通信电子电路第5章_反馈控制电路

1、第五章：反馈控制电路第五章：反馈控制电路信息与通信工程学院信息与通信工程学院1 1综述综述( (一一) )反馈控制电路可在系统受到扰动时，反馈控制电路可在系统受到扰动时，通过通过反馈控制作用反馈控制作用使系统的使系统的某个参数某个参数达到达到所需的精度所需的精度，或者按照一定的规，或者按照一定的规律变化律变化0( )ixf x预先设定预先设定控制过程简控制过程简述：述：参考信号不变，输出信号发生变化参考信号不变，输出信号发生变化参考信号发生变化参考信号发生变化2综述综述( (二二) )较大的参考信较大的参考信号变化和输出号变化和输出信号变化，只信号变化，只引起引起小的误差小的误差信号变化信号变

2、化，条，条件为：件为：反馈信号变化的方向与参考信号变化的反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致方向一致从误差信号到反馈信号的整个通路的增从误差信号到反馈信号的整个通路的增益要高益要高3综述综述( (三三) )根据需要比较和调节的参数不同，可根据需要比较和调节的参数不同，可对反馈控制电路进行分类：对反馈控制电路进行分类：AGCAGCAFCAFCAPC(PLL)APC(PLL)反馈控制系统的特点：反馈控制系统的特点：自动进行自动进行误误差检测和调整差检测和调整系统根据误系统根据误差信号的变化差信号的变化进行调整，不进行调整，不管误差信号由管误差信号由何种原因产生何种原因产生存在剩余误差存在剩余

3、误差4基本工作原理基本工作原理( (一一) )基本作用是减小因各种因素引起的系基本作用是减小因各种因素引起的系统统输出信号电平的变化范围输出信号电平的变化范围，以维持，以维持整机输出稳定整机输出稳定在输入信号幅值变化很大的情况下，在输入信号幅值变化很大的情况下，通过调节通过调节可控增益放大器可控增益放大器的的增益增益，使，使输出信号幅值输出信号幅值( (电平电平) )基本恒定或仅在基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路较小范围内变化的一种电路电路结电路结构及反构及反馈控制馈控制过程过程5基本工作原理基本工作原理( (二二) )低通滤波器的作用：低通滤波器的作用：滤除调制信号滤除调制信号反调制反

4、调制AGCAGC电路的输入输出电路的输入输出量及其关系量及其关系omrVKv静态误差的产生静态误差的产生00( )cos( )cosiimmv tVtv tVt022( )( )( )( ,)mimeVAVAv6自动电平控制电路的类型自动电平控制电路的类型简单简单AGCAGC电路：电路：0rv 优点：电路简单优点：电路简单缺点：对微弱信缺点：对微弱信号的接收不利号的接收不利延迟延迟AGCAGC电路：电路：0rv 不同输入信号强不同输入信号强度时电路的工作度时电路的工作状态状态7自动电平控制电路的应用自动电平控制电路的应用8自动频率控制电路的原理自动频率控制电路的原理可使用可使用自动频率控制自动

5、频率控制的方法来的方法来稳定振稳定振荡频率荡频率。例如在。例如在高质量的接收机高质量的接收机中，中，采用采用AFCAFC电路电路对本地振荡器的对本地振荡器的频率频率进进行自动调节，使混频所得行自动调节，使混频所得差频差频较精确较精确地等于地等于固定中频固定中频，从而提高接收机的，从而提高接收机的灵敏度灵敏度电路电路结构结构及工及工作过作过程程9锁相环的特点锁相环的特点是一种是一种相位反馈控制系统相位反馈控制系统，能使，能使受控振荡器受控振荡器的的频率和相位频率和相位均与均与输输入信号入信号保持确定的关系保持确定的关系可分为可分为模拟锁相环模拟锁相环和和数字锁相环数字锁相环。模拟锁相环的特征是鉴

