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1、第8章通信第1页，共162页，编辑于2022年，星期二第第8章章 反馈控制电路反馈控制电路8概述概述以上各章分别介绍了放大电路、振荡电路、调制电路和解调电路。由这些功能电路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统,但是这样组成的系统其性能不一定完善。例如,在调幅接收机中,天线上感生的有用信号的强度往往由于电波传播衰落等原因会有较大的起伏变化,导致放大器输出信号时强时弱不规则变化,有时还会造成阻塞。又如,在通信系统中,收发两地的载频应保持严格同步,使输出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。第2页，共162页，编辑于2022年，星期二特别是在航空航天电子系统中,由于收、发设备是装在不同的运载体上,
2、二者之间存在相对运动,必然产生多卜勒效应,因此引入随机频差。所以,为了提高通信和电子系统的性能指标,或者实现某些特定的要求,必须采用自动控制方式。由此,各种类型的反馈控制电路便应运而生了。根据控制对象参量的不同,反馈控制电路可分为以下三类：自动增益控制（,简称）,自动频率控制（,简称）和自动相位控制（,简称）。其中自动相位控制电路又称为锁相环路（,简称）,是应用最广的一种反馈控制电路。第3页，共162页，编辑于2022年，星期二82 反馈控制电路的基本原理与分析方法反馈控制电路的基本原理与分析方法8.2.1基本工作原理基本工作原理反馈控制电路的组成如图8所示。在反馈控制电路里,比较器、控制信号
3、发生器、可控器件和反馈网络四部分构成了一个负反馈闭合环路。其中比较器的作用是将外加参考信号（）和反馈信号（）进行比较,输出二者的差值即误差信号（）,然后经过控制信号发生器送出控制信号（）,对可控器件的某一特性进行控制。对于可控器件,或者是其输入输出特性受控制信号（）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（）的控制（如压控振荡器）。而反馈网络的作用是在输出信号（）中提取所需要进行比较的分量,并送入比较器。第4页，共162页，编辑于2022年，星期二第5页，共162页，编辑于2022年，星期二需要注意的是,图821中所标明的各时域信号的量纲不一定是相
4、同的。根据输入比较信号参量的不同,图中的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）三种,所以对应的（）和（）可以是电压、频率或相位参量。误差信号（）和控制信号（）一般是电压。可控器件的可控制特性一般是增益或频率,所以输出信号（）的量纲是电压、频率或相位。根据参考信号的不同状况,反馈控制电路的工作情况有两种。参考信号（）不变,恒定为0假定电路已处于稳定状态,输入信号（）恒定为0,输出信号（）恒定为0,误差信号恒定为0。第6页，共162页，编辑于2022年，星期二现由于输入信号（）或可控器件本身的特性发生变化,导致输出信号（）发生变化,产生一个增量,从而产生一个新的反馈信号
5、（）,经与恒定的参考信号0比较,必然使误差信号发生变化,产生一个增量。误差信号的变化将使可控器件的特性发生变化,从而使（）变化的方向与原来变化的方向相反,也就是使减小。经过不断地循环反馈,最后环路达到新的稳定状态,输出（）趋近于原稳定状态0。由此可见,反馈控制电路在这种工作情况下,可以使输出信号y(t)稳定在一个预先规定的参数上。第7页，共162页，编辑于2022年，星期二.参考信号（）变化参考信号（）变化由于（）变化,无论输入信号（）或可控器件本身特性有无变化,输出信号（）一般均要发生变化。从（）中提取所需分量并经反馈后与（）比较,如果二者变化规律不一致或不满足预先设置的规律,则将产生误差信
6、号,使（）向减小误差信号的方向变化,最后使（）和（）的变化趋于一致或满足预先设置的规律。由此可见,这种反馈控制电路可使输出信号（）跟踪参考信号（）的变化。第8页，共162页，编辑于2022年，星期二8.2.2数学模型数学模型反馈控制电路和负反馈放大器都是闭环工作的自动调节系统,区别在于组成上的不同。负反馈放大器一般是一个线性系统,可利用线性电路的分析方法。而反馈控制电路中的比较器不一定是线性器件,例如锁相环中的鉴相器就是非线性器件。所以,根据具体电路的组成情况,对于反馈控制电路需分别采用线性或非线性的分析方法。但是,在分析某些性能指标时,在一定条件下,某些非线性环节可以近似用线性化的方法处理。
