第8章 反馈控制技术(1)AGC与AFC电路原理

第八章无线电技术中的反馈控制电路

(2)AGC和AFC电路原理8.2自动增益控制(AGC)电路8.2.1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——可控增益电路8.2.3AGC控制电压的产生——电平检测电路8.2.4AGC电路举例8.3自动频率控制(AFC)电路8.3.1AFC电路的组成和基本特性8.3.2AFC电路的应用举例作业：8.78.88.1反馈控制系统的概念8.1.2反馈控制系统的组成、工作过程和特点自动增益控制(AGC)电路、自动频率控制(AFC)电路及自动相位控制(APC)电路。1.反馈控制系统的工作过程①参考信号r0保持不变，输出信号y发生了变化②参考信号r0发生了变化

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。两个条件:是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致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。2.反馈控制系统的特点（1）误差检测可以远远小于参考信号与反馈信号间的起始偏差。利用这个特性，达到两个目的-----保持输出基本不变或输出跟随参考的变化。反映速度快，精度高。（2）系统是根据误差信号的变化而进行调整，不论其变化的原因。（3）只要合理设计，就能够减小误差信号的变化，但不可能完全消除误差的存在。正向传递函数是指输出信号Y(s)与误差信号E(s)之比。8.1.98.1.10误差传递函数是指误差信号E(s)与参考信号R(s)之比。8.1.8开环传递函数是指反馈信号F(s)与误差信号E(s)之比闭环传递函数是指输出信号Y(s)与参考信号R(s)之比8.1.78.1.2反馈控制系统的基本分析1.系统的传递函数及数学模型自动增益控制电路是某些电子设备，特别是接收设备的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为一定的数值。因此也称自动电平控制（ALC）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。也就是说最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这种变化范围叫做接收机的动态范围。8.2自动增益控制(AGC)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:控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时，不影响接收机的噪声性能。若用代表AGC电路输入信号电平的变化范围，则用代表AGC电路输出信号电平允许变化范围。取ng=mi/mo8.2.1称ng为增益控制倍数，显然ng愈大控制范围愈宽。8.2.2式中，Amax=Uomin/Uimin

表示AGC电路的最大增益（对应低电平时）

Amin=Uomax/Uimax

表示AGC电路的最小增益（对应高电平时）可见，要想扩大AGC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AGC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，设计适当的响应时间。8.2.1AGC电路的组成、工作原理及性能分析AGC电路的组成如图8.11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。图8.11AGC电路组成

1.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。它的输入信号就是AGC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u1=Kduy8.2.3其复频域表示式为U1(s)=KdUy(s)8.2.4电平检测电路根据控制电压产生方法的不同，有平均值型、峰值型和选通型。

2.滤波器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性。用此可以控制AGC电路的响应时间。也就是决定当输入电平以不同的频率变化时输出电平将怎样变化。常用的是单节RC积分电路。如图8.12所示。它的传输特性为图8.12RC积分电路8.2.5

3.比较器将给定的基准电平Ur与滤波器输出的uf进行比较，输出误差信号为ue。通常ue与(ur-uf)成正比，所以，比较器特性的复频域表示式为Ue(s)=Acp[Ur(s)-uf(s)]8.2.6其中，Acp为一比例常数。

4.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Up(s)=ApUe(s)8.2.7其中，Ap为比例常数。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5.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AGC系统的增益控制倍数ng。所以，可控增益电路的性能对整个AGC系统的技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的。通常最关心的是AGC系统的稳定情况。为简化分析，假定它的特性是线性的，即

G=Agup

8.2.8其复频域表示式为：——up为AGC控制电压G(s)=AgUp(s)8.2.9Uo(s)=G(s)Ui(s)=AgUi(s)Up(s)=KgUp(s)8.2.10式中，Kg=AgUi，表示Uo与Up关系中的斜率，如图所示。以上说明了AGC电路的组成及各部件的功能。但是，在实际AGC电路中并不一定都包含这些部分。将图8.2.1改画成图8.2.4所示的电路模型图中，Kg即为Ac8.2.2放大器的增益控制——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AGC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AGC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不能满足要求时，还可采用多级控制的方法。

可控增益电路通常是一个可变增益放大器。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，或在放大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

⑴改变发射极电流Ie正向传输导纳|Yfe|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|Yfe|随之改变，从而达到控制放大器增益的目的。

