高頻電子線路 課件 【ch07】反饋控制電路

高頻電子線路反饋控制電路第七章內(nèi)容提要在一個完整的通信系統(tǒng)或電子系統(tǒng)中，為了進一步完善其性能或滿足某一個特定需求，廣泛采取了多種具有自動調(diào)節(jié)功能的控制電路。根據(jù)自動控制理論相關(guān)知識，這種功能電路往往需要通過閉環(huán)負反饋利用誤差調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，因此也被稱為反饋控制電路。01學習目標理解與掌握反饋控制電路的基本組成、結(jié)構(gòu)框圖與工作原理。掌握鎖相環(huán)路的基本原理，學會運用拉普拉斯變換等多種方式對控制框圖進行分析。理解頻率合成器的工作原理與基本組成。02反饋控制電路反饋控制電路思政剖析本章的關(guān)鍵核心詞就是“負反饋”，因為負反饋環(huán)節(jié)的設(shè)置，正弦波振蕩器才得以存在。“負反饋”對高頻電路系統(tǒng)的作用即“審視偏差，校正系統(tǒng)”。對于我們大學生、我們黨而言，關(guān)鍵核心詞便是敢于審視自身，敢于自我革命。在百年奮斗歷程中，我們黨領(lǐng)導人民取得一個又一個偉大成就、戰(zhàn)勝一個又一個艱難險阻，歷經(jīng)千錘百煉仍朝氣蓬勃，得到人民群眾支持和擁護，原因就在于黨敢于直面自身存在的問題、勇于自我革命，始終保持先進性和純潔性，不斷增強創(chuàng)造力、凝聚力、戰(zhàn)斗力，永葆馬克思主義政黨本色。黨的自我革命永遠在路上。當代大學生不僅要在學業(yè)生活上做到“吾日三省吾身”，作為未來黨的事業(yè)的接班人更要敢于斗爭、善于斗爭，保持先進性和純潔性，勇于自我革命。0301自動增益控制電路自動增益控制電路自動增益控制電路的基本原理自動增益控制(AGC)電路屬于反饋控制電路的一種，其結(jié)構(gòu)組成相對固定。反饋控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-1所示。自動增益控制電路自動增益控制電路的基本原理反饋控制電路通常由反饋控制器與受控對象兩部分組成。X代表系統(tǒng)輸入量，X為系統(tǒng)輸出量，它們之間應(yīng)滿足X=F(X)的預(yù)定關(guān)系。當該預(yù)定關(guān)系尚未滿足或者遭受破壞時，反饋控制器負責監(jiān)測實際情況與預(yù)定關(guān)系的偏離情況，并輸出誤差量X。X進而對受控對象增益產(chǎn)生反向影響，間接對X產(chǎn)生調(diào)節(jié)并使之趨近于原預(yù)定關(guān)系。通過一次又一次地反饋、對比與調(diào)節(jié)，反饋控制電路系統(tǒng)使X1與X的關(guān)系趨于穩(wěn)定。該反饋控制電路常被應(yīng)用于增益控制。自動增益控制電路自動增益控制電路的基本原理圖7-3所示為具有簡單自動增益控制電路的接收機環(huán)路框圖。自動增益控制電路自動增益控制電路的基本原理振幅檢波器輸出的是反映包絡(luò)線變化的解調(diào)電壓。而AGC振幅檢波器的設(shè)置目的為產(chǎn)生一個反映輸入載波電壓振幅的直流電壓，并與參考電壓，即起控門限電壓U對比數(shù)值大小。當輸入信號幅值高于UR時，自動增益控制電路開啟工作并輸出自動增益控制電壓，即控制電壓。此時，自動增益控制電壓作用于各被控極并改變相應(yīng)放大器的增益，使得接收機輸出信號幅值相對穩(wěn)定；當輸入信號幅值低于U時，此時接收機的作用與普通接收機的相同，不具有自動增益控制功能。02自動頻率控制電路自動頻率控制電路在雷達、衛(wèi)星導航系統(tǒng)等通信系統(tǒng)中，考慮到發(fā)射機與接收機之間存在的相對運動所導致的多普勒效應(yīng)、振蕩器的頻率漂移與噪聲等不確定因素，傳輸信號的載波信號頻率可能會隨著時間發(fā)生一定的或者不可預(yù)測的變化。自動頻率控制電路往往以頻率鎖定環(huán)路(FrequencyLockLoop,FLL)來實現(xiàn)，它主要由頻率鑒別器（簡稱鑒頻器）、環(huán)路濾波器及壓控振蕩器組成。頻率鎖定環(huán)路的任務(wù)可以認為是令系統(tǒng)的輸出信號uo()的頻率f與參考標準信號u(t)的頻率保持一致。當f與f數(shù)值一致時，鑒頻器無輸出；當存在誤差時，鑒頻器將輸出與的數(shù)值成正比的誤差電壓信號u。自動頻率控制電路若通過理想狀態(tài)下的環(huán)路濾波器，u(t)可以認為是ua的直流信號成分。VCO可以認為是一種可以生成確定頻率的周期正弦信號u(t)的環(huán)節(jié)，而該頻率變化量恰恰與其控制信號的大小成正比。而誤差信號必然由鑒頻器產(chǎn)生，因此在鎖定狀態(tài)下，兩頻率無法完全相等，必然有剩余頻差△f的存在。然而，穩(wěn)定頻率并不僅有這一種方案，若上述環(huán)路結(jié)構(gòu)應(yīng)用于相位跟蹤而不是頻率跟蹤，則僅有剩余相位差，而沒有剩余頻差，這是可以接受的穩(wěn)頻結(jié)果。自動頻率控制電路自動頻率控制電路的應(yīng)用自動頻率控制電路被廣泛用作接收載體和發(fā)射設(shè)備中的自動頻率微調(diào)電路。調(diào)幅接收機中的自動頻率控制電路混頻器輸出的中頻信號經(jīng)中頻放大器放大后，除發(fā)送至包絡(luò)檢波器之外，還需送到限幅鑒頻器進行鑒頻。由于鑒頻器中心頻率調(diào)在規(guī)定的中頻上，限幅鑒頻器可將偏離于中頻的頻率誤差變換成電壓，該電壓通過低通濾波和放大后作用到VCO上，VCO的振蕩頻率發(fā)生變化，使偏離于中頻的頻率誤差減小。這樣，在自動頻率控制電路的作用下，接收機的輸入調(diào)幅信號的載波頻率和VCO的頻率之差接近于中頻。自動頻率控制電路自動增益控制電路的應(yīng)用圖7-7所示為采用自動頻率控制電路的調(diào)頻發(fā)射機的組成框圖。03鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop,PLL)是自動相位控制電路的實現(xiàn)形式，其通過跟蹤調(diào)制相位誤差以間接實現(xiàn)穩(wěn)頻，以應(yīng)對多普勒效應(yīng)、振蕩器頻漂與噪聲對頻率的影響。鎖相環(huán)的環(huán)路結(jié)構(gòu)概念最早可以追溯到1919年，并以模擬電路的形式制成，如今已大多實現(xiàn)數(shù)字式。其最早被描述為一種接收機輔助跟蹤技術(shù)，如今其結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于幾乎所有的通信系統(tǒng)，包括我們國家自主建設(shè)運行的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在這一節(jié)，我們將主要介紹鎖相環(huán)路的基本原理與數(shù)學模型。鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路的基本原理鎖相環(huán)路的基本構(gòu)成形式與頻率鎖定環(huán)路幾乎一致，差別僅僅在于鑒相器與鑒頻器，其基本組成如圖7-8所示。

鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路的基本原理鎖相環(huán)路的基本構(gòu)成形式與頻率鎖定環(huán)路幾乎一致，差別僅僅在于鑒相器與鑒頻器，其基本組成如圖7-8所示。

鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路的基本原理在圖7-9中，輸入與輸出分別為對應(yīng)信號的初相位的拉普拉斯變換。

鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路的數(shù)學模型現(xiàn)在對鎖相環(huán)路與頻率鎖定環(huán)路進行對比，不同點如下：(1)在鎖定狀態(tài)下，鎖相環(huán)路僅有一定的剩余相位誤差，穩(wěn)頻效果相對較好；而頻率鎖定環(huán)路卻有剩余頻差。(2)鎖相環(huán)路的噪聲帶寬比較窄，可緊密地跟蹤信號，然而噪聲帶寬窄是雙刃劍，其抗噪聲能力較差，對動態(tài)應(yīng)力的容忍性并不好，魯棒性差；而頻率鎖定環(huán)路的噪聲帶寬比較寬，魯棒性更好，但跟蹤效果相對較差。在實際應(yīng)用中，需要均衡考慮對準確性與抗干擾能力的需求，然后對穩(wěn)頻電路進行選擇。特殊地，若想充分發(fā)揮鎖相環(huán)路與頻率鎖定環(huán)路的綜合優(yōu)勢，也存在基于頻率鎖定環(huán)路輔助的鎖相環(huán)路組合穩(wěn)頻電路，讀者可查閱相關(guān)文獻進行了解。鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路的捕獲與跟蹤相應(yīng)地，能夠從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的最大輸入固有頻差被稱為環(huán)路捕獲帶，如圖7-10所示的△wp。

