反馈控制电路.ppt

1、1,第十一章 反馈控制电路,11-1概述 11-2自动增益控制（AGC） 11-3 自动频率控制（AFC） 11-4 锁相环路的基本组成及数学模型 11-5 锁相环路的基本分析 11-6 锁相环路的应用,2,11-1概述,闭环(自动)控制系统：反馈控制 将受控物理量自动调整到预定值。 开环(自动)控制系统：前向控制 程控(数控)，智能化控制等。 如：开、关机，自动录放，程序工作等。,3,一、三种反馈控制系统分类,自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路。,自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统， A

2、FC电路控制的是信号的频率。,自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。 (Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位反馈控制系统， 锁相环路控制的是信号的相位。,4,二、反馈控制系统的原理（与负反馈放大器比较）,相同点：皆是自动调节系统。,不同点：一是调节对象不同。（有频率F与相位P）,二是分析方法不同。,负反馈放大器有放大器与 线性反馈电路；,反馈控制系统除有放大器外，还有非线性部件， 要用非线性分析方法,在一定条件下可以近似为线性。,三、反馈控制系统的特点,AFC的特点是：误差信号是频率，所以稳定时有频差。,APC的特点是：误差信号是相位，所以稳定时只有相差。,5,四、

3、自动控制系统的模式,6,11-2自动增益控制（AGC）,一、 AGC目的与要求 1.目的： 若接收信号几v-几mv变化,即信号强弱比为103-104。 变化原因： 距离不同、电台发射功率不同； 移动电台、短波信号衰落，强弱变化相对缓慢。 因信号强弱变化大，若放大器增益固定，则造成： (1)使后级放大器偏离线性区,信号失真； 如：电视信号的同步头被压缩或消去,使同步失控。严重时,产生大信号阻塞(进入截止、饱和区)； (2)增加混频组合频率干扰和非线性； 若希望接收机输出电平变化范围尽可能小，避免过强的信号使晶体管和终端器件过载，以致损坏，则需要进行增益控制。,7,2.对AGC电路的具体要求 (1

4、)增益控制范围大； 如：电视AGC：20-60dB。 (2)保持系统良好的信噪比特性； (3)控制灵敏度高； 如：电视AGC：-3dB以内。 (4)控制增益变化时，幅频、群时延特性不变,以减小信号真； (5)控制特性受温度影响小。,8,二、带有AGC电路的调幅接收机,注意： 1.延迟式(先中放，后高放)AGC; 2.对于FM接收机： (1)鉴频前的限幅，要求中放增益高，以提供足够的驱动电压，故AGC一般只控制高放； (2)鉴频器的输出信号幅度仅与已调信号的频偏有关，而与输入信号幅度无关，故AGC电压一般取自中放的一部分信号。,9,三、 控制放大器增益的方法,1放大管电流控制法,10,反向AGC

5、：增益G随Ic正比变化， 即： Ic，G : Ic，G 优点：Ic小，节省功率。 缺点：信号过大时，Ic过快，放大器进入非线性区。 正向AGC: 增益G随Ic反比变化， 即： Ic，G: Ic，G 专用正向AGC管，曲线较陡，即Ic时G较快(控制灵敏度高)。,11,举例：,图(a)为反向AGC控制，VAGC为负电压 控制过程： 输出VAGC负向ib(ic)G 图(b)为正向AGC控制，VAGC为正电压 控制过程： 输出VAGC正向ib(ic)G,12,2放大管集电极电压控制法 因为|Yfe|与Vce直接相关，故可通过VAGC改变Vce-|Yfe|来改变|Yfe|(Avo)。,13,3放大管负载

6、控制法 因为放大器的增益与负载直接相关，可通过VAGC控制负载变化来改变增益。,14,4差动电路增益控制法 采用分流方式控制增益。,15,5双栅场MOS效应管增益控制,16,四、AGC电路举例,1.广播接收机中的AGC电路,17,2.AGC方式高线性调幅,18,3.AGC方式高线性功放,19,11-3 自动频率控制（AFC）,功能：使振荡器频率自动锁定到预定的频率上。,一、 AFC原理框图,20,1.鉴频器(比较器) fo(VCO输出) fs(标准频率) fo= fs ：比较器无输出 fo fs ：有正比于fo-fs的输出,经LPF输出Vc去控制VCO，当|fo- fs|减 少到f 时,自动微

