自动控制知识精品课程

1、教 案自动控制课 题： 12.1 反馈控制电路概述12.2 自动增益控制教学目的：1.了解反馈控制电路的分类2.理解反馈控制电路的基本组成及工作原理3.了解AGC的功能、分类及应用4.理解AGC电压的产生及控制原理、方式教学重点：反馈控制电路的基本组成及工作原理AGC电压的产生及控制原理、方式教学难点：AGC电压的产生及控制原理、方式教学方法：讲授 课 时：2学时 教学进程12.1 反馈控制电路概述一、反馈控制电路的概念在通信系统和电子设备中，为了提高它们的性能指标或实现某些高性能要求，广泛采用各种类型的控制电路。这些控制电路大都是利用反馈的原理实现对自身的调节与控制，因此统称为反馈控制电路(

2、Feedback Control Circuits)。若反馈系统都是闭环的系统，则称为环路系统。二、反馈控制系统的框图1、框图反馈控制电路可以看成由被控制对象和反馈控制器两部分组成的自动调节系统。图12-1所示是反馈控制电路的组成方框图。图12-1 反馈控制电路的组成方框图2、各部分的功能(1)参考部件产生标准的物理量(2)比较部件产生误差信号(3)控制部件产生控制信号(4)被控部件产生输出物理量，扰动代表各种使输出量变动的因素(5)测量部件是反馈网络其中Xo为系统输出量，XI为系统输入量，也就是反馈控制器的比较标准量。根据实际工作的需要，每个反馈控制电路的Xo和XI之间都有确定的关系，例如X

3、o=f (XI)。这一关系若受到破坏，则反馈控制器就能够检测出输出量与输入量的关系偏离Xo=f (XI)的程度，从而产生相应的误差量Xe，加到被控对象上对输出量Xo进行调整，使输出量与输入量之间的关系接近或恢复到预定的关系Xo=f (XI)。反馈控制系统之所以能够控制参量，使之稳定，其主要原因在于它能够利用存在着的误差来减小误差。因此当扰动引起误差时，反馈控制系统只能把误差减小或者说减到很小，但不能完全消除误差。三、反馈控制系统的类型及特点对通信系统来说，传送信息的载波信号通常采用高频振荡信号，而一个高频振荡信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。在传送信息时，发射信号可用振幅调制、频率调制

4、和相位调制。对于反馈控制电路来说，也就是实现对这三个参数的分别控制，即自动增益控制AGC、自动频率控制AFC和锁相环路PLL。1.自动增益控制AGC，主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。2.自动频率控制AFC，又称自动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定在某一预期的标准频率附近。3.自动相位控制APC (或锁相环路PLL)，它用于锁定相位，实现无频差反馈控制。锁相环路功能强大，应用广泛，这也是本章的重点。由于反馈控制电路是利用反馈量与参考量之间的误差量实现对电路的控制，因此在控制过程中，被控制量始

5、终存在误差，反馈控制只是维持误差在一定范围，它无法完全消除误差量。12.2 自动增益控制AGC一.自动增益控制的概念、功能及应用(一)概念：利用反馈控制电压(±UAGC)控制放大器的增益，使放大器输出信号稳定(基本不变)。(二)功能自动增益控制电路是接收机的控制电路之一。1.影响接收机性能的因素(1)接收的信号功率不同、距离不同。(2)接收机的工作环境(温度、噪声等)具有时变性。(3)信号传输方式的差异，使接收的信号衰落各异。(4)接收机工作电源电压不稳定。2.各因素对接收机性能的影响(1)接收机输入信号忽强忽弱，若对不同信号维持相同增益，输出信号将忽大忽小；(2)接收机的电源稳定性

6、、内部噪声及工作环境等因素的时变性使放大器的增益时变，输出信号也随之变化。 3.AGC的必要性使用自动增益控制（AGC）来控制接收机的增益，使其随输入信号强弱变化。其作用是：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出信号基本稳定(变化不大)。即当输入信号很弱时，接收机的增益大；当输入信号很强时，接收机的增益小。这样，当信号场强变化时，接收机输出端的电压或功率基本稳定。二.自动增益控制的类型(一)简单AGC1.基本原理在没有控制电路时，接收机的输出电压随天线上感应电动势的增大而增大(不考虑外来信号过强时超出晶体管的线性工作范围)，如图12-2中曲线所示。具有简单AGC电路的接收机，它的增益随外来的