04頻率合成器頻率合成器頻率合成器為了實現(xiàn)更高質(zhì)量的無線通信，近代通信系統(tǒng)對頻率源的要求越來越高，往往要求通信機具有大量的、可供用戶選擇的、能迅速更換的頻率穩(wěn)定度和精度很高的載波信號頻率。石英晶體振蕩器雖然頻率穩(wěn)定度和精度很高，但其頻率值是單一確定的，或者說只能在很小范圍內(nèi)進行微調(diào)。為了滿足現(xiàn)代通信技術(shù)的需要，采取一個或者多個石英晶體標準振蕩源，可產(chǎn)生一系列等間隔的與標準振蕩源具有相同頻率穩(wěn)定度及準確度的多種離散頻率，這里采用的器件即本節(jié)將討論的頻率合成器。頻率合成器頻率合成器頻率合成器有多種實現(xiàn)形式，包括直接頻率合成器、間接頻率合成器（鎖相頻率合成器）及直接數(shù)字頻率合成器等。其中，直接頻率合成器利用倍頻、分頻、混頻等方法直接產(chǎn)生，信號質(zhì)量相對較差。間接頻率合成器利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率成分的頻譜純度高，控制方便。直接數(shù)字頻率合成器則基于全數(shù)字技術(shù)，其輸出頻率可高達幾百兆赫茲，由參考時鐘、相位累加器、只讀存儲、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和濾波器等組成。本節(jié)主要針對間接頻率合成器（鎖相頻率合成器）展開介紹。頻率合成器主要技術(shù)指標總體來說，要評判一個頻率合成器，主要有以下幾個主要技術(shù)指標。1.頻率范圍：頻率范圍即主要的工作頻率范圍。2.分辨率：相鄰頻率之間的最小頻率間隔被稱為分辨率。分辨率的設(shè)置與頻率合成器的實際應(yīng)用場景相關(guān)。3.頻率轉(zhuǎn)換時間：頻率轉(zhuǎn)換時間即從一個工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個工作頻率，并達到穩(wěn)定工作所需要的時間。它包含電路延遲時間和鎖相環(huán)路捕獲時間。頻率合成器主要技術(shù)指標4.頻率穩(wěn)定度和準確度：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的觀測時間內(nèi)，頻率合成器的輸出頻率偏離標稱值的程度。5.頻率純度：頻率純度是指輸出信號接近正弦波的程度，用有用信號電平與各寄生頻率分量總電平之比的分貝值表示。其主要表征多種周期性干擾、多次諧波與隨機干擾對輸出頻率的影響。頻率合成器間接頻率合成器（鎖相頻率合成器）一種簡單鎖相頻率合成器的基本組成結(jié)構(gòu)如圖7-11所示。頻率合成器間接頻率合成器（鎖相頻率合成器）簡單鎖相頻率合成器所存在的問題上述的鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)簡單，且僅包含單一的鎖相環(huán)路，或稱為單環(huán)式。單環(huán)式頻率合成器在實際應(yīng)用中需要注意以下問題。(1)分辨率不能太小。f太小時，環(huán)路濾波器的帶寬也要小（帶寬需小于f,以濾除鑒相器輸出信號中的參考頻率及其諧波分量)，這使頻率轉(zhuǎn)換時的環(huán)路捕獲時間或跟蹤時間加長，即減小頻率間隔與減小頻率轉(zhuǎn)換時間是矛盾的。另外，f太小不利于抑制由VCO引入的噪聲。頻率合成器間接頻率合成器（鎖相頻率合成器）(2)鎖相環(huán)路內(nèi)接入分頻器后，環(huán)路增益下降為原來的1/N。對于輸出頻率高、頻率覆蓋范圍寬的合成器，當要求頻率間隔很小時，N的變化范圍將很大，這將使環(huán)路增益也大幅度變化，從而影響環(huán)路的動態(tài)性能。(3)輸出頻率受到可編程分頻器的限制，比較低。在實際應(yīng)用中，為了解決以上問題，更多的是采用多環(huán)式頻率合成器及吞脈沖鎖相頻率合成器。讀者可閱讀相關(guān)文獻進行學習。反饋控制電路疑難釋疑本章的關(guān)鍵難點在于對“負反饋”的掌握與對反饋控制系統(tǒng)的認識。負反饋過程是指將輸出的誤差值反饋至前端，通過控制器調(diào)整下一循環(huán)的輸出的過程，以實現(xiàn)誤差值縮小至特定范圍。反饋控制電路的關(guān)鍵也在于負反饋，這是提高接收性能常用的輔助電路。01本章小結(jié)(1)在現(xiàn)代通信與電子設(shè)備中，反饋控制電路被廣泛采用，其中主要包括自動增益控制電路、自動頻率控制電路和自動相位控制電路。(2)為進一步滿足現(xiàn)代通信技術(shù)的需要，采取一個或者多個石英晶體標準振蕩源，可以構(gòu)成頻率合成器。02反饋控制電路思考與練習1.調(diào)幅接收機采用自動頻率控制電路的作用是()。A.穩(wěn)定中頻輸出B.穩(wěn)定輸出電壓C.穩(wěn)定VCOD.改善解調(diào)質(zhì)量2.鎖相環(huán)路的作用是()。A.維持工作頻率穩(wěn)定B.實現(xiàn)無頻率誤差的