6、相器输出模拟锁相环的特征是鉴相器输出的误差信号是连续的，对环路输的误差信号是连续的，对环路输出信号的调节也是连续的出信号的调节也是连续的10锁相环的构成锁相环的构成( (一一) )鉴相器鉴相器(PD)(PD)的类型及鉴相的类型及鉴相特性特性实质上是个相实质上是个相位位- -电压变换电压变换器器()devf11锁相环的构成锁相环的构成( (二二) )压控振荡器压控振荡器(VCO)(VCO)的类型的类型及其压控特性及其压控特性实质上是个实质上是个电电压压- -频率变换频率变换器器()ocf v在一定控制电压范围内可在一定控制电压范围内可近似用近似用线性函数线性函数表示压控表示压控特性：特性：0or

7、cA v ：压控振荡器的：压控振荡器的自由振自由振荡角频率荡角频率r ：压控振荡器的：压控振荡器的控制灵控制灵敏度敏度( (增益系数增益系数) )0A0000( )( )( )tccv ttAv t dtAp12锁相环的构成锁相环的构成( (三三) )环路滤波器环路滤波器(LPF)(LPF)的类型的类型及传递函数及传递函数还可使锁相环获得还可使锁相环获得所需的所需的带宽和增益带宽和增益，改善环路的性能以改善环路的性能以适应对锁相环多种适应对锁相环多种应用的需要应用的需要严格来说：严格来说：( )( )*( )cdv tf tv t在锁相环的分析中，在锁相环的分析中，习惯使用微分算子的习惯使用微

8、分算子的函数来表示函数来表示 和和 的关系，即：的关系，即：( )( )( )cFdv tAp v t( )cv t( )dv t可滤除鉴相器输出可滤除鉴相器输出中包含鉴相输入信中包含鉴相输入信号频率在内的号频率在内的高频高频分量分量，提高环路的，提高环路的抗干扰抗干扰能力能力13锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理( (一一) )环路锁定状环路锁定状态时的情况态时的情况0( )( )( )ioettt dt()ioif00( )0,( )( )ettt dt 即当加到鉴相器上两个信号的频率相等即当加到鉴相器上两个信号的频率相等时，其瞬时相位差是一个常数时，其瞬时相位差是一个常数( )ei

9、ft常数( )0,oit 即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位差为常数时，其频率必然相等差为常数时，其频率必然相等14锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理( (二二) )0( )( )ett dt当输入输出频当输入输出频率不等时，由率不等时，由锁相环与锁相环与AFCAFC均利用误差信号的反馈作均利用误差信号的反馈作用来控制用来控制VCOVCO的振荡频率，根本差别在的振荡频率，根本差别在于：于：可知，可知，VCOVCO的电的电压将不断改变，压将不断改变，直至锁定直至锁定锁相环路中的比较器为锁相环路中的比较器为鉴相器鉴相器，环路锁，环路锁定时定时存在剩余相差存在

10、剩余相差，不存在剩余频差不存在剩余频差AFCAFC中的比较器为中的比较器为鉴频器鉴频器，环路锁定时，环路锁定时存在剩余频差存在剩余频差15锁相环的数学模型锁相环的数学模型0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt推导可得锁相环路的基本方程为：推导可得锁相环路的基本方程为：16环路的锁定状态环路的锁定状态( (一一) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt( )( )( )eeeiodtpttdt 0( )sin( )dFeA A Apt( )oort( )( )iiirptt 环路锁定过程简述环路锁定过程简述锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频

11、，锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频，但存在稳态相位误差但存在稳态相位误差VCOVCO振荡角频率偏离输入信号角频率的值，振荡角频率偏离输入信号角频率的值，称为称为瞬时角频差瞬时角频差闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起的输出角频率的变化，称为的输出角频率的变化，称为控制角频差控制角频差输入信号角频率偏离输入信号角频率偏离 的数值，称为环路的数值，称为环路的的输入固有角频差输入固有角频差，又称为，又称为开环角频差开环角频差r17环路的锁定状态环路的锁定状态( (二二) )0( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt当环路锁定时，有：当环路

