高频第10章 反馈控制电路

1、10.1 自动增益控制(AGC)10.2 自动频率微调(AFC)10.3 锁相环路的基本工作原理10.4 锁相环路各部件及其数学模型10.5 锁相环路的分析10.6 集成锁相环主要内容：主要内容：一、反馈控制的概念和分类 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，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。电子线路中也常常应用反馈控制技术。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为以下三类： 概 述 1、自动增益控制 (Automatic Gain Control，简称AGC)，它主要用于接收机中，控制接收机的增益，以维持整机输出恒定，

2、使之几乎不随外来信号的强弱变化。 2、自动频率控制 (Automatic Frequency Control，简称AFC)，它主要用于维持电子设备中工作频率的稳定。 3、自动相位控制 (Automatic Phase Control，简称APC)，又称为锁相环路(Phase Lock Loop，简称PLL)，它用于锁定相位，能够实现许多功能，是应用最广的一种反馈控制电路。二、反馈控制电路的组成 反馈控制电路的组成如图10-1所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。图10-1反馈控制系统的组成 比较器控制信号发生器参考信号ur(t)误差信号ue(t)可控器

3、件控制信号uc(t)反馈网络反馈信号uf(t)输入信号ui(t)输出信号uo(t) 比较器的作用：是将参考信号ur(t)和反馈信号uf(t)进行比较，输出二者的差值即误差信号ue(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号uc(t)，对可控制器件的某一特性进行控制。比较器可以是：电压比较器、频率比较器(鉴频器)或相位比较器(鉴相器)。 可控制器件：或者是其输入输出特性受控制信号uc(t)的控制 (如可控增益放大器)，或者是在不加输入的情况下，本身输出信号的某一参量受控制信号uc(t)的控制 (如压控振荡器)。 反馈网络的作用：是在输出信号uo (t)中提取所需要进行比较的分量，送到比较器与参考信

4、号进行比较。 电子设备往往需要各种类型的控制电路，来改善其性能电子设备往往需要各种类型的控制电路，来改善其性能指标。这些控制电路都是运用反馈的原理，因而可统称为反指标。这些控制电路都是运用反馈的原理，因而可统称为反馈控制电路。馈控制电路。控制电路控制电路自动频率微调电路自动频率微调电路自动增益控制电路自动增益控制电路锁相环路锁相环路 自动增益控制电路主要用于接收机中，以维持整机输出自动增益控制电路主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。 高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fofs=fi fi 低 频 放 大

5、 检 波 中 频 放 大 F F 几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右 自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压变化很大自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压几乎不变。时，保持接收机输出电压几乎不变。图图10.1.1 具有具有AGC的超外差式接收机方框图的超外差式接收机方框图几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右 当输入信号很弱时，接收机的增益大，控制电路不起作当输入信号很弱时，接收机的增益大，控制电路不起作用。而当输入信号很强时，控制电路进行控制，使接收机的用。而当输入信号很强时，控制电路进行控制，使接收机的增益减小。增益减小。图图10.1.2 简单的简

6、单的AGC特性曲线特性曲线图图10.1.3 延迟式延迟式AGC原理电路原理电路 在二极管上加有一负电压（由负电源分压获得），称为延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。迟电压。图图10.1.4 延迟式延迟式AGC特性曲线特性曲线End图图10.1.5 延迟放大式延迟放大式AGC电路方框图电路方框图 振荡器的频率经常由于各种因素的影响而发生变化，偏振荡器的频率经常由于各种因素的影响而发生变化，偏离了预期的数值。这种不稳定对无线电设备的工作显然是不离了预期的数值。这种不稳定对无线电设备的工作显然是不利的。用自动频率微调可以使自激振荡器频率自动锁定到近利的。用自动频率微调可以使自

7、激振荡器频率自动锁定到近似等于预期的标准频率上。似等于预期的标准频率上。图图10.2.1 自动频率微调的原理方框图自动频率微调的原理方框图ffisiff v 鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，只允许直鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，只允许直流电压输出，用来控制本振（压控振荡器），使流电压输出，用来控制本振（压控振荡器），使f改变，直改变，直到到fi fi 减小至等于剩余频差为止。减小至等于剩余频差为止。图图10.2.2 调频通信机的调频通信机的AFC系统方框图示例系统方框图示例iiff v图图10.2.3 鉴频特性曲线鉴频特性曲线图图10.2.4 压控振荡器的调制特性曲线压控振荡

8、器的调制特性曲线图图10.2.5 用图解法确定用图解法确定AFC的动态平衡点的动态平衡点End图图10.2.6 捕捉带捕捉带fp的确定的确定图图10.3.1 锁相环路的基本方框图锁相环路的基本方框图0)()(ttdVRdv 锁相环路重要概念：当两个振荡信号频率相等时，则它们之锁相环路重要概念：当两个振荡信号频率相等时，则它们之间的相位差保持不变；反之，若两个振荡信号的相位差是个恒定间的相位差保持不变；反之，若两个振荡信号的相位差是个恒定值，则它们的频率必然相等。值，则它们的频率必然相等。0)()(tttddeVR)(t00)(tttd)(t)(ttdd锁相环路与自动频率微调工作过程的比较锁相环