7、例如,鉴相器在输入信号相位差较小时,其输出电压与输入信号相位差近似成线性关系,这时可以把鉴相器作为线性器件处理。第9页，共162页，编辑于2022年，星期二第10页，共162页，编辑于2022年，星期二以下将反馈控制电路作为一个线性系统分析。由于直接采用时域分析法比较复杂,所以采用复频域分析法,然后利用拉氏逆变换再求出其时域响应,或利用拉氏变换与傅氏变换的关系求得其频率响应。根据图821反馈控制电路的组成方框图,可画出用拉氏变换表示的数学模型,如图822所示。图中（）,（）,（）,（）,（）和（）分别是（）,（）,（）,（）,（）和（）的拉氏变换式。比较器输出的误差信号（）通常与（）和（）的差
8、值成正比,设比例系数为b,则有:第11页，共162页，编辑于2022年，星期二e(t)=kbr(t)-f(t)(8.2.1)写成拉氏变换式,有:E(s)=kbR(s)-F(s)(8.2.2)将可控器件作为线性器件对待,有:y(t)=kcc(t)(8.2.3)c是比例系数。写成拉氏变换式,有:Y(s)=kcC(s)(8.2.4)实际电路中一般都包括滤波器,其位置可归在控制信号发生器或反馈网络中,所以将这两个环节看作线性网络。其传递函数分别为:第12页，共162页，编辑于2022年，星期二H1(s)=C(s)E(s)(8.2.5)H2(s)=F(s)Y(s)(8.2.6)由此可以求出整个系统的两个
9、重要传递函数：闭环传递函数T(s)=误差传递函数Te(s)=第13页，共162页，编辑于2022年，星期二8.2.3基本特性分析基本特性分析将反馈控制电路作为一个线性系统,按照上述数学模型求出它的闭环传递函数（）和误差传递函数e（）之后,就可以进一步对其基本特性进行分析。反馈控制电路的基本特性及其分析方法大致如下。.暂态和稳态响应暂态和稳态响应利用闭环传递函数（）,在给定参考信号（）的作用下,求出其输出（）,然后作拉氏反变换,即可求出系统时域响应（）,其中包括暂态响应和稳态响应两部分。第14页，共162页，编辑于2022年，星期二.跟踪特性跟踪特性利用误差传递函数e（）,在给定参考信号（）作用
10、下,求出其误差函数（）,然后作拉氏反变换,即可求得误差信号（）,这就是跟踪特性。也可利用拉氏变换的终值定理求得稳态误差值:es=.频率特性频率特性利用拉氏变换与傅氏变换的关系,将闭环传递函数（）和误差传递函数e（）变换为（j）和e（j）,即为闭环频率响应特性和误差频率响应特性。第15页，共162页，编辑于2022年，星期二.稳定性稳定性根据线性系统稳定性理论,当闭环传递函数（）中的全部极点都位于复平面的左半平面内,则环路是稳定的。若其中一个或一个以上极点位于复平面的右半平面或虚轴上,则环路是不稳定的。动态范围动态范围组成反馈控制电路的各个环节均不可能具有无限宽的线性范围,当其中某个环节的工作状
11、态进入非线性区后,系统的自动调节功能可能被破坏。所以,任何一个实际的反馈控制电路都有一个能够正常工作的范围,称为控制范围或动态范围。动态范围的大小主要取决于各环节中器件的非线性特性。一般用（）、（）或（）的取值范围来表示。第16页，共162页，编辑于2022年，星期二8自动增益控制电路自动增益控制电路在通信、导航、遥测遥控系统中,由于受发射功率大小、收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响,接收机所接收的信号强弱变化范围很大,信号最强时与最弱时可相差几十分贝。如果接收机增益不变,则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞,而信号太弱时又可能被丢失。因此,必须采用自动增益控制电路,使接收机的增益随输入
12、信号强弱而变化。这是接收机中几乎不可缺少的辅助电路。在发射机或其它电子设备中,自动增益控制电路也有广泛的应用。第17页，共162页，编辑于2022年，星期二8.3.1工作原理工作原理电路组成框图电路组成框图自动增益控制电路是一种在输入信号幅值变化很大的情况下,通过调节可控增益放大器的增益,使输出信号幅值基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路,其组成方框图如图831所示。设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为g（uc）,即其是控制信号uc的函数,则有：Uy=Ag(uc)Ux(8.3.1)第18页，共162页，编辑于2022年，星期二第19页，共162页，编辑于2022年，
