高频电子线路第十章反馈控制电路1

1、本章附录 为了提高电子设备技术性能稳定性或者实现某些特殊的高指标要求，在通信系统或其它电子设备中，广泛采用各种类型的反馈控制回路。 对通信系统来说，信息的传载采用高频信号。为获得高指标信息传送，就要求该高频信号有高稳定性。说通信系统反馈控制对象是高频信号。 高频信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。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，即自动振幅控制、自动频率控制和自动相位控制。 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。 1.1.自动振幅控制电路自动振幅控制电路 自动振幅控制电路通常称为。它主要用于接收机中，使整机在输入振幅变化时保持输出电压

2、振幅不变。 自动振幅控制电路的被控量是电压振幅，在反馈控制器中必须进行振幅比较，利用误差量去对输出振幅进行调整。振幅比较器振幅比较器 2.2. 自动频率控制电路自动频率控制电路 自动频率控制电路主要用于电子设备中保证振荡器的振荡频率稳定。被控量是频率，被控对象是压控振荡器(VCO)。而在反馈控制中必须对振荡频率进行比较，利用输出误差量对被控制对象的输出频率进行调整。滤波器滤波器 3.3. 自动相位控制电路自动相位控制电路 自动相位控制电路通常称为锁相环路。锁相环路的被控量是相位被控对象是压控振荡器(VCO)。在反馈控制器中对振荡相位进行比较。利用输出误差量对被控对象的输出相位进行调整。 利用锁

3、相环路可以实现许多功能。 锁相环路是一个相位误差控制系统，锁相环路中的被控量是相位相位。1 任何一个理想的模拟乘法器都可以作为鉴相器 设设：参考信号相位为1(t)；(VOC)输出信号相位为v(t)。两信号经乘法器输出，再由环路滤波器滤掉高频分量后有：( (一一) )鉴相器及其相位模型鉴相器及其相位模型 鉴相器是相位比较器，其功能是比较比较参考信号的相位和(VOC)输出信号的相位，其输出电压与这两个信号的相位差成正比。 e( t ) 1( t ) v( t ) Kd sin ud( t ) e( t ) 1( t ) v( t ) Kd ud( t ) )()(sin)(sin)(1ttKtKt

4、uvdedd )()(sin)(sin)(1ttKtKtuvdedd ( (二二) )环路滤波器环路滤波器 环路滤波器为低通滤波器，用来滤除相位比较器输出的高频部分，并抑制噪声，以保证环路达到要求的性能，提高环路的稳定性。 RC滤波器滤波器 无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器1.环路环路滤波器主要类型滤波器主要类型 因控制对象是相位，可将KF(s)中的 s 用微分算子p 替换，就可写出表示滤波器激励和响应之间关系的微分方程。即: 2. 环路滤波器相位模型环路滤波器相位模型 )()()(tusKtudFc 无论何种低通滤波器及何种滤波方式，ud(t)与瞬时

5、控制电压uc(t)间的关系可以表示为：)()()(tupKtudFc( (三三) )压控振荡器压控振荡器(VCO)(VCO)及其相位模型及其相位模型1.1.压频变换特性曲线压频变换特性曲线是压控振荡器固有振荡频率。Kv是压控振荡器调频特性的直线部分的斜率。 压控振荡器振荡频率u(t)受电压uc(t)控制，它是一种变换器。Kv VCO的输出相位： 压控振荡器输出电压信号对鉴相器直接发生作用的不是瞬时角频率，而是瞬时相位。因此就整个锁相环路来说，压控振荡器应该以它的输出信号的瞬时相位作为输出量。 压控振荡器的关系特性曲线如图。在一定范围内，可近似认为是线性关系 可见：可见：压控振荡器在锁相环路中的

6、作用是积分环节， 若用微分算子 pd( ) /dt 表示，则上式可表示为：（四）锁相环路的相位模型和基本方程（四）锁相环路的相位模型和基本方程 pe(t) 是压控振荡器振荡角频率pv(t)偏离输入参考信号角频率1 1的值，称瞬时角频差瞬时角频差; KdKvKF(p)sine(t) 是压控振荡器受uc控制输出偏离o的角频率偏离值V , 称为控制角频差控制角频差； p1(t) 是输入参考信号角频率1与压控振荡器固有振荡角频率o 的差值, 称为输入固有角频差输入固有角频差。 上式表明，环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之代数和恒等于输入固有角频差)()(1010 ttve)()()(1tt