9、路与自动频率微调工作过程的比较VRffffiEnd常数10.4.1 鉴相器鉴相器10.4.2 低通滤波器低通滤波器10.4.3 压控振荡压控振荡器器(VCO)(VCO)10.4.4 锁相环路的数学模型锁相环路的数学模型图图10.4.1 基本锁相环路方框图基本锁相环路方框图)cos()(VVVmVtVtv)cos()(RRRmRtVtv 锁相环路（锁相环路（Phase locked loop缩写缩写PLL）是一种相位自动）是一种相位自动控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。的频率跟踪，仅存在

10、某一固定的相位差。 鉴相器是锁相环路中的关键部件。它的形式很多，但在鉴相器是锁相环路中的关键部件。它的形式很多，但在频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种。分别讨论如下：冲取样保持相位比较器两种。分别讨论如下：）正弦波相位检波器）正弦波相位检波器O)(ta)(t)(tb)(t)(tb)()(tbta)(0t)(t)(sin21)(2200220tVVVVVVtVbmbmbm)(sin211 220tMVVbm(引用引用10.8节相位鉴相器的结论节相位鉴相器的结论)）正弦波相位检波器）正弦波相位检波器)(s

11、in211 )(220tMVVtbmdv图图10.4.2 正弦波相位检波器正弦波相位检波器图图10.4.3 正弦鉴相特性正弦鉴相特性）脉冲抽样保持相位比较器）脉冲抽样保持相位比较器图图10.4.4 脉冲抽样保持相位比较器的基本方框图脉冲抽样保持相位比较器的基本方框图）脉冲抽样保持相位比较器）脉冲抽样保持相位比较器图图10.4.5 脉冲抽样保持相位比较器的波形图脉冲抽样保持相位比较器的波形图）脉冲抽样保持相位比较器）脉冲抽样保持相位比较器图图10.4.6 脉冲抽样保持相位比较器方框图脉冲抽样保持相位比较器方框图图图10.4.7 脉冲抽样保持相位比较器电路举例脉冲抽样保持相位比较器电路举例）鉴相器

12、的数学模型）鉴相器的数学模型图图10.4.8 鉴相器的线性化数学模型（时域）鉴相器的线性化数学模型（时域）)cos()(VVVmVtVtv)cos()(RRRmRtVtv)()()(01ttttttRRREnd图图10.4.9 鉴相器的线性化数学模型（频域）鉴相器的线性化数学模型（频域）RC滤波器滤波器图图10.4.10 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器)(sVd)(sVcCs1sRCsCRsCsVsVsF11/1/1)()()(1dc取取=RC为时间常数为时间常数ssF11)(1）无源比例积分滤波器）无源比例积分滤波器图图10.4.11 超前滞后网络超前滞后网络Cs1CRRsCsRsCRRs

13、CRsVsVsF)(11/1/1)()()(2122122dc212212)(CRRCREnd图图10.4.10 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器3）有源比例积分滤波器）有源比例积分滤波器)1(/1)()()(112122sCRRRRsCRsVsVsFdcs1121 第一项是具有直流放大的比例系数，第二项是积分功能。第一项是具有直流放大的比例系数，第二项是积分功能。图图10.4.13 压控振荡器特性曲线压控振荡器特性曲线 是特性曲线的斜率，是特性曲线的斜率， 称为称为CO的增益或灵敏度，的增益或灵敏度， 量纲为量纲为rad/(sV)，它表示单位控制电压，它表示单位控制电压引起的振荡角频率变

14、化的大小。引起的振荡角频率变化的大小。)()(cV0Vtktv)cos()(VVVmVtVtvttkttd cVV0)()(vEnd图图10.4.14 压控振荡器的数学模型压控振荡器的数学模型VCO的传输函数为的传输函数为ttkttd cVV0)()(v)(sV)(sVc)()(sVskscVVsksVsVcV)()(图图10.4.15 锁相环路的数学模型（时域）锁相环路的数学模型（时域）pkpFttkt1)()()(sin)(VV1dV0)()(sin)(tttKttdddd1ee图图10.4.15 锁相环路的数学模型（时域）锁相环路的数学模型（时域）pkpFttkt1)()()(sin)(

15、VV1dVot30)(e)()(sintteesksFsss1)()()()(VV1VEndsksFsss1)()()()(VV1V)()()()()(sKFssKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssH1V1ee锁相环路的基本方程式的频域形式锁相环路的基本方程式的频域形式误差传输函数误差传输函数开环传递函数开环传递函数ssKFsssH)()()()(eVo10.5.1 一阶锁相环路一阶锁相环路10.5.2 二阶锁相环路二阶锁相环路)()()()()(sKFssKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssHe1V1e 传递函数的阶数取决于滤波器的传输函数