7、增加而减小，如图曲线所示。这种接收机输入感应电动势与输出电压的关系曲线，称为AGC特性曲线。图12-2 简单AGC特性曲线2.特点简单AGC电路的主要缺点是，一有外来信号，AGC立刻起作用，接收机的增益就因受控制而减小。这对提高接收机的灵敏度是不利的，尤其在外来信号很微弱时，不利一面表现尤为突出。为了克服这个缺点，也就是希望外来信号大于某值后，AGC才起作用，可采用延迟式AGC电路。(二)延迟式AGC1.基本原理图12-3为延迟式AGC特性曲线，当后产生AGC作用；当，无AGC作用。图12-3 延迟式AGC特性曲线2.应用电路(1)组成图12-4 延迟式AGC电路延迟式AGC电路如图12-4所

8、示。二极管VD和负载R1C1组成包络检波器，检波后电压经RC低通滤波器滤波，取出直流AGC电压。另外，在二极管上加有一负电压(由负电源分压获得)，称为延迟电压。(2)工作过程当天线上的感应电动势很小时，AGC检波器的输入电压也比较小，由于延迟电压的存在，AGC检波器的二极管将处于截止状态，没有AGC电压输出，因此没有AGC作用。只有当大到一定程度()，使检波器输入电压的幅值大于延迟电压后，AGC检波器才工作，产生AGC作用。调节延迟电压可改变的数值，以满足不同的要求。由于延迟电压的存在，信号检波器必须要与AGC检波器分开，否则延迟电压会加到信号检波器上去，使外来信号小时不能检波，而信号大时又产

9、生非线性失真。当变化范围一定时，接收机输出电压的变化越小，AGC的性能越好。通常以此作为AGC的质量指标。例如，收音机的AGC指标为：输入信号强度变化26dB时，输出电压的变化不超过5dB。在高级通信机中，AGC指标为：输入信号强度变化60dB时，输出电压的变化不超过6dB，输入信号在10uV以下时，AGC不起作用。(3)改进措施为了提高AGC的能力，可在AGC检波器的前面或后面在增加放大器。这种电路成为延迟放大式AGC电路，其电路方框图分别如图12-5(a)、(b)所示。图12-5 延迟放大式AGC电路方框图三.AGC的应用图12-6为具有AGC的超外差式调幅接收机的方框图。图中，天线接收到

10、的信号经高频放大、变频和中频放大后得到中频调幅波，经AGC检波器和低通滤波器后，得到反映输入信号大小变化趋势的直流分量，再经直流放大后得到AGC电压。显然，输入信号强，大；反之，则小。利用AGC电压去控制高放或中放的增益，使大时增益低，小时增益高，就达到自动增益控制的目的。图12-6 具有AGC的超外差式调幅接收机方框图在实际电路中，AGC检波和恢复低频信号的检波一般共用一个检波器，直流放大器和高频放大器常省去，有时AGC电压只控制中放的增益。四.AGC电压的产生为了实现自动增益控制，必须有一个随输入信号强度而改变的电压，称为AGC电压，其值可正可负，分别用和表示。然后利用这个电压去控制接收机

11、有关级的增益，达到AGC的目的。由图12-6可知，实用的AGC电路应包括：(1)产生一个随输入信号大小而变化的控制电压，即AGC电压；(2)利用AGC电压去控制有关级的增益，实现AGC。(一)平均值型平均值型AGC电路是利用检波器输出电压中的平均直流分量作为AGC电压的，其电路如图12-7所示。二极管D和阻容R1、R2、C1、C2构成了包络检波器。中频输入信号uI经检波后，R1、R2两端除了得到音频信号uav外，还有一个平均值分量UAV，其中调制频率分量uav经C4耦合输出，而平均直流分量UAV经过R3C3组成的低通滤波器输出。由于平均直流分量与输入载波分量的振幅成正比，而与调幅度无关，因此该

