反饋控制電路

反饋控制電路第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一20.１概述放大電路、振蕩電路、調(diào)制電路和解調(diào)電路可以組成一個完整的通信系統(tǒng)或其它電子系統(tǒng),但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善。如,調(diào)幅接收機中,天線上感生的有用信號的強度往往由于電波傳播衰落等原因有較大的起伏變化,導(dǎo)致放大器輸出信號時強時弱；又如,在通信系統(tǒng)中,收發(fā)兩地的載頻應(yīng)保持嚴(yán)格同步,使輸出中頻穩(wěn)定,而要做到這一點也比較困難。反饋控制電路第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一所以,為了提高通信和電子系統(tǒng)的性能指標(biāo),或者實現(xiàn)某些特定的要求,必須采用自動控制方式。由此,各種類型的反饋控制電路便應(yīng)運而生了。根據(jù)控制對象參量的不同,反饋控制電路可分為以下三類：自動增益控制（ＡＧＣ）,自動頻率控制（ＡＦＣ）和自動相位控制（ＡＰＣ）。自動相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（ＰＬＬ）,是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。反饋控制電路第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一反饋控制電路的基本原理圖20-1反饋控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一比較器的作用是將外加參考信號ｒ（ｔ）和反饋信號ｆ（ｔ）進行比較,輸出二者的差值即誤差信號ｅ（ｔ）,然后經(jīng)過控制信號發(fā)生器送出控制信號ｃ（ｔ）,對可控器件的某一特性進行控制。對于可控器件,或者是其輸入輸出特性受控制信號ｃ（ｔ）的控制（如可控增益放大器）,或者是在不加輸入的情況下,本身輸出信號的某一參量受控制信號ｃ（ｔ）的控制（如壓控振蕩器）。而反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是在輸出信號ｙ（ｔ）中提取所需要進行比較的分量,并送入比較器。反饋控制電路第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)輸入比較信號參量的不同,圖中的比較器可以是電壓比較器、頻率比較器（鑒頻器）或相位比較器（鑒相器）三種,所以對應(yīng)的ｒ（ｔ）和ｆ（ｔ）可以是電壓、頻率或相位參量。誤差信號ｅ（ｔ）和控制信號ｃ（ｔ）一般是電壓。可控器件的可控制特性一般是增益或頻率,所以輸出信號ｙ（ｔ）的量綱是電壓、頻率或相位。反饋控制電路第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)參考信號的不同狀況,反饋控制電路的工作情況有兩種：１參考信號ｒ（ｔ）不變,恒定為ｒ0。假定電路已處于穩(wěn)定狀態(tài),輸入信號ｘ（ｔ）恒定為ｘ0,輸出信號ｙ（ｔ）恒定為ｙ0,誤差信號恒定為ｅ0?，F(xiàn)由于輸入信號ｘ（ｔ）或可控器件本身的特性發(fā)生變化,導(dǎo)致輸出信號ｙ（ｔ）發(fā)生變化,產(chǎn)生一個增量Δｙ,從而產(chǎn)生一個新的反饋信號ｆ（ｔ）,經(jīng)與恒定的參考信號ｒ0比較,必然使誤差信號發(fā)生變化,產(chǎn)生一個增量Δｅ。反饋控制電路第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一誤差信號的變化將使可控器件的特性發(fā)生變化,從而使ｙ（ｔ）變化的方向與原來變化的方向相反,也就是使Δｙ減小。經(jīng)過不斷地循環(huán)反饋,最后環(huán)路達到新的穩(wěn)定狀態(tài),輸出ｙ（ｔ）趨近于原穩(wěn)定狀態(tài)ｙ0。由此可見,反饋控制電路在這種工作情況下,可以使輸出信號y(t)穩(wěn)定在一個預(yù)先規(guī)定的參數(shù)上。反饋控制電路第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