16、传递函数的阶数取决于滤波器的传输函数F()的的形式，亦即取决于环路滤波器的形式。根据形式，亦即取决于环路滤波器的形式。根据F()的不的不同，可将锁相环路分为一阶、二阶以至更高阶的形式。同，可将锁相环路分为一阶、二阶以至更高阶的形式。KsKsssH)()()(1VKsssssssH)()(1)()()(1V1ee1)(sF)()()()()(sKFssKFsssH1V)()()(1)()()(sKFsssssssH1V1ee图图10.5.1 一阶锁相环路频率特性一阶锁相环路频率特性1) 频率特性频率特性(1) 环路传输函数环路传输函数(j)具有低通特性，其物理意义具有低通特性，其物理意义是：输入

17、信号是：输入信号1(t)中的各种频率分量，经过环路传中的各种频率分量，经过环路传输后，只有低频成分出现在输出信号输后，只有低频成分出现在输出信号V(t)中。中。(2) 误差传输函数误差传输函数(j) 具有高通特性，其物具有高通特性，其物理意义是：误差信号理意义是：误差信号e(t)中含有中含有1(t)中的高频成分，中的高频成分，这是因为这是因为1(t)在环路之外，因此它的高频成分不能被在环路之外，因此它的高频成分不能被滤除。滤除。结结 论：论：）环路的锁定）环路的锁定0)()(sin)(tttKttdddd1ee 现在来研究锁相环路的锁定问题，这时必须考虑环路现在来研究锁相环路的锁定问题，这时必

18、须考虑环路的非线性，这主要是由鉴相器的非线性所引起的。的非线性，这主要是由鉴相器的非线性所引起的。)()(1tttR0)(sin)(tKtteedd常数常数；)(tR以上三项分别称为环路瞬时频差、控制频差、固有频差。以上三项分别称为环路瞬时频差、控制频差、固有频差。(1) 环路的锁定条件是：环路的锁定条件是：(2) 当环路闭合时，在任何瞬间的环路瞬时频差都等于环路当环路闭合时，在任何瞬间的环路瞬时频差都等于环路的固有频差与控制频差的差值。或者说，瞬时频差与控制频的固有频差与控制频差的差值。或者说，瞬时频差与控制频差的代数和等于固有频差。差的代数和等于固有频差。结结 论：论：0)(limtttd

19、deKtt)(sinlime1K)(sin)(tKtteedd)(sin)(tKtteedd(3) 环路锁定后，有一个固定的剩余相位差，即稳态相位差环路锁定后，有一个固定的剩余相位差，即稳态相位差结结 论：论：Karcsin)(e图图10.5.3 一阶锁相环路的相图一阶锁相环路的相图3）捕捉带与同步带）捕捉带与同步带 当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控振频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到用，使压控振频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到一定程度后，环路即能进入锁定。这一过程叫做捕捉一定程度后，环路即能进入锁定。这一过程叫做捕捉过程。系统能

20、捕捉的最大频率失谐范围称为捕捉带或过程。系统能捕捉的最大频率失谐范围称为捕捉带或捕捉范围。捕捉范围。 当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变化，这种频率变化反映为相位变化，则通过环路的作化，这种频率变化反映为相位变化，则通过环路的作用，可使用，可使VCO的频率和相位不断跟踪变化。这时环的频率和相位不断跟踪变化。这时环路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频带称为同步带，又称同步范围或锁定范围。带称为同步带，又称同步范围或锁定范围。图图10.5.4 一阶环路锁定状态的建立过程一阶环路锁定状态的建立过

21、程 从闭环开始，由不同步到达同步所需的时间叫做捕捉时从闭环开始，由不同步到达同步所需的时间叫做捕捉时间。可以证明，在小扰动的条件下，一阶环路的捕捉时间为间。可以证明，在小扰动的条件下，一阶环路的捕捉时间为221Kp 由此可见，要缩短捕捉时间（锁定时间），就要提高环由此可见，要缩短捕捉时间（锁定时间），就要提高环路的总增益路的总增益。Ktt)(sinlime1K 环路能够锁定的最大范围，亦即同步带为环路能够锁定的最大范围，亦即同步带为KH）差拍状态）差拍状态图图10.5.5 一阶锁相环路的相图一阶锁相环路的相图1K图图10.5.6 控制电压和瞬时频率控制电压和瞬时频率End图图10.5.7 环路

22、平均频差与固有频差的关系曲线环路平均频差与固有频差的关系曲线从以上对一阶环路的分析可知，这种环路只从以上对一阶环路的分析可知，这种环路只有一个可供调整的参数有一个可供调整的参数，而环路的各种重要特性，而环路的各种重要特性都由它来决定。这就遇到了不可克服的矛盾，因为都由它来决定。这就遇到了不可克服的矛盾，因为若希望环路的同步范围大和稳态相差若希望环路的同步范围大和稳态相差e小，则要求小，则要求增益增益大。但在增大大。但在增大值的同时，环路的截止频率值的同时，环路的截止频率也提高了，因此环路的滤波性能变坏。一阶环也提高了，因此环路的滤波性能变坏。一阶环路不能解决这样的矛盾，所以实际使用的锁相环路路不能解决这样的矛盾，所以实际使用的锁