12、平均直流分量可以作为AGC电压，根据二极管的特性，不难判断该AGC电压为正，即为。图12-7 平均值型AGC电压产生电路为了使AGC电压不受音频信号的影响，需利用低通平滑滤波器R3C3，把检波后的音频分量去掉，使送到前级去的控制增益的电压只与载波电平有关。R3C3时间常数选取十分重要，应根据最低调制频率来选择。若R3C3 过小，滤波效果调制信号为50Hz时，可选R3=4.7k,C3=1030pF。(二)延迟式AGC原理电路如图12-4所示，基本工作过程如前所述。图12-8所示为一实用延迟式AGC电路。图中，R3、U、VD2、R6、C6组成延迟式AGC电路，输入信号经高频小信号谐振放大器放大后，

13、一方面送入包络检波器解调，产生输出信号；另一方面又送入延迟式AGC电路，提取AGC控制电压。图12-8 延迟式AGC电压产生电路五.AGC的控制过程(一)高放、中放的增益以接收机前置放大器为例，若采用高频小信号谐振放大器，则其电压增益为式中，。在采用AGC电路实现对放大器增益的自动控制过程中，可利用改变晶体管发射极电流或改变负载电阻，分别完成对或的控制，从而达到实现AGC的目的。(二)AGC的控制方法1.改变发射极(或基极)的电流IEQ图12-9所示为典型的中放管IE曲线。由图可以看出，当IE较小时，随的IE增大而增大；当IE增至某一值IEQ后，最大；若IE继续增大，则逐渐减小。因此，根据晶体

14、管的上述特点 ，利用AGC电压控制IE，就可以实现AGC。图12-9 晶体管IE曲线利用IE曲线的上升部分或下降部分都可实现增益控制，前者称为反向自动增益控制(反向AGC)，后者称为正向自动增益控制(正向AGC)。(1)反向AGC控制原理在反向AGC中，必须随着的增大而减小，才能使下降，增益降低，因此起始工作点应选择在曲线上升部分的上部，其控制过程可表示为图12-10(a)、(b)所示即为反向AGC。(a)图中，反馈控制电压加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输出信号增加，反馈控制电压随之增大，晶体管发射极电位上升，减小，发射极电流减小，利用反向作用可使放大器增益下降，从而

15、使输出信号由增大变为趋于稳定。 (a)反向AGC (b)反向AGC (c)正向AGC图12-10 改变IE的AGC电路(b)图中，反馈控制电压加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输出信号增加，反向后的反馈控制电压随之减小，晶体管基极电位下降，减小，发射极电流减小，利用反向作用可使放大器增益下降，从而使输出信号由增大变为趋于稳定。优缺点反向AGC的优点是利用IE曲线较陡峭的上升部分实现对放大器增益的控制，因此控制灵敏度高。反向AGC对晶体管要求不高，使用普通的中、高频管即可，而且管子的电流不大，不致使管子的集电极损耗超过允许值。反向AGC的缺点是随着输入信号的增大，观众的工作

16、点降得很低，动态范围很小，即增益控制范围窄。(2)正向AGC控制原理在反向AGC中，必须随着的增大而增大，才能使下降，增益降低，因此起始工作点应选择在值较大处，其控制过程可表示为图12-10(c)所示即为正向AGC，反馈控制电压加载到晶体管的发射极。输入信号增加时，通过小信号放大器的输出信号增加，反向后的反馈控制电压随之减小，晶体管发射极电位下降，增大，发射极电流增大，利用正向作用可使放大器增益下降，从而使输出信号由增大变为趋于稳定。优缺点普通的高、中放管，其IE曲线的上升部分较陡，下降部分较平缓。为了使正向AGC增益控制灵敏，管子IE曲线的下降部分应较为陡峭。满足上述要求的就是(正向)AGC

17、管，如2G210，3DG79，其典型IE曲线如图12-9虚线所示。2.改变放大器的负载RL这是在集成电路组成的接收机中常用的实现AGC的方法。由于放大器的增益与负载密切相关，因此通过改变负载就可以控制放大器的增益。在集成电路中，受控放大器的部分负载通常是晶体管的发射极输入电阻，若用AGC电压控制管子的偏流，则该电阻也随着改变，从而达到控制放大器增益的目的。其控制过程可以表示为：本课小结：1.反馈控制电路是利用反馈的原理实现对自身的调节与控制。2.反馈控制电路主要有三种：(1)自动增益控制AGC，主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。(2)自动频率控制AFC，又称自