12、锁定时，有：0(0)sindFeiA A A 00arcsinarcsin(0)iiedFA A AA无环路滤波器无环路滤波器的锁相环称为的锁相环称为一阶锁相环一阶锁相环，此时有：此时有：18环路的锁定状态：例一环路的锁定状态：例一3sindevV设设PDPD的特性为：的特性为：VCOVCO的特性为：的特性为：33(299 10210)/odvrad s求输入角频率分别为求输入角频率分别为 时的稳态相差时的稳态相差555210 ,21.01 10 ,21.03 10解：解：3299 10r53111210210iiir 311302101arcsinarcsinarcsin3 2103iedA

13、 A同理可同理可得：得：22arcsin3e34arcsin3e故最后一种故最后一种情况下环路情况下环路不能锁定不能锁定19环路的锁定状态：例二环路的锁定状态：例二解：解：已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相器的器的 ；VCOVCO的的 ，自由振荡频，自由振荡频率率 。问当输入频率分别为。问当输入频率分别为 和和 的正弦信号时，环路能否锁定？的正弦信号时，环路能否锁定？若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的控制电压多大？控制电压多大？2dAV020/AkHz V1rMHz0.98MHz1.05MHz(0.98)iifMHz0

14、.02iMHz 611300.02 101arcsinarcsinarcsin2 20 1026iedA A 1sin2 sin()16cdevAV (1.05)iifMHz00.05idMHzA A 故环路不能锁定故环路不能锁定20环路的锁定状态环路的锁定状态( (三三) )假设环路已处于假设环路已处于锁定状态锁定状态，然后缓慢，然后缓慢地改变输入信号频率，能够地改变输入信号频率，能够继续维持继续维持环路锁定所允许的最大输入固有角频环路锁定所允许的最大输入固有角频差差 的的2 2倍倍，称为锁相环的，称为锁相环的同步带同步带或或跟踪带跟踪带，用，用 表示表示im2H故要增大锁相环的同步带，必须

15、提高故要增大锁相环的同步带，必须提高其其直流总增益直流总增益使用使用正弦型鉴相器正弦型鉴相器时时0HA 同步带主要受到同步带主要受到VCOVCO最大频率控制范最大频率控制范围围的限制的限制210( )( )sin( )( )edFeiptA A Aptpt一阶环路的平衡点一阶环路的平衡点0()idifA A在在A A、B B两点时：两点时：A A、B B两点的区别两点的区别0( )sin( )edeidtA Atdt 0sin( )()eedeiedA Atfdt 002arcsin(21)arcsinieAdieBdnA AnA A0e22一阶环路的捕捉过程一阶环路的捕捉过程捕捉是指捕捉是指

16、锁相环路从失锁状态进入到锁相环路从失锁状态进入到锁定状态的过程锁定状态的过程捕捉时间捕捉时间捕捉带捕捉带 ：环路由失锁到环路由失锁到锁定所允许的锁定所允许的最大固有角频最大固有角频差差( (或固有频或固有频差差) )2p对于一阶环路对于一阶环路来说，其来说，其捕捉捕捉带与同步带相带与同步带相等等23一阶环路的差拍状态一阶环路的差拍状态0()idifA A差拍状态的含义差拍状态的含义*0000011sin()teedeetdtddA Af0( )sin( )edeidtA Atdt 01sin1()edeieedtdA Adf24一阶环路的频率牵引一阶环路的频率牵引差拍状态状态下差拍状态状态下尽