13、星期二 比较过程比较过程在电路里,比较参量是信号电平,所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。反馈网络检测出输出信号振幅电平（平均电平或峰值电平）,滤去不需要的较高频率分量,然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较,产生一个误差信号。控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节,增益为1。若Ux减小而使Uy减小时,环路产生的控制信号uc将使增益g增大,从而使Uy趋于增大。若Ux增大而使Uy增大时,环路产生的控制信号uc将使增益g减小,从而使Uy趋于减小。无论何种情况,通过环路不断地循环反馈,都应该使输出信号振幅Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。第20页，共162
14、页，编辑于2022年，星期二 滤波器的作用滤波器的作用环路中的低通滤波器是非常重要的。由于发射功率变化,距离远近变化,电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的,所以整个环路应具有低通传输特性,这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时,为了使调幅波的有用幅值变化不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消（此现象称为反调制）,必须恰当选择环路的频率响应特性,使对高于某一频率的调制信号的变化无响应,而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。第21页，共162页，编辑于2022年，星期二 控制过程说明控制过程说明设输出信号振幅Uy与控制电
15、压uc的关系为:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+Uy(8.3.2)根据式(8.3.1)又有:Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx其中Ag(uc)=Ag(0)+kguc又有Uy0=Ag(0)Ux0(8.3.4)第22页，共162页，编辑于2022年，星期二式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出信号振幅,Ux0和g（）是相应的输入信号振幅和放大器增益,c和皆为常数,表示均为线性控制。若低通滤波器对于直流信号的传递函数（s）,当误差信号ue时,由图831可写出UR和Uy0、x0之间的关系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0(8.3.5)当输入信号振幅UxUx0且保持恒定时,
16、环路经自身调节后达到新的平衡状态,这时的误差电压第23页，共162页，编辑于2022年，星期二ue=kb(R-k2k3y)(8.3.6)又Uy=Ag()+kck1ueUx(8.3.7)从以上两式可知,ue0,否则与式(8.3.5)比较,将有Ux=Ux0,与条件不符合。同时也说明Uyy0,即电路是有电平误差的控制电路。式中，k2、k3和kb均为比例系数。第24页，共162页，编辑于2022年，星期二8.3.2主要性能指标主要性能指标电路的主要性能指标有两个:一是动态范围,二是响应时间。.动态范围动态范围电路是利用电压误差信号ue去消除输出信号振幅Uy与理想电压振幅Uy0之间电压误差的自动控制电路
17、。所以,当电路达到平衡状态后,仍会有电压误差存在,从对电路的实际要求考虑,一方面希望输出信号振幅的变化越小越好,即与理想电压振幅y0的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅x的变化越大越好,也就是说,在给定输出信号幅值变化范围内,容许输入信号振幅的变化越大,则表明电路的动态范围越宽,性能越好。第25页，共162页，编辑于2022年，星期二设o是电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比（输出动态范围）,即:i为电路容许的输入信号振幅的最大值与最小值之比（输入动态范围）,即:则有第26页，共162页，编辑于2022年，星期二上式中,gmax是输入信号振幅最小时可控增益放大器的增益,显然,这应