7、tve )(sin)()()()()(11tpKKpKtttteFdvve )()(sin)()(1tptpKKKtpeFvde )()()(1tttve )(sin)()()(tKpKpKupKpKupKtedFvdFvcvv 鉴相器低通滤波器压控振荡器)2010( e(t)0 产生控制电压 控制角频差就产生环路的瞬时角频差减小。直到控制角频差增大到等于固有角频差，此时e(t) =0。 这一瞬时角频差减小过程称为 跟踪跟踪 。 1. 环路的跟踪与锁定概念：环路的跟踪与锁定概念： 在环路刚闭合的瞬间, 输入参考电压工作频率为1；因为控制电压为零, v(0)=0, VCO 工作在0；环路的瞬时角

8、频差e等于固有频差1 。 e(t) =0时，控制电压作用下的VCO 工作频率v(t)不再随时间变化，维持一固定的值。此时环路频率达到一动态平衡状态。这时认为锁相环路进入锁定锁定状态。 此时压控振荡器工作频率v(t) = 0 +v= 1 。1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( 2. 环路锁定特性：环路锁定特性： 1）环路进入锁定后，瞬时频差为0，即 pe(t) = e(t) = 02）环路进入锁定后，VCO工作频率= 输入信号频率，即 v( t ) = 0 +v= 1。 3）环路处于锁定状态时，鉴相器的输出电压为直流。即

9、ud =Kd sine 4）环路处于锁定状态时，剩余相位差可由式(1020)求得： Kd Kv KF e=1 1其中KF(0) 为直流传递值1100)()( ttve)()()(1tttve )()()()(1tptpKKKtpeFvde )2010( pFvdeKKKK1e1)0( 分频器N)(ti 鉴相器环路滤波 器压 控振荡器输出信号输出信号)(to 输入信号输入信号No 0Ntt)()(00 倍频器N)(ti 鉴相器环路滤波 器压 控振荡器输出信号输出信号)(to 输入信号输入信号oN 0)()(00tNt 锁相分频器 IRIIsv0= 0 +v反 馈控制器)(tR 鉴频器环路滤波 器

10、压 控振荡器输入信号输入信号No 0eo )(tue)(tud 自动频率控制电路基本组成一、自动频率控制电路的工作原理一、自动频率控制电路的工作原理其中：其中：VCO是被控对象;反馈控制器由混频器、差频放大器、限幅鉴频器和放大器等组成。频率误差经鉴频器检测转换成电压误差信号去控制压控振荡器。 环路的频率关系： 当o=R=时,则其输出误差电压ud为零，VCO不受控制,环路没有控制作用。 当o因某种不稳定因素发生变化而增加了o ，经限幅鉴频后ud不为零输出，控制振荡频率减小。这个减小量使得角频率由o减小到o。 在新的角频率差e作用下，再经过限幅鉴频放大，使得VC0的振荡频率继续减小，如此多次循环，

11、与锁相环路相似，最后环路达到锁定状态。 因为环路传输的是频率，故锁定后环路存在有误差角频率，称为剩余角频率误差，用e表示。实际上， 自动频率控制电路是将大的起始角频率误差e 通过环路的调节作用减小到较小的剩余角频率误差。eoRo 二、自动频率控制电路的应用二、自动频率控制电路的应用自动频率控制电路广泛用于接收机中作自动频率微调电路。下图是一个具有自动频率微调电路的调幅接收机方框图。与普通调幅接收机不同的是，本机振荡器改为能进行调整频率的压控振荡器，同时增加了限幅鉴频器、放大器和低通滤波器，与混频器和中频放大器组成一个自动频率控制电路。 该自动频率控制电路使VCO频率跟随接收机输入信号频率的变化

12、而变化，中频稳定度高。 工作过程：工作过程：上图是调频负反馈解调器的方框图。它与普通调频接收机中的鉴频器的区别是，它利用鉴频后经低通滤波器输出的解调信号反馈给VCO，使VCO的角频率按解调电压变化。而解调电压就是输入调频波的调制电压。混频器输入： VCO输出：混频器输出：式中：式中：I为中频放大器的中心频率， (m1- m2)为输给中频放大器的调频波的最大频率偏移。显然，中频信号仍为不失真的调频波，但其最大角频率偏移小于混频器输入调频波的最大角频率偏移。因而负反馈解调器的中频放大器的通带可以比普通鉴频器接收机的中频放大器的通带小。若维持混频器输入信晚比相同，加到调频负反馈解调器的限幅鉴频器的输入信噪比就比普通接收机中