注意的是在反馈环路所示需要注意的是在反馈环路中传递的是频率信息，误差信号正比于参考频率与输出频率中传递的是频率信息，误差信号正比于参考频率与输出频率之差，控制对象是输出频率。不同于之差，控制对象是输出频率。不同于AGC电路在环路中产生电路在

57、环路中产生的电平信息，误差信号正比于参考电平与反馈电平之差，控的电平信息，误差信号正比于参考电平与反馈电平之差，控制对象是输出电平。因此研究制对象是输出电平。因此研究AFC电路应着眼于电路应着眼于频率频率。图图8.31 AFC电路方框图电路方框图 频率比较器频率比较器 加到频率比较器的信号，一是参考信号，一是反馈信号加到频率比较器的信号，一是参考信号，一是反馈信号,它的输出电压它的输出电压ue与这两个信号的频率差有关，而与这两个信与这两个信号的频率差有关，而与这两个信号的幅度无关，称号的幅度无关，称ue为误差信号。为误差信号。 ue=Acp(r-o) 8.3.1式中，式中，Acp在一定的频率范

58、围内为常数，实际上是鉴频跨导。在一定的频率范围内为常数，实际上是鉴频跨导。图图8.32 混频混频-鉴频型频率比较器框图及其特性鉴频型频率比较器框图及其特性 可控频率电路可控频率电路 可控频率电路是在控制信号可控频率电路是在控制信号uc的的作用下，用以改变输出信号频率的装作用下，用以改变输出信号频率的装置。显然，它是一个电压控制的振荡置。显然，它是一个电压控制的振荡器，其典型特性如图器，其典型特性如图8.33所示。一般所示。一般这个特性也是非线性的，但在一定的这个特性也是非线性的，但在一定的范围内如范围内如CD段可近似表示为线性关系段可近似表示为线性关系图图8.33 可控频率电路的可控频率电路的

59、控制特性控制特性ccyuA8.3.2 式中式中Ac为常数，实际是压控灵敏度。这一特性称之为为常数，实际是压控灵敏度。这一特性称之为控制特性。控制特性。滤波器滤波器 这里也是一个低通滤波器。根据频率比较器的原理，误这里也是一个低通滤波器。根据频率比较器的原理，误差信号差信号ue的大小与极性反映了（的大小与极性反映了（r-o）=的大小与极的大小与极性，而性，而ue的的频率则反映了频率差的的频率则反映了频率差随时间变化的快慢。随时间变化的快慢。因此，滤波器的作用是限制反馈环路中流通的频率差的变化因此，滤波器的作用是限制反馈环路中流通的频率差的变化频率，只允许频率差较慢的变化信号通过实施反馈控制，而频

60、率，只允许频率差较慢的变化信号通过实施反馈控制，而滤除频率差较快的变化信号使之不产生反馈控制作用。滤除频率差较快的变化信号使之不产生反馈控制作用。 在图在图8.31中滤波器的传递函数为中滤波器的传递函数为)()()(sUsUsHec8.3.3当滤波器为单节当滤波器为单节RC积分电路时积分电路时RCssH11)(8.3.4当误差信号当误差信号ue是慢变化的电压时，这个滤波器的传递函数可是慢变化的电压时，这个滤波器的传递函数可以认为是以认为是1。 另外，频率比较器和可控频率电路都是惯性器件，即误另外，频率比较器和可控频率电路都是惯性器件，即误差信号的输出相对于频率信号的输入有一定的延时。这种延差信