18、是它的最大增益。gmin是输入信号振幅最大时可控增益放大器的增益,显然,这应是它的最小增益。比值mi/mo越大,表明电路输入动态范围越大,而输出动态范围越小,则性能越佳,这就要求可控增益放大器的增益控制倍数g尽可能大。g也可称为增益动态范围,通常用分贝数表示。响应时间响应时间电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制,而增益的变化又取决于输入信号振幅的变化。第27页，共162页，编辑于2022年，星期二对电路的响应时间长度的要求取决于输入信号Ux的类型和特点,根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定,主要是低通滤波器的带宽。低
19、通滤波器带宽越宽,则响应时间越短,但容易出现反调制现象。例8.1某接收机输入信号振幅的动态范围是dB,输出信号振幅限定的变化范围为%。若单级放大器的增益控制倍数为dB,需要多少级电路才能满足要求？20lgmo=20lg第28页，共162页，编辑于2022年，星期二所以,需要三级电路。例8.2在图示AGC电路方框图中,ux和ug分别是输入和输出信号,参考信号UR=1V,可控增益放大器的增益Ag(uc)=1+0.3uc,即理想的要求是增益为1。若输入信号振幅Ux变化范围为1.5dB时,要求输出信号振幅Uy变化范围限制在0.05dB以内,试求直流放大器增益k1的最小值应是多少?第29页，共162页，
20、编辑于2022年，星期二解:由图示方框图可写出有关参量之间的关系式。因为uc=k1ue=k1kb(UR-dUy)又Uy=AgUx=(1+0.3uc)Ux所以Uy=1+0.3k1kb(UR-dUy)Ux=Ux+0.3k1kbUx(UR-dUy)代入已知数据,可求得:第30页，共162页，编辑于2022年，星期二由AGC原理可知,Uy随Ux的增大(或减小)而增大(或减小)。所以,当Ux变化+1.5dB时,要求Uy变化不超过+0.05dB,转换成倍数,分别为1.189和1.006。这时:k1=86当Ux变化-1.5dB时,要求Uy变化不超过-0.05dB,转换成倍数,分别为0.841和0.994。这
21、时:k1=101如果要求同时满足以上两个条件,则要求k1101。第31页，共162页，编辑于2022年，星期二8.3.3电路类型电路类型根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求,电路主要有两种类型。简单电路简单电路在简单电路里,参考电平UR。这样,无论输入信号振幅Ux大小如何,的作用都会使增益g减小,从而使输出信号振幅Uy减小。其输出特性如图832所示。简单电路的优点是线路简单,在实用电路里不需要电压比较器；缺点是对微弱信号的接收很不利,因为输入信号振幅很小时,放大器的增益仍会受到反馈控制而有所减小,从而使接收灵敏度降低。所以,简单电路适用于输入信号振幅较大的场合。第32页，共162页，编辑于
22、2022年，星期二第33页，共162页，编辑于2022年，星期二.延迟电路延迟电路在延迟电路里有一个起控门限,即比较器参考电平UR。由式（835）可知,它对应的输入信号振幅即为Ux0,也就是图8中的Uxmin。当输入信号Ux小于Uxmin时,反馈环路断开,不起作用,放大器增益g不变,输出信号Uy与输入信号Ux成线性关系。当Ux大于Uxmin后,反馈环路接通,电路开始产生误差信号和控制信号,使放大器增益g有所减小,保持输出信号y基本恒定或仅有微小变化。第34页，共162页，编辑于2022年，星期二第35页，共162页，编辑于2022年，星期二当输入信号x大于xmax后,作用消失。可见,xmin与
23、xmax区间即为所容许的输入信号的动态范围,ymin与ymax区间即为对应的输出信号的动态范围。这种电路由于需要延迟到xxmin之后才开始控制作用,故称为延迟。“延迟”二字不是指时间上的延迟。第36页，共162页，编辑于2022年，星期二8.3.4可控增益放大器可控增益放大器控制放大器增益的方法主要有两种:一种方法是通过改变放大器本身的某些参数,如发射极电流、负载、电流分配比、恒流源电流、负反馈大小等等来控制其增益;另一种方法是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。下面介绍两种常用电路。下面介绍两种常用电路。.晶体管增益控制电路晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳|yfe|,而|yfe|
24、又与晶体管工作点有关,所以,改变发射极平均电流E就可以使|yfe|随之改变,从而达到控制放大器增益的目的。第37页，共162页，编辑于2022年，星期二图是晶体管|yfe|-IE特性曲线,其中实线是普通晶体管特性,虚线是管特性。如果把静态工作点选在EQ点,当EQ时,|yfe|随E减小而下降,称为反向；当EEQ时,|yfe|随E增加而下降,称为正向。对于反向,当输入信号增强时,希望增益减小,即|yfe|减小,则E应该减小,所以E的变化方向与输入信号的变化方向应该正好相反,故称为反向。而对于正向,当输入信号增强时,为使增益减小,E应该增大,所以E的变化方向与输入信号的变化方向应该相同。控制电压既可