17、管环路不能锁尽管环路不能锁定，但却能使压定，但却能使压控振荡器的频率控振荡器的频率向着向着缩小频差方缩小频差方向向牵引，即向着牵引，即向着锁定方向牵引锁定方向牵引牵引作用随着牵引作用随着 的增大而减弱的增大而减弱025高阶锁相环的同步与捕捉高阶锁相环的同步与捕捉此时的特性需要同时考虑环路滤波器此时的特性需要同时考虑环路滤波器的通频带及的通频带及VCOVCO的频率控制范围的频率控制范围假定假定VCOVCO的频率控制范围足够大，则：的频率控制范围足够大，则：环路始终处于失锁状态环路始终处于失锁状态若若 远大于环路滤波器的通频带远大于环路滤波器的通频带i若若 的值在环路滤波器的通频带内的值在环路滤波

18、器的通频带内i环路能够被锁定环路能够被锁定若若 大于环路滤波器的通频带大于环路滤波器的通频带i环路能够通过频率牵引过程被锁定环路能够通过频率牵引过程被锁定若若 的值超出环路滤波器通频带一定值的值超出环路滤波器通频带一定值i环路能够通过快捕过程被锁定环路能够通过快捕过程被锁定高阶环路中，捕捉带一般大于快捕带，高阶环路中，捕捉带一般大于快捕带，但小于同步带但小于同步带26环路的跟踪过程环路的跟踪过程环路锁定时，输入信号频率与输出信号频环路锁定时，输入信号频率与输出信号频率相同，但两者之间有一稳态相差率相同，但两者之间有一稳态相差e跟踪的定义跟踪的定义锁定状态：相对于频率和相位固定的输入锁定状态：相

19、对于频率和相位固定的输入信号而言信号而言跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入信号而言信号而言当输入信号的频率和相位改变时，只要相当输入信号的频率和相位改变时，只要相位变化不超过一定的范围，通过环路的作位变化不超过一定的范围，通过环路的作用，压控振荡器输出的频率和相位也会以用，压控振荡器输出的频率和相位也会以同样规律随之变化，不断地跟踪输入信号同样规律随之变化，不断地跟踪输入信号频率和相位的变化，这种情况称为环路处频率和相位的变化，这种情况称为环路处于跟踪状态于跟踪状态27锁相环的重要特性锁相环的重要特性环路在锁定状态时无剩余频差存在环路在锁定状态时无剩余频差

20、存在是一个理想的是一个理想的频率控制系统频率控制系统输出信号频率可以精确地跟踪输入信号的输出信号频率可以精确地跟踪输入信号的变化。环路锁定后，输入信号和输出信号变化。环路锁定后，输入信号和输出信号之间的稳态相位误差可以通过之间的稳态相位误差可以通过增加环路增增加环路增益益的办法被控制在所需数值范围之内的办法被控制在所需数值范围之内对干扰来说，相当于一个窄带高频带通滤对干扰来说，相当于一个窄带高频带通滤波器波器良好的跟踪特性良好的跟踪特性良好的窄带滤波特性良好的窄带滤波特性在调制指数相同时要低于普通鉴频器在调制指数相同时要低于普通鉴频器良好的门限特性良好的门限特性易于集成化易于集成化28锁相调频

21、电路锁相调频电路对调频波的基本要求：中心频率足够稳定，对调频波的基本要求：中心频率足够稳定，频偏足够宽频偏足够宽由于中心频率的漂移为慢变化，而调制信由于中心频率的漂移为慢变化，而调制信号频率较高，若低通滤波器的通带能够滤号频率较高，若低通滤波器的通带能够滤除调制信号的频谱，则可实现要求除调制信号的频谱，则可实现要求VCOVCO的振荡频率同时受输入调制信号和反的振荡频率同时受输入调制信号和反映映VCOVCO中心频率漂移的电压中心频率漂移的电压 控制控制( )cv t29锁相鉴频电路锁相鉴频电路要求要求LPFLPF在调制信号的有效频谱范围内有在调制信号的有效频谱范围内有平坦的幅频特性和相频特性平坦的幅频特性和相频特性注意对注意对VCOVCO和和LPFLPF的要求的要求00( )rcA v t若环路带宽设计得足够宽，则环路锁定时若环路带宽设计得足够宽，则环路锁定