7、调过程停止,输出频率稳定在fsf 2.LPF 按系统要求，从鉴频器输出的误差信号中滤出控制信号Vc 3.受控元件 可变电抗元件。 4.受控振荡器 VCO,21,5.闭环系统满足负反馈 鉴频特性与振荡器控制特性的斜率相反(负反馈),如图：振荡器控制特性曲线 A: 理想，无频差； B: 实际，有固有频差f ； C: fp 捕捉带宽; D: fH同步带宽(临界情况)。,22,二、 AFC系统应用框图举例,1.调幅接收机AFC系统,23,2.彩电接收机AFC系统,AFT：自动频率调谐器 Automatic Frequency Tuner,24,3.AFC用于调频反馈解调,25,11-4-1 PLL基本

8、原理,（1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。,（2）基本原理： 鉴相器的输出信号 是输入信号 和压控振荡器输出 信号 之间相位差的函数。,经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分 量后，成为压控振荡器的控制电压 。,在 的作用下，压控振荡器输出信号的频率将发生相应变 化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。,11-4 锁相环路的基本组成及数学模型,26,(2)锁定状态VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程。,当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态。,当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦波，则压控振荡器的

9、输出信号频率与输入信号频率相等，它们之间的相位差为一常值，这种状态称为环路的锁定状态。,锁相环通常有两种不同的跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。,压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪环路可实现高质量的调角信号的解调。,压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪状态，这叫载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。,锁相环路具有两种工作状态：,(1)捕获状态环路由失锁进入锁定的过程；,27,11-4-2 PLL各部件的特性与数学模型：,常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样鉴相器和鉴频鉴相器等。,作为原

10、理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。,式中， 为输入信号 的瞬时相位；,为压控振荡器输出信号 的瞬时相位。,一、鉴相器 （PD）,28,设相乘器的相乘系数为k，单位为1/V。输入信号为：,式中， 为正弦信号的振幅， 为中心角频率， 是以载波相位 为参考的瞬时相位。若输入信号 为一固定的正弦波，则 是一常数， 即 的初始相位。,假设输出信号为：,式中， 为余弦信号的振幅， 为环路VCO自由振荡角 频率， 是输出信号以其自由振荡相位 为参考的 瞬时相位。,29,统一参考相位：一般情况下，两信号的频率是不同的。为了便于比较，现统一以VCO 的自由振荡相位 为参考 ，于是输入信号相位需改写为：,

11、式中：,改写输入和输出信号表示式：,30,输入信号与输出信号经过相乘器后得到：,再经过低通滤波滤除 成分，便得到误差电压：,令, ，不难看出 为鉴相器的最大输出电压， 它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。单位为（V）。,31,假设 ，有,若用 代表相乘器两个输入信号的瞬时相位误差，即,则上式 可写成：,这就是正弦鉴相特性。,需要指出的是，在上面的推导过程中，设两个输入信号互为正交信号形式，因而得到正弦特性。若改设两信号同为正弦或余弦，则将会得到余弦特性。不论是那种特性，环路的稳态工作区域总是在特性的线性区域内，环路锁定时相位比较器输出电压为零附近。,则可写成线性表示式：,讨论：,32,正弦鉴相

12、器的数学模型,频率域中的鉴相模型s为拉氏算子,33,二、环路滤波器（LF ）,锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能： 第一，滤除误差信号中的高频分量； 第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪 声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。,环路滤波器由线性元件、电阻、电容和运算放大器组成。 环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。 锁相环路中，通常采用一阶滤波器电路。 有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶 滤波电路。,锁相环路中，通常采用直通电路和三种滤波器电路， 假设传递函数为：,34,直通电路,RC积分 滤波器,无源比例积分滤波器,