25、以从发射极送入,也可以从基极送入。第38页，共162页，编辑于2022年，星期二第39页，共162页，编辑于2022年，星期二反向的优点是工作电流较小,对晶体管安全工作有利,但工作范围较窄,而正向正好相反。为了克服正向工作电流较大的缺点,在制作晶体管时可以使其|yfe|-IE特性曲线的峰值点左移,同时使右端曲线斜率增大。专供增益控制用的管大多是正向管。这种电路的缺点是,当工作电流E变化时,晶体管输入输出电阻、电容也会发生变化,因此将影响放大器的幅频特性、相频特性和回路值。但由于电路简单,在一些要求不太高的电路中仍被广泛应用。第40页，共162页，编辑于2022年，星期二图835是晶体管收音机中
26、的简单电路。23组成低通滤波器,从检波后的音频信号中取出缓变直流分量作为控制信号直接对晶体管进行增益控制。经分析可知,这是反向。调节可变电阻2,可以使低通滤波器的截止频率低于解调后音频信号的最低频率,避免出现反调制。差分放大器发射极负反馈增益控制电路差分放大器发射极负反馈增益控制电路图8是集成电路中常用的发射极负反馈增益控制电路。V1和V2组成差分放大器。信号从V1、V2的两个基极双端输入,从两个集电极双端输出,控制信号uc从V3管基极注入。第41页，共162页，编辑于2022年，星期二第42页，共162页，编辑于2022年，星期二第43页，共162页，编辑于2022年，星期二两个二极管V4、
27、V5和电阻e1、e2构成发射极负反馈,且有e1e2e,c1c2c。二极管4、5导通与否取决于e1和e2上的压降。当控制电压uc很小时,C3很小,流经e1和e2上的平均电流各为C3。如C3e小于二极管导通电压,则二极管、截止,这时差分放大器增益最小,在满足深度负反馈条件时，双端输出增益可写成第44页，共162页，编辑于2022年，星期二当控制电压uc逐渐增大,C3增加,使C3e大于二极管导通电压,则、导通,导通电阻rd将随着导通电流ID的增加而减小。如e取值较大,随着C3的增加,二极管的分流作用越来越大,d越来越小,发射极等效电阻Re=rdRe也越来越小,负反馈作用越来越 弱,差 分 放 大 器
28、 增 益 越 来 越 大,控 制 过 程 为ucIC3IDrdReAg。这时的增益表达式为:Ag-(8.3.10)可见,利用这种电路进行增益控制时,控制电压uc应随着输入信号增大而减小。第45页，共162页，编辑于2022年，星期二8.3.5实用电路介绍实用电路介绍在电视机中广泛采用电路。图87是一个由高频放大、三级中频放大、视频检波、检波和放大等电路组成的系统。检波电路是将预视频放大电路输出的全电视信号进行检波,得出与信号电平大小有关的直流信号,然后进行直流放大以提高控制灵敏度。为了使控制更合理,采用了两级延迟。当输入信号振幅Ux超过某一定值Ux1后,先对中放进行增益控制,而高放增益不变,这
29、是第一级延迟。当x超过另一定值Ux2后,中放增益不再降低,而高放增益开始起控,这是第二级延迟。其增益随输入信号x变化的曲线如图所示。采用两级延迟的原因在于当输入信号不是很大时,保持高放级处于最大增益可使高放级输出信噪比不致降低,有助于降低接收机的总噪声系数。第46页，共162页，编辑于2022年，星期二第47页，共162页，编辑于2022年，星期二第48页，共162页，编辑于2022年，星期二图像中频集成电路是一片脚大规模集成电路,由中频放大、图像检波、预视放、检波与放大、延迟和几部分电路组成。其中有关部分的电路如图89所示,简介如下。检波与放大电路检波与放大电路在中,由内部二极管V与外接21
30、5,211低通滤波器共同组成峰值包络检波器。中放控制信号UAGC从发射极送出,12脚外接电位器用于调节中放起控电平。高放控制信号UAGC从10脚输出到高频放大器。第49页，共162页，编辑于2022年，星期二第50页，共162页，编辑于2022年，星期二v共五个管子组成反相放大器,共十个管子组成高放级起控和高放放大电路。正极性（同步头朝下）的全电视信号加在差分放大器的基极。信号越强,同步头电平越低,则基极输入电平越低。选择基极的固定偏置电位1,使其在全电视信号较弱时低于的基极电位,则这时截止,进而和也截止。22脚外接电阻,对c（）分压后给出固定电压U,经五管反相放大器放大后作为固定中放电压从发