２.參考信號ｒ（ｔ）變化，由于ｒ（ｔ）變化,無論輸入信號ｘ（ｔ）或可控器件本身特性有無變化,輸出信號ｙ（ｔ）一般均要發(fā)生變化。從ｙ（ｔ）中提取所需分量并經(jīng)反饋后與ｒ（ｔ）比較,如果二者變化規(guī)律不一致或不滿足預(yù)先設(shè)置的規(guī)律,則將產(chǎn)生誤差信號,使ｙ（ｔ）向減小誤差信號的方向變化,最后使ｙ（ｔ）和ｒ（ｔ）的變化趨于一致或滿足預(yù)先設(shè)置的規(guī)律。由此可見,這種反饋控制電路可使輸出信號ｙ（ｔ）跟蹤參考信號ｒ（ｔ）的變化。反饋控制電路第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

在通信系統(tǒng)中,由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠近、電波傳播衰落等各種因素的影響,接收機所接收的信號強弱變化范圍很大,信號最強時與最弱時可相差幾十分貝。因此,必須采用自動增益控制電路,使接收機的增益隨輸入信號強弱而變化。20.2自動增益控制電路反饋控制電路第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一20.2.1工作原理１電路組成框圖自動增益控制電路是一種在輸入信號幅值變化很大的情況下,通過調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益,使輸出信號幅值基本恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種電路。反饋控制電路第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一圖20-2AGC系統(tǒng)組成第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)輸入信號振幅為Ux,輸出信號振幅為Uy,可控增益放大器增益為Ａg（uc）,即其是控制信號uc的函數(shù),則有：Uy=Ag(uc)Ux反饋控制電路第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一２比較過程在ＡＧＣ電路里,比較參量是信號電平,所以采用電壓比較器。反饋網(wǎng)絡(luò)由電平檢測器、低通濾波器和直流放大器組成。反饋網(wǎng)絡(luò)檢測出輸出信號振幅電平（平均電平或峰值電平）,濾去不需要的較高頻率分量,然后進行適當(dāng)放大后與恒定的參考電平UR比較,產(chǎn)生一個誤差信號?？刂菩盘柊l(fā)生器在這里可看作是一個比例環(huán)節(jié),增益為ｋ1。若Ux減小而使Uy減小時,環(huán)路產(chǎn)生的控制信號uc將使增益Ａg增大,從而使Uy趨于增大。若Ux增大而使Uy增大時,環(huán)路產(chǎn)生的控制信號uc將使增益Ａg減小,從而使Uy趨于減小。無論何種情況,通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋,都應(yīng)該使輸出信號振幅Uy保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。反饋控制電路第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一反饋控制電路第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一３濾波器的作用環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。整個環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性,這樣才能保證僅對信號電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號時,為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會被自動增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）,必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性,使對高于某一頻率的調(diào)制信號的變化無響應(yīng),而僅對低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。反饋控制電路第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一４控制過程說明設(shè)輸出信號振幅Uy與控制電壓uc的關(guān)系為:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy

又有:Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux

其中Ag(uc)=Ag(0)+kguc

又有Uy0=Ag(0)Ux0反饋控制電路第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一式中的Uy0是控制信號為零時所對應(yīng)的輸出信號振幅,Ux0和Ａg（０）是相應(yīng)的輸入信號振幅和放大器增益,ｋc和ｋｇ皆為常數(shù)。若低通濾波器對于直流信號的傳遞函數(shù)為１,當(dāng)誤差信號ue＝０時,寫出UR和Uy0、Ｕx0之間的關(guān)系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0當(dāng)輸入信號振幅Ux≠Ux0且保持恒定時,環(huán)路經(jīng)自身調(diào)節(jié)后達到新的平衡狀態(tài),這時的誤差電壓反饋控制電路第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

ue∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞)又Uy∞=［Ag(０)+kck1ue∞］Ux

從以上兩式可知,ue∞≠0,否則將有Ux=Ux0,與條件不符合。同時也說明Uy∞≠Ｕy0,即ＡＧＣ電路是有電平誤差的控制電路。式中，k2、k3和kb均為比例系數(shù)。反饋控制電路第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一20.3自動頻率控制電路