18、动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定在某一预期的标准频率附近。(3)锁相环路PLL，它用于锁定相位，实现无频差反馈控制。3.自动增益控制可通过改变晶体管发射极(或基极)电流和放大器的负载实现。本课作业：1.反馈控制电路有哪些类型，各自的功能是什么？2.简述自动增益控制的控制原理。课 题： 反馈控制电路12.3自动频率控制AFC12.4锁相环路PLL(一)教学目的：1.了解AFC的功能、分类及应用2、理解AFC的基本工作原理3.了解PLL的功能及应用4.理解PLL的基本工作原理教学重点：AFC的系统框图、基本工作原理及应用PLL

19、的系统框图及基本工作原理教学难点：PLL的基本工作原理教学方法：讲授 课 时：2学时 教学进程12.3 自动频率控制AFC一. AFC的功能、分类及应用(一)功能自动频率控制又称为自动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定在某一预期的标准频率附近。(二)分类1. 跟踪式2. 搜索式(三)应用AFC能自动调节频率稳定度，广泛应用于通信设备和其它电子设备中，本教材所讲述的主要应用领域有：1. 调幅接收机2. 调频接收机二. AFC的系统框图及工作原理(一)系统框图自动频率控制系统组成方框图如图12-11所示。图12-11 自动频率控制

20、组成方框图(二)工作原理1. 标准频率源：用于产生基准频率，常常采用频率稳定度很高的石英晶体振荡器。频率。2. 频率比较器：一般采用鉴频器或混频-鉴频器，其功能是将与标准信号源的频率进行比较，同时转换成能转换成反映其频率差特性的电压输出。3. 压控振荡器：利用控制压控振荡器的震荡频率，使振荡器的输出频率基本保持不变。4. 特点：被控参量是频率，因此系统存在频差。二. AFC的应用AFC广泛应用于发射机和接收机中,现简单介绍如下:(一)采用AFC的调频器1. 系统框图采用AFC的调频器的组成框图如图12-12所示。图12-12 采用AFC的调频器组成框图(1)采用石英晶体振荡器做标准频率源。(2

21、)调频振荡器就是VCO，一般采用由振荡回路含有变容管的LC振荡器组成的LC振荡器做调频振荡器，以易于调节输出频率并满足频偏的需求。2. 工作原理(1)采用AFC的目的在于稳定调频振荡器的中心频率，即稳定输出调频波的中心频率。(2)理想情况下，调频信号的额定中心频率为，混频器的输出是与频偏相同的调频波，其中心频率，、是与成正比的常数。(3)输出信号产生频偏时，即实际输出信号的中心频率为接近的时，、是与成正比的变量。反映了中心频率的偏移。(4)与调制信号通过加法器相加后，一起送到调频振荡器中变容管的两端，使振荡器器的频率发生变化。其中，调频振荡器的中心频率在的控制下，趋于；而使振荡器频率的变化就是

22、的频偏。实际上，当时，即调制信号未加入时，调频振荡器的频率就是的中心频率，这时振荡器只受控制。(5)由上述分析可知，调频振荡器中心频率的稳定度除了与晶振频率的稳定度有关外，主要取决于鉴频器中心频率的稳定度。为此，鉴频器谐振回路的元件应精心选择。(二)采用AFC的调幅接收机1. 系统框图图12-13 采用AFC的调幅接收机组成方框图2. 工作原理(同(一)12.4 锁相环路PLL(一)锁相环路是在现代各种电子系统中，特别是在接收机中应用广泛的一种反馈控制电路。与AFC相比，锁相环路通过相位来控制频率，以维持频率不变。由反馈控制原理可知，锁相环路虽然存在剩余相位差，但不存在剩余频差，即输出信号频率

23、等于输入信号频率，因此，锁相环路比AFC更优越。一. 锁相环路的基本工作原理(一)系统框图锁相环路的系统框图如图12-14所示。图12-14 锁相环路的基本组成框图锁相环路是由鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Filter)和压控振荡器VCO组成的，其中LF为低通滤波器。各部分功能如下：1. 鉴相器PD：鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与VCO输出信号相位进行比较，得误差相位。2. 环路滤波器LF：环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF)，其作用是把鉴相器输出电压ud(t)中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压uc(t)。3. 压