31、射极送出。UR即为中放起控门限。随着全电视信号幅值增大,负向同步脉冲使基极电位降低。第51页，共162页，编辑于2022年，星期二当其低于1时,瞬时导通,集电极上出现一个放大后的负向同步脉冲,经、反相放大后为正向同步脉冲,由峰值检波器检波,再经五管反相放大器输出中放电压。可见,信号幅值越大,22脚处电压越高,发射极处AGC电压越低。由发射极送出另一路信号至高放电压放大电路,其中基极加固定电压3作为高放起控门限。如果峰值检波后电平较低,截止,复合管、截止。由10脚外接元件分压得到的固定高放电压被送至高频放大器,使其增益保持不变。第52页，共162页，编辑于2022年，星期二当峰值检波后的电平高于
32、某一后,使V发射极电位低于3,使导通,从而复合管,导通,10脚处电平升高,该电平作为高放电压送往高频放大器进行增益控制。可控中频放大电路可控中频放大电路内中放由三级差分放大器和、和、和组成。其发射极上的恒流源分别由、和组成,三管基极均受AGC电压控制。由图可见,三级均为发射极负反馈增益控制电路。注意，第一级发射极负反馈电阻的组成有些不同。第53页，共162页，编辑于2022年，星期二在未起控时,AGC电压较高,恒流源电流最大,三级差分电路的等效发射极电阻最小,负反馈最弱,整个中放电路处于增益最高的状态。随着电视信号的增强,起控后AGC逐渐减小,首先使和两个恒流源的电流减小,从而使第二、三两级中
33、放增益减小。由于121、122及120的分压和限流作用,在AGC电压下降时,111先是改变饱和深度。当AGC电压下降足够多时,V111上的集电极电流才开始减小。所以,第一级中放比第二、三两级中放要延迟起控,这样,可改善中频信号的信噪比。第54页，共162页，编辑于2022年，星期二84 自动频率控制电路自动频率控制电路8.4.1工作原理工作原理自动频率控制（）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成,其方框图如图841所示。电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种,一种是鉴频器,另一种是混频鉴频器。在前一种情况,鉴频器的中心角频率0起参考信号r的作用。在后一种情况,本振信号(角频
34、率为L)先与输出信号(角频率为y)进行混频,然后再进行鉴频。参考信号r=0+L。第55页，共162页，编辑于2022年，星期二第56页，共162页，编辑于2022年，星期二频率比较器输出的误差信号ue是电压信号,送入低通滤波器后取出缓变控制信号uc。可控频率器件通常是压控振荡器（）,其输出振荡角频率可写成:y(t)=y0+kcuc(t)(8.4.1)其中y0是控制信号uc(t)=0时的振荡角频率,称为的固有振荡角频率,c是压控灵敏度。当频率比较器是鉴频器时,输出误差电压为：ue=kb(0-y)=kb(r-y)(8.4.2)若输出信号角频率y与鉴频器中心角频率0不相等时,第57页，共162页，编
35、辑于2022年，星期二误差电压ue,经低通滤波器后送出控制电压uc,调节的振荡角频率,使之稳定在0上。kb是鉴频灵敏度。当频率比较器是混频鉴频器时,其中混频器输出差频d=y-L,而鉴频器输出误差电压为:ue=kb(0-d)=kb(0+L)-y=kb(r-y)若差频d与0不相等时,误差电压ue0,经低通滤波器后送出控制电压uc,调节的振荡角频率y,使之与L的差值d稳定在0上。若L是变化的,则y将跟随L变化,保持其差频d基本不变。第58页，共162页，编辑于2022年，星期二这时,L可以看成是输入信号角频率i,而输出信号角频率y跟随i变化,从而实现了频率跟踪。鉴频器和压控振荡器均是非线性器件,但在
36、一定条件下,可工作在近似线性状态,则p与c均可视为常数。第59页，共162页，编辑于2022年，星期二8.4.2主要性能指标主要性能指标对于电路,我们主要关心的是其暂态和稳态响应以及跟踪特性。.暂态和稳态响应暂态和稳态响应根据图841,参照式（827）可求得电路的闭环传递函数:T(s)=由此得到输出信号角频率的拉氏变换式:第60页，共162页，编辑于2022年，星期二对上式求拉氏反变换,即可得到电路的时域响应,包括暂态响应和稳态响应。跟踪特性跟踪特性根据图8,参照式（8）可求得电路的误差传递函数:Te(s)=要注意的是,这里的e（）是误差角频率e(s)与参考角频率r(s)之比,而不是鉴相器输出
37、误差电压ue(s)与r(s)之比,因为我们在电路里关心的参量主要是角频率。第61页，共162页，编辑于2022年，星期二参照式（8）可进一步求得电路中误差角频率e的时域稳态误差值:e=例8.3设在图8.4.1所示电路中,当t0时,y=i=1,若输入信号角频率i在t=0时刻由角频率1变为另一角频率2,增量为,求输出信号角频率的时域响应y(t)的变化量y(t)和稳态误差值e。解:由题意可知,这是一个频率跟踪电路,此处的频率比较器应是混频鉴频器,r=0+i，其中0是常数。)代入式（845）,可得到:第62页，共162页，编辑于2022年，星期二所以,在t=0时,r的增量也是,其拉氏变换式为。设低通滤