20.3.1工作原理自動頻率控制（ＡＦＣ）電路由頻率比較器、低通濾波器和可控頻率器件三部分組成。圖20-3AFC控制系統(tǒng)組成反饋控制電路第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一ＡＦＣ電路的控制參量是頻率。頻率比較器通常有兩種,一種是鑒頻器,另一種是混頻—鑒頻器。在前一種情況,鑒頻器的中心角頻率ω0起參考信號ωr的作用。在后一種情況,本振信號(角頻率為ωL)先與輸出信號(角頻率為ωy)進行混頻,然后再進行鑒頻。參考信號ωr=ω0+ωL。反饋控制電路第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

頻率比較器輸出的誤差信號ue是電壓信號,送入低通濾波器后取出緩變控制信號uc。可控頻率器件通常是壓控振蕩器（ＶＣＯ）,其輸出振蕩角頻率可寫成:ωy(t)=ωy0+kcuc(t)其中ωy0是控制信號uc(t)=0時的振蕩角頻率,稱為ＶＣＯ的固有振蕩角頻率,ｋc是壓控靈敏度。

反饋控制電路第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)頻率比較器是鑒頻器時,輸出誤差電壓為：ue=kb(ω0-ωy)=kb(ωr-ωy)若輸出信號角頻率ωy與鑒頻器中心角頻率ω0不相等時,誤差電壓ue≠０,經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc,調(diào)節(jié)ＶＣＯ的振蕩角頻率,使之穩(wěn)定在ω0上。kb是鑒頻靈敏度。當(dāng)頻率比較器是混頻—鑒頻器時,其中混頻器輸出差頻ωd=ωy-ωL,而鑒頻器輸出誤差電壓為:ue=kb(ω0-ωd)=kb［(ω0+ωL)-ωy］=kb(ωr-ωy)

反饋控制電路第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

這時,ωL可以看成是輸入信號角頻率ωi,而輸出信號角頻率ωy跟隨ωi變化,從而實現(xiàn)了頻率跟蹤。鑒頻器和壓控振蕩器均是非線性器件,但在一定條件下,可工作在近似線性狀態(tài),則ｋp與ｋc均可視為常數(shù)。

若差頻ωd與ω0不相等時,誤差電壓ue≠0,經(jīng)低通濾波器后送出控制電壓uc,調(diào)節(jié)ＶＣＯ的振蕩角頻率ωy,使之與ωL的差值ωd穩(wěn)定在ω0上。若ωL是變化的,則ωy將跟隨ωL變化,保持其差頻ωd基本不變。反饋控制電路第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一20.4鎖相環(huán)路

ＡＦＣ電路有剩余頻率誤差存在,即頻差不可能為零。這是一個不可克服的缺點。鎖相環(huán)路也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。但它的基本原理是利用相位誤差電壓去消除頻率誤差,所以當(dāng)電路達到平衡狀態(tài)之后,雖然有剩余相位誤差存在,但頻率誤差可以降低到零,從而實現(xiàn)無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。反饋控制電路第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

20.4.1基本原理鎖相環(huán)路主要由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。被控參量是相位。設(shè)旋轉(zhuǎn)矢量和分別表示鑒相器輸入?yún)⒖夹盘杣i（ｔ）和壓控振蕩器輸出信號uy（ｔ）,它們的瞬時角速度和瞬時角位移分別為ωi（ｔ）、ωy（ｔ）和φi（ｔ）、φy（ｔ）。顯然,只有當(dāng)兩個旋轉(zhuǎn)矢量以相同角速度（即ωi＝ωy）旋轉(zhuǎn)時,它們之間的相位差才能保持恒定值。反饋控制