24、控振荡器VCO：压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率(t)是用控制电压uc(t)控制振荡器得到，即用uc(t) 控制VCO的振荡频率，使与的相位不断减小，最后保持在某一预期值。(二)工作原理1. 基本概念(1)失锁：如果输入信号ui(t)的频率和VCO振荡信号(即输出信号)uo(t)的频率不相等，则称锁相环路处于失锁状态，此时两个信号必然存在变动的相位差。(2)锁定：锁相环路工作过程中，如果信号ui(t)和uo(t)的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定值，就称锁相环路处于“锁定”状态。2. 工作原理(1)锁相环路处于“失锁”状态时，ui(t)和uo(t)进行相位比较，由P

25、D输出一个与相位差成正比的误差电压ud(t)。(2)ud(t)经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uc(t)作为控制电压。显然，uc(t)也将随着相位差的变动作相应变化。(3)uc(t)加到VCO上，从而控制VCO的振荡频率，使不断改变，ui(t)和uo(t)的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。3. 锁相环路与自动频率控制的区别(1)AFC：利用频率差实现反馈控制，有频差，有相差。(2)PLL：利用相位差实现反馈控制，有相差，无频差。本课小结：1.自动频率控制又称为自动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定

26、在某一预期的标准频率附近。自动频率控制广泛应用于调频发射机和调幅接收机中。2.锁相环路是一种无频差反馈控制器，基本组成单元为鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Filter)和压控振荡器VCO。本课作业：1. 简述自动频率控制的功能。2. 画出锁相环路的组成框图并简述各部分的作用，分析系统的工作过程。课 题： 反馈控制电路12.4 锁相环路PLL(二)教学目的：1.理解锁相环的相位模型及性能分析2.了解PLL的应用教学重点：锁相环的相位模型及性能分析教学难点：锁相环的相位模型及性能分析教学方法：讲授 课 时：2学时 教学进程12.4 锁相环路PLL(二)一.

27、锁相环路的相位模型(一)鉴相器的电路模型1.鉴相器的框图图12-15 鉴相器的框图(1)功能：鉴相器是相位比较器，其功能是用来比较输入信号ui(t)的相位和压控振荡器输出信号uo(t)的相位，其输出电压ud(t)与ui(t)和uo(t)相位差成正比。(2)工作过程：设输入电压信号ui(t)的频率为，以载波为参考的瞬时相位为； 压控振荡器输出信号uo(t)的频率为，以载波为参考的瞬时相位为；环路的参考输出频率即基准频率为。锁相环路处于“锁定”状态时，鉴相器无输出电压。锁相环路处于“失锁”状态时，输入信号 ui(t)、输出信号uo(t)的表达式式中，一般取为。因此，输入信号可表示为鉴相器比较输入信

28、号和输出信号的相位，根据相位差产生控制电压ud(t)。ud(t)的大小将依据鉴相器的类型而定，常见的鉴相器有乘积型和叠加型。(3)乘积型鉴相器原理组成：模拟乘法器原理：设输入信号为，。则模拟乘法器输出信号为经过环路滤波器滤波后输出控制电压为可见，鉴相器输出信号是一个关于ui(t)和uo(t)相位差的函数。2.鉴相器的电路模型根据(3) 的推导可知，鉴相器的相位模型如下：图12-16 鉴相器的数学模型(二)环路滤波器的电路模型1.功能滤除鉴相器输出电压中的高频分量和其它干扰分量，让鉴相器中的低频分量或直流分量通过，以保证环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。2.常见类型图12-17 环路滤波器3.电路模型 图12-18 环路滤波器的电路模型 (三)压控振荡器电路模型1.功能：产生频率随控制电压uc(t)而变化的振荡电压uo(t)。2.调频特性：压控振荡器的特性可用调频特性来表示，如图12-19所示。 图12-19 VCO的调频特性 图12-20 VCO的电路模型3.电路模型由图12-3-6形可知，在一定控制电压范围内，控制电压uc(t)与成线性关系，即式中，为VCO的压控灵敏度。再由输出相位与输出频率的关系可得故压控振荡器相当于一个积分器，其电路模型如图12-3-7所示。(四)锁相环路的相位模型及环路方程1.相位模型PLL的相位模型