38、波器为一简单无源网络,如图842所示,其传递函数H(s)=上式中等号右端第一项是稳态响应,第二项是暂态响应。可见暂态响应是由于低通滤波器而引起的,其衰减系数与低通滤波器的时间常数成反比。利用式（8）可求得时域稳态误差值:第63页，共162页，编辑于2022年，星期二第64页，共162页，编辑于2022年，星期二图例8给出了r(t)和y(t)的变化曲线。由式（8）和（8）可知,当输入信号角频率增加了,输出信号角频率即使达到稳态后也才增加了,误差为所以,电路是有频率误差的频率控制电路。同时,从式（8）可知,增大b和c,即提高鉴频灵敏度和压控灵敏度是减小稳态误差、改善跟踪性能的重要途径。第65页，共
39、162页，编辑于2022年，星期二由于鉴频灵敏度和压控灵敏度的增大受到器件特性的限制,因此,除了选用特性较好的器件外,在低通滤波器和之间加一直流放大器,或选用电压增益大于的有源低通滤波器,同样可以达到减小稳态误差的效果。若设增加的直流放大器增益或有源低通滤波器的直流电压增益为1,则例83中的时域稳态误差值为e=。由图8可知,乘积bc1就是环路的直流总增益。所以,增大环路的直流总增益是减小时域稳态误差的重要方法。第66页，共162页，编辑于2022年，星期二第67页，共162页，编辑于2022年，星期二8.4.3应用应用电路应用较广,择其主要简介如下。在调幅接收机中用于稳定中频频率在调幅接收机中
40、用于稳定中频频率超外差式接收机是一种主要的现代接收系统。它是利用混频器将不同载频的高频已调波信号先变成载频为固定中频的已调波信号,再进行中频放大和解调。其整机增益和选择性主要取决于中频放大器的性能,所以，这就要求中频频率稳定,为此常采用电路。图83是调幅接收机中电路方框图。在正常工作情况下,接收信号载频为c,相应的本机振荡信号角频率为L,混频后输出中频角频率为I=L-c。第68页，共162页，编辑于2022年，星期二第69页，共162页，编辑于2022年，星期二如果由于某种原因,本振角频率发生偏移L而变成+L,则混频后的中频将变成I+L。此中频信号经中放后送给鉴频器,鉴频器将产生相应的误差电压
41、ue,经低通滤波后控制本振的角频率L,使其向相反方向变化,从而使混频后的中频也向相反方向变化,经过不断地循环反馈,系统达到新的稳定状态,实际中频与I的偏离值将远小于L,从而实现了稳定中频的目的。在调频接收机中用于改善解调质量在调频接收机中用于改善解调质量鉴频器对输入信噪比有一个门限要求。当输入信噪比高于解调门限,则解调后的输出信噪比较大；当输入信噪比低于解调门限,则解调后的输出信噪比急剧下降。所以,为了保证解调质量,必须使其输入信噪比高于门限值。第70页，共162页，编辑于2022年，星期二由于鉴频器前级一般是中频放大器,因此与中放的输出信噪比直接有关。提高中放的信噪比可以通过降低其输出噪声来
42、实现,而降低噪声又可采用压缩中放带宽的方法。采用电路来压缩调频接收机的中放带宽,从而改善解调质量,这样的系统称为调频负反馈解调器,如图84所示。设接收调频信号的载频为c,频偏为c,压控振荡器组成的本振中心角频率为L,频偏为L,中频信号中心角频率为I,频偏为I。若具有低通滤波性能的低频放大器的传递函数（）k1,参照式（8）可写出中频角频偏表达式:第71页，共162页，编辑于2022年，星期二第72页，共162页，编辑于2022年，星期二I=由上式可以看到,由于调频负反馈的作用,中频频偏I被压缩为输入信号频偏c的,因此中频放大器的工作频带可根据此压缩后的中频频偏为准而适当减小,从而减小了中放的输出
43、噪声,提高了输出信噪比。显然,采用调频负反馈方法虽然减小了中放的输出噪声,但由于中频频偏被压缩,使鉴频器输出解调信号动态范围减小,整体的鉴频灵敏度降低,这一点是不利的。所以,是否采用调频负反馈方式以及反馈量的大小应根据实际情况而决定。第73页，共162页，编辑于2022年，星期二调幅接收机中频稳定电路与调频负反馈电路虽然都是用电路实现,但两者的目的和参数选择是不一样的：前者的目的是尽量减小中频信号的频率偏移,理想情况是频率偏移为零。所以,稳态时频偏越小,则系统性能越好。后者的目的是适当减小输入信号的频偏,但并不希望它为零,因为如频偏为零,则调制信息就丢失了，只要中频频偏的大小所对应的中放带宽能