13、理想积分滤波器,35,三、压控振荡器 (VCO),在PLL中，压控振荡器是在外加控制电压 的作用下，输出信号频率按一定规律变化的振荡电路。它的工作原理与电路和前面所讲的调频电路基本相同。,压控振荡器的一般特性如下图 所示。它的振荡频率与控制电压的关系可表示为：,0,式中， 称压控振荡器的中心 角频率或自由振荡频率，即控制 电压 = 0 时的振荡频率。,表示频率随电压 变化的函数关系。,36,在一定的控制电压变化范围内，压控振荡器的频率变化与控制 电压呈线性关系，即：,其中, 是曲线的斜率，也称压控振荡器的调制灵敏度。 单位为（ ）。,在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬 时角频

14、率而是它的瞬时相位。,由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称为 环路中的固有积分环节。,VCO应是一个有线性控制特性的调频振荡器。基本要求是： 频率稳定度好；控制灵敏度要高；控制特性的线性度要好； 线性区域要宽；噪声尽可能低。 而这些要求之间往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。,37,时域模型：,频域模型：,p为微分算子s为拉氏算子,38,11-4-3 PLL的环路方程与相位数学模型,二、相位数学模型,一、方框原理图,39,令， ，为环路增益，单位为（ ）。,从相位数学模型可得到：,这就是PLL环路的非线性微分方程。,40,三、讨论：,方程的三项：,第一项是瞬时相位误差 对时间的微分

15、，由于 是输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时频差。,第二项是压控振荡器在控制电压 的作用下，所产生的角频率变化量，所以一般称为控制频差。,第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它不随时间变化而是决定于环路开始工作时的状态，称为“初始频差”。,在闭环后的任何时刻，初始频差总等于瞬时频差和控制频差的代数和。,在锁定时刻， 是常数，所以控制频差等于初始频差。,41,注意：系统的相位数学模型和系统的方框原理图是不同的。,方框原理图表示系统所包含的组成部分及各部分的功能， 它的输入和输出信号都是按某种规律变化的电压或电流。,相位数学模型

16、则表示信息在系统内流通的过程与关系， 对PLL的模型，它描述的是输出相位和输入相位之间的关系。,下面讨论PLL的传递函数，振幅频率特性和相位频率特性， 环路带宽都是对输入相位 而言的，不是对输入电压 而言的，这点需要特别强调。,此非线性微分方程的阶数取决于环路滤波器。,当采用直通电路，就是一阶PLL。,当采用积分滤波器（一阶），就是二阶PLL。,42,当满足 的条件下，,正弦鉴相特性可写成线性表示式：,则非线性微分方程变成线性微分方程：,把时域线性微分方程变成复频域方程：,锁相环是一个非线性系统，但是，在锁定情况下的跟踪过程 可以用线性系统近似处理。,线性性能包括：暂态响应、稳态相差、频率特性

17、、稳定性、 噪声性能等。,43,PD,LF,VCO,相位数学模型,方框原理图,相位数学模型,小结：,44,当满足 的条件下，,线性化相位数学模型,PLL的三个传递函数：,误差传递函数：,闭环传递函数：,开环传递函数：,45,定义PLL的三个传递函数,误差传递函数：,该式表示输入信号与压控振荡器输出信号之间的误差相位 与输入信号相位 的关系，称为环路的误差传递函数。,闭环传递函数：,该式表示压控振荡器输出信号相位 与输入信号相 位 的关系，称其为环路的闭环传递函数。,开环传递函数：,46,11-5-1 非线性分析中研究的问题和方法,一、研究的问题：捕捉特性和同步特性等。,捕捉特性指环路进入锁定状

18、态的条件、过程及所需的时间等。,条件：当输入信号刚刚加到PLL输入端时，有起始频差：,若 超过某个数值 ，环路将不能进入锁定状态，,称 为PLL的捕捉频带。,过程：环路进入锁定状态的过程，一般有两个过程： 频率牵引和相位锁定。,时间：称从输入信号加到环路的输入端起，到环路进入锁定状态的时间为捕捉时间，用 表示。,11-5 锁相环路的基本分析,47,同步特性是指在环路已进入锁定状态后，压控振荡器能跟踪 输入信号频率变化的范围，又称为PLL的非线性跟踪特性。,当环路已处于锁定状态后，改变输入信号的频率，由于环路 的反馈控制作用，压控振荡器的频率将随输入信号频率变化。 但压控振荡器的频率变化范围是有