⑵改变放大器的负载放大器的增益与负载YL有关，调节YL也可以实现对放大器增益的控制。⑶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：放大器的增益受控时，只是改变了VT1和VT2的电流分配，对VT3没有影响。⑷改变恒流源电流改变恒流源电流的增益控制电路如图8.21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2.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8.22所示。电阻R和二极管VD的动态电阻rd构成一个分压器。当控制电压up变化时，rd随着变化，从而改变分压器的分压比。图8.22二极管电控衰减器交流等效电路图8.23是一种改进电路。控制电压up通过三极管VT来控制VD1、VD2和VD3、VD4的动态电阻。当输入信号较弱时，控制电压up的（负压较小）值较小，晶体管VT的电流较大，流过VD1～VD4的电流也比较大，其动态电阻rd小，因而信号ui从四只二极管通过时的衰减很小。当输入信号增大时，up的值增大，VT和VD1～VD4的电流减小，rd增大，使信号受到较大的衰减。控制过程如下：串联式二极管衰减器Ui大→Vp大（b点电位低）→Vc高→电流小→rd大→衰减大→输出小图8.25是用PIN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；VT2是射极跟随器，放大后的信号由发射极输出，同时有一部分由反馈电阻Rf反馈到VT1的基极，反馈深度可通过Rf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。图8.25用PIN管作为电控衰减器的放大电路输入大→Up小→PIN内阻大→衰减大→输出小控制过程如下：8.2.3AGC控制电压的产生——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。按照控制电压产生方法的不同，电压检测电路有平均值型、峰值型和选通型三种。

1.平均值型AGC电路平均值型AGC电路适应于被控信号中含有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用这种电路。图8.26平均值型电平检测电路

图8.26是一种常用的等效电路，二极管VD和R1、R2、C1、C2构成一个检波器，中频输出信号uo经检波后，除了得到音频信号之外，还有一个平均直流分量up，它的大小和中频载波电平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以用做AGC控制电压。Rp、Cp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up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τp=RpCp(足够大但不能太大，太大了跟不上信号的变化)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计算：8.2.26（反调制---τp太小，则控制电压将会跟随调制信号变化，使输出音频信号受到附加的调制。相对来说，低频比高频更容易受到反调制。）

2.

峰值型AGC电路峰值型AGC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。峰值型AGC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8.28就是这种检波器的电路（电视机中AGC采用）。图8.28峰值型电平检测电路及其波形要求充电时间小，放电时间大，C1小R1大。峰值型AGC电路具有一些优点：1、输出的AGC控制电压大。2、较好的抗干扰能力（幅度小于同步信号的干扰）

缺点：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够理想。

3.

选通型AGC电路

选通型AGC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成反应信号的电平。

优点：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.

使用的前提条件：首先是信号本身要（1）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；其次是要提供与上述信号出现时间相对应的（2）选通信号，这个选通信号可由AGC系统（3）内部产生，也可由外部提供。8.2.4AGC电路举例

图8.30是一种简单的延迟AGC电路。电路有两个检波器,一个是信号检波器S，另一个是AGC的电平检测电路A。它们的主要区别在于后者的检波二极管VD2上加有延迟电压Vd.这样，只有当输出电压uo的幅度大于Vd时，VD2才开始检波,产生控制电压up。图8.30延迟AGC电路(可控增益电路)

AFC电路也是一种反馈控制电路。它与AGC电路的区别在于控制对象不同，AGC电路的控制对象是电平信号，而AFC电路的控制对象则是信号的频率。其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。8.3自动频率控制（AFC）电路8.3.1AFC电路的组成和基本特性

1.

AFC电路的组成AFC电路的框图如图8.31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之差，控制对象是输出频率。不同于AGC电路在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，控制对象是输出电平。因此研究AFC电路应着眼于频率。

图8.31AFC电路方框图

⑴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,它的输出电压ue与这两个信号的频率差有关，而与这两个信号的幅度无关，称ue为误差信号。

ue=Acp(ωr-ωo)8.3.1式中，Acp在一定的频率范围内为常数，实际上是鉴频跨导。图8.32混频-鉴频型频率比较器框图及其特性

⑵

可控频率电路可控频率电路是在控制信号uc的作用下，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器，其典型特性如图8.33所示。一般这个特性也是非线性的，但在一定的范围内如CD段可近似表示为线性关系图8.33可控频率电路的控制特性8.3.2式中Ac为常数，实际是压控灵敏度。这一特性称之为控制特性。⑶滤波器这里也是一个低通滤波器。根据频率比较器的原理，误差信号ue的大小与极性反映了（ωr-ωo）=Δω的大小与极性，而ue的的频率则反映了频率差Δω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频率，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。在图8.31中滤波器的传递函数为8.3.3当滤波器为单节RC积分电路时8.3.4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。这种延时的作用一并考虑在低通滤波器之中。

2.