44、使中放输出信噪比高于鉴频器解调门限或满足要求就可以了。在低通滤波器截止频率的选择上,前者应使其带宽足够窄,从而使加在上的控制电压仅仅是反映中频频率偏移的缓变电压；后者应使其带宽足够宽,以便不失真地让解调后的调制信号通过。通常将前者称为载波跟踪型,后者称为调制跟踪型。第74页，共162页，编辑于2022年，星期二例8.4图例8.4(a)是在调频振荡器中用以稳定载频的AFC电路方框图。已知调频压控振荡器中心频率fc=60MHz,未加AFC时因频率不稳引起的最大频率漂移为200kHz；晶振的振荡频率为59MHz,因频率不稳引起的最大频率漂移为90Hz；混频器输出频率为两输入频率之差；鉴频器中心频率f
45、0为1MHz,输出误差电压ue=kb(f-f0)；低通滤波器增益为1,带宽小于调制信号最低频率；k1kbkc=100。试求加入AFC电路后,调频振荡器输出载频的最大频率漂移fy。解:由题意可知,这是一个载波跟踪型电路。加入AFC后使载波的最大频率漂移减小,所以将最大频率漂移f作为被控参量。第75页，共162页，编辑于2022年，星期二第76页，共162页，编辑于2022年，星期二设VCO输出载频的最大频率漂移为fy,VCO本身的最大频率漂移为fc。(b)图是以f为变量的AFC控制原理图。为方便起见,将VCO本身的最大频率漂移fc作为输入量另外画出,这样VCO就可以视为一个无频率漂移的器件。未加
46、AFC时,uc(t)=u(t),控制信号uc(t)使VCO的瞬时频率发生变化,产生调频波。这时,fy=fc=200kHz。加入AFC后,uc(t)=u(t)+uc(t)。令uc是uc(t)的最大值,则kcuc是VCO产生的附加最大频率漂移。第77页，共162页，编辑于2022年，星期二这时,fy=fc+kcuc。由于晶振的中心频率为59MHz,最大频率漂移为90Hz,经10倍频后中心频率为59MHz,最大频率漂移fr=900Hz,故混频器输出差频为1MHz,最大频率漂移为(fy-fr)。鉴频器中心频率为1MHz,输出最大电压为kb(fy-fr)。根据以上分析,可写出关系式如下：fy=fc+kc
47、uc=fc-k1kbkc(fy-fr)所以第78页，共162页，编辑于2022年，星期二所以fy=代入已知数据,可以求得输出载频的最大频率漂移:fy=2871Hz需要注意的是,闭环中最大频率漂移虽然开始时高达数百千赫兹,稳定时也有近3kHz,然而漂移的变化是很缓慢的,即误差电压ue是一个低频信号,低于调制信号的最低频率。由于低通滤波器的带宽小于调制信号的最低频率,故调制信号不会产生反馈。第79页，共162页，编辑于2022年，星期二8.4.4实用电路介绍实用电路介绍在电视接收机里,信号从天线进入高频调谐器,经与本振频率进行混频之后,送入中频放大器,然后进行视频检波,输出全电视信号。为了稳定MH
48、z中频载波,从而保证图像和伴音的质量,要求本振频率随时跟踪输入信号载频,所以在电视接收机里都采用了电路,或者称为（AutomaticFrequencyTune）电路。电视接收机中电路方框图与图8.4.3类似。松下型彩色电视机采用了图像中频集成电路。这片集成电路包括中频放大、视频检波、视频放大、检波等功能。图8.4.5给出了片内电路及其有关的外围电路。第80页，共162页，编辑于2022年，星期二第81页，共162页，编辑于2022年，星期二图中,由V72V85组成了相位鉴频器中的模拟乘法器。中放提供的MHz图像中频信号经限幅放大后成为开关信号,其中一路送至V72与V73的基极,另一路先经、脚外
49、接的调谐于MHz的谐振回路（由104、罩内电容和115组成）取出,通过脚间分布电容M耦合到相移网络（由151、罩内电容和151组成）,再经、10脚送回片内V80、V81的基极。两路输入信号经过相乘,在V74、V77及V75、76集电极上得到与频差对应的误差电压。此误差电压最后经V86集电极成单端信号从脚输出。第82页，共162页，编辑于2022年，星期二脚外接的155、156和片内的R174组成低通滤波器滤除高频分量之后,再经154156分压后得到AFT控制信号,此信号被送到高频头中的压控本振(见图4.8.2),调节其中变容二极管的结电容,使本振频率发生变化,从而使混频后的MHz中频保持稳定。
50、第83页，共162页，编辑于2022年，星期二8.5 锁锁 相环路相环路电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,必然有剩余频率误差存在,即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且,锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点,因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。第84