19、限的。,当输入信号频率变化超过某一边界值 后，压控振荡器 不再能跟踪它的变化，环路将失锁。通常称 为同步频带 或保持频带，它表示了环路的同步特性。,锁相环是一个非线性系统。但是，在锁定情况下的跟踪过程,可以用线性系统近似处理。,48,分析方法主要采用相平面图法,这是一种求解非线性微分方程的图解法， 适用于一阶和二阶环路。,在组成环路的各部件中，仅考虑鉴相器非线性特性。 并假定其特性为正弦函数。,仅讨论一阶环路和采用理想积分滤波器的二阶环路 的捕捉特性。,49,11-5-2 一阶环路的非线性分析,对于一阶PLL:,对于输入频率阶跃 时，一阶PLL能锁定。,50,设 ，以 为自变数， 为因变数。,

20、一阶环路，其环路方程为：,式中 。该式表示的是误差相位 值不同时，其时间变化率是怎样的。所以，尽管式中没有表示误差相位是怎样随时间变化的，但却完全可以描述反馈控制过程中，误差相位的变化情况。,下面用图解法求解该非线性微分方程。,51,以 为横坐标， 为纵坐标。据上式可画出 的曲线，如下图所示，称其为相平面图。,图11-5-1,一阶环路 的相平面图,0,52,曲线与横轴相交的情况决定于 和 的值。,相轨迹上状态点的运动方向：在横轴的上方， 0 ， 表明误差相位的值将随时间的增加而增加。在横轴下方， 0，表明误差相位的值随时间而减小。,（1）相平面图的特点：,曲线上的任何一点都表示系统的一个状态，

21、称曲线上的点 为状态点，称曲线为相轨迹。,在曲线与横轴的交点，a , b , c 点处， = 0 ，,称为系统的平衡点。,称 a 和 C 点称为稳定平衡点，b 点为不稳定平衡点。,53,（2）一阶环路的非线性分析（相位锁定过程）,（ ）,当 时，不论 起始为何值，环路总能达到 稳定平衡点。这就是说，只要满足 ，环路就能 进入锁定状态，所以一阶环路的捕捉带为 。,一阶环路的快捕带 等于捕捉带。所谓快捕带是指环路 在锁定过程中，误差相位的变化不超过2 的最大起始频差。,稳定平衡点的表示式为：,若 ，则可得近似式：,它与一阶环路在输入信号为频率阶跃时的稳态相差是一致的。,54,捕捉时间,为计算捕捉时

22、间，可以利用相图求出与 t 的关系曲线， 然后求捕捉时间。,理论上环路达到稳定平衡点的时间是无穷长。,实际上， 当 小于某值时，认为达到稳态。,一阶环路的同步带 等于捕捉带 。,55,（3）一阶环路的非线性分析（频率牵引过程）（ ）,当 时，其相图如图11-5-3所示 。 从图中可以看出，在这种情况下，没有 = 0的平衡点， 当然，也就没有稳定平衡点。 因此，环路不能进入锁定状态，称其为失锁状态。,定性分析：,从,所需时间为 。,所需时间为 。,从,56,由图11-5-3所示曲线可以看出：,在失锁状态下，由于 ， 将连续变化。,但是由于在不同 值时，具有不同的 。,所以 的时间函数不是具有正斜

23、率的直线。,鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正、负值部分不对称， 因此其中存在着直流分量，这个直流分量的大小由下式确定：,这个直流分量使压控振荡器的振荡频率向输入信号的频率靠 近，这种现象称为“频率牵引”。,57,失锁状态下 和 随时间变化的曲线,58,一阶环路的频率牵引现象,59,11-5-3 二阶环路的非线性分析 （1）相轨迹方程,用相图法分析二阶环路较一阶环路复杂，下面以含理想积分 滤波器二阶环路为例说明其原理。,上式称为采用理想积分滤波器的二阶环路的相轨迹方程。,60,（2）相平面图上相轨迹的特点,当 很大时，上式右端第二项可以略去，相轨迹近似为 正弦形。,当 = 0 时，相轨迹的斜率