AFC电路基本特性的分析在了解各部件功能的基础上，就可分析AFC电路的基本特性了。可以用解析法，也可以用图解法，这里我们用图解法进行分析。因为我们感兴趣的是稳态情况，不讨论反馈控制过程，所以，可认为滤波器的传递函数为1，这样AFC的方框图如图8.34(a)所示。这样

uc=ue，ωr0=ωy0，Δω=ωr0-ωy鉴频特性压控特性AFC电路框图ue=Acp(Δω)Δω=AcucAFC电路的数学模型当滤波器的传递函数为1时，可以简化电路模型图8.35AFC电路的工作特性

在AFC电路处于平衡状态时，应是这两个部件特性方程的联立解。图解法则是将这两个特性曲线画在同一坐标轴上，找出两条曲线的交点，即为平衡点。如图8.35所示。

和所有的反馈控制系统一样，系统稳定后所具有的状态与系统的初始状态有关。

AFC电路对应于不同的初始频差Δω，将有不同的剩余频差Δωe；当初始频差Δω一定时，鉴频特性越陡，或控制特性越平，则平衡点M越趋近于坐标原点，剩余频差就越小。①设初始频差Δω=0，即ω0=ωo0=ωro，输出频率就是标准频率，控制特性如图8.35中①线所示，它与鉴频特性的交点就在坐标原点。初始频差为零，剩余频差也为零。②初始频差Δω=Δω1如“控制特性②”线所示，它代表可控频率电路未加控制电压，振荡角频率偏离ωo0时的控制特性。它与鉴频特性的交点M0就是稳定平衡点，对应的Δωe就是剩余频差。振荡角频率误差由Δω1减小到Δωe，显然Δωe<Δω1。鉴频特性越陡，控制特性越平，Δωe就越小。图8.35AFC电路的工作特性

③初始角频率由小增大时，平衡点所对应的剩余角频差也相应地由小增大。当初始角频差为Δω2时，鉴频特性与控制特性出现3个交点，分别用M、P、N表示。其中M和N是稳定点，而P点则是不稳定点。问题是在两个稳定平衡点中应稳定在哪个平衡点上。

如果环路原先是锁定的，若工作在M点上，由于外因的影响使起始角频差增大到Δω2，在增大过程中环路来得及调整，则环路就稳定在M点上；如果环路原先是失锁的，那么必先进入N点，并在N点稳定下来，而不再转移到M点。剩余角频差接近于起始角频差，此时环路已失去了自动调节作用。

④若环路原先是锁定的，Δω增大到Δω=ΔωH时，控制特性与鉴频特性的外部相切于MH点，Δω再继续增大，就不会有交点了，这表明ΔωH是环路能够维持锁定的最大初始频差。通常将2ΔωH称为环路的同步带或跟踪带，而将跟得上Δω变化的过程称为跟踪过程。⑤若环路原先是失锁的，当初始频差变小，当Δω=ΔωH时环路首先稳定在NH点，而不会转移到MH点，这时环路相当于失锁。只有当初始频差继续减小到Δωp时，控制特性与鉴频特性相切于Np，相交于Mp点，环路由Np点转移到Mp点稳定下来，这就表明Δωp是从失锁到稳定的最大初始角频差，通常将2Δωp称为环路的捕捉带，而将失锁到锁定的过程称为捕捉过程。显然，Δωp<ΔωH8.3.2AFC电路的应用举例1.自动频率微调电路

因为超外差接收机的增益与选择性主要由中频放大器决定，这就要求中频频率很稳定。

通常，外来信号的频率稳定度较高，而本地振荡器的稳定度较低。为了保持中频频率的稳定，在较好的接收机中往往加入AFC电路。图8.36调幅接收机中AFC电路的组成方框图

调幅接收机的自动频率微调电路如图8.36所示。载波频率为fS，本地频率为fL，混频器输出的中频就是fI=fL-fS。当本振频率偏移+ΔfL。本振频率变成fL+ΔfL，混频后中频也偏移，为fI+ΔfL。经鉴频器鉴频，输出相应的控制电压，经低通滤波器去控制压控振荡器，使压控振荡器的频率降低，从而使中频频率减小，达到了稳定中频的目的。图8.37调频接收机自动频率微调系统必须注意，在这种AFC环境中，低通滤波器的带宽应足够窄，一般小于几十赫兹，要求能滤除调制频率分量，使加到调频振荡器的控制电压仅仅是反映调频信号中心频率漂移的的缓变电压。2.稳定调频发射机的中心频率为使调频发射机既有大的频偏，又有稳定的中心频率，往往采用AFC电路。其方框图如图8.38所示。图中，参考信号ωr由高稳定度的晶体振荡器产生，输出信号是调频振荡器的中心频率ωo，混频输出的额定中频为（ωr-ωo）。由于ωr的稳定度高，因此混频器输出端产生的频率误差Δω主要是由ωo不稳定所致。通过AFC电路的自动调节作用就能减少频率误差值，使ωo趋于稳定。图8.38具用AFC电路的调频发射机方框图

3.调频负反馈调解器当存在噪声时，调频波解调器有一个解调门限值