24、等于 ，即在 轴上， 所有相轨迹曲线的斜率相等。,相轨迹对呈周期性，周期为 。因此，为了描述环路性能， 只需作出 的图形即可。,61,当 = 0 和 （n为整数）时，对应于环路的稳定 平衡点。,当 = 0 和 （n为整数）时，对应于环路的 不稳定平衡点。,在起始频差 较大时，相轨迹近似于正弦波。 每变 化 ， 将有所下降，也即频差有所减小。从起始状态 到进入曲线(2)以前是频率牵引过程。,进入曲线(2)后为相位锁定过程，它使两者之间的频率差减小 为零，而保持一固定的相差。,62,相平面图上相轨迹的特点,1,2,3,4,4,63,有源比例积分滤波器（放大器增益有限）,二阶环路的捕捉带为：,二阶环

25、路的快捕带为：,环路的捕捉时间近似为：,64,11-5 集成锁相环介绍,11-5-1 集成锁相环分类,模拟环 （APLL）：,通用型（多功能）：VCO，PD，VCO + PD + AMP。,专用型：AM/PM 的解调，CTV中用的色度信号同步环。,数字环（DPLL）：,通用型（多功能）：VCO，PD + VCO，PD + 分频器。,专用型：频率合成器。,11-5-2 工艺特点与频率范围,模拟型-双极性电路（050MHZ）：NE565（500KHZ);,NE560,NE562(30MHZ);NE564(50MHZ)。,数字型：双极性电路(0250MHZ)；CMOS电路(025MHZ)。,65,1

26、1-5-3 实验用集成锁相环NE565电路分析,PD,VCO,AMP,AMP的等效输出电阻 LF为无源比例积分滤波器。,集成锁相环NE565介绍,66,11-5-4 数字锁相环,数字锁相环路有如下特点：,1、全部采用数字电路。受干扰的影响比模拟电路小，使工作的可靠性提高。,2、易于采用大规模集成电路。,3、在数字锁相环路中，时钟源通常不直接受控，不同于模拟锁相环路中的压控振荡器直接受误差信号的控制。这将有利于提高环路的性能。,4、应用数字锁相环路，在一定范围内可以消除类似于模拟锁相环路中压控振荡器控制特性的非线性、环路滤波器传输函数的不稳定等的影响，从而改善锁相环路的性能。,数字锁相环路或简记

27、为DPLL（Digital Phase-Locked LooP）。,67,一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，但这些部件全部采用数字电路。其方框图如图所示。,相位检测器,输入信号,抽样,数字滤波器,数字控制,振荡器,68,11-6 锁相环的应用,11-6-1 PLL的基本特性与应用领域,（1）锁定特性：环路锁定状态时，VCO跟踪输入信号频率，只有很小的稳态相差。叫“取样锁相环”。这种环路可用于频率合成。,（2）载波跟踪特性：压控振荡器的输出频率只跟踪输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪状态，这种环路叫“载波跟踪环”，或称“窄带跟踪

28、环”。这种环路可用于锁相接收机。,（3）调制跟踪特性：压控振荡器的输出频率跟踪输入的调制信号变化。这种状态就是调制跟踪状态，这种环称为“调制跟踪环路 ”，或称“宽带跟踪环”。这种环路可实现高质量的调角信号的解调。,（4）易于集成化。,（5）主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复； 频率合成。,69,11-6-2 窄带跟踪滤波器（锁相接收机）-载波跟踪环,（1）空间信号的基本特性,卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都较微弱。,频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。,例如：频率为100MHZ，多普勒频移为 3KHZ。,信标信号本身频带宽度较窄。例如：为6HZ左右。,若

29、使用普通接收机，带宽为6KHZ左右。接收机带宽比信号 带宽大1000倍，接收的噪声大1000倍，很微弱的信号被淹没。,锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且 带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器”。,70,（2）方框原理图,PD,LF,VCO,中放,混频,倍频,本地标准中频参考信号 ，是高度稳定的。,混频器输出中频信号的频率与本地中频参考信号的频率相等。,有漂移， 跟踪 的漂移。,PLL电路设计为窄带（6HZ），故又称为“窄带跟踪滤波器”。,71,（3）跟踪滤波器的频率特性,跟踪范围,72,11-6-3 用作相干解调器中的载波恢复电路-平方环,对于调相信号和数字相位键控信号，相干解调是最佳解调 方式。,实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差 的本地参考载波。,如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的 滤波器