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1、第二十讲第二十讲 反馈控制电路反馈控制电路20.1 概述概述20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路20.3 自动频率控制电路自动频率控制电路20.4 锁相环路锁相环路反馈控制反馈控制电路电路20.概述概述 放放大大电电路路、振振荡荡电电路路、调调制制电电路路和和解解调调电电路路可可以以组组成成一一个个完完整整的的通通信信系系统统或或其其它它电电子子系系统统,但但是是这这样样组组成成的的系系统统其其性性能能不不一一定定完完善善。如如,调调幅幅接接收收机机中中,天天线线上上感感生生的的有有用用信信号号的的强强度度往往往往由由于于电电波波传传播播衰衰落落等等原原因因有有较较大大的的起起伏伏变变化
2、化,导导致致放放大大器器输输出出信信号号时时强强时时弱弱；又又如如,在在通通信信系系统统中中,收收发发两两地地的的载载频频应应保保持持严严格格同同步步,使使输输出出中中频稳定频稳定,而要做到这一点也比较困难。而要做到这一点也比较困难。反馈控制反馈控制电路电路 所所以以,为为了了提提高高通通信信和和电电子子系系统统的的性性能能指指标标,或或者者实实现现某某些些特特定定的的要要求求,必必须须采采用用自自动动控控制制方方式式。由由此此,各各种种类类型型的的反反馈馈控控制制电电路路便便应应运运而而生生了。了。根根据据控控制制对对象象参参量量的的不不同同,反反馈馈控控制制电电路路可可分分为为以以下下三三
3、类类：自自动动增增益益控控制制（）,自自动动频频率率控控制制（）和和自自动动相相位位控控制制（）。自自动动相相位位控控制制电电路路又又称称为为锁锁相相环环路路（）,是应用最广的一种反馈控制电路。是应用最广的一种反馈控制电路。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路的基本原理反馈控制电路的基本原理图20-1 反馈控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路 比较器的作用是将外加参考信号（）和比较器的作用是将外加参考信号（）和反馈信号（）进行比较反馈信号（）进行比较,输出二者的差值即输出二者的差值即误差信号（）误差信号（）,然后经过控制信号发生器送然后经过控制信号发生器送出控制信号（）出控制信号（）,对可控器
4、件的某一特性进对可控器件的某一特性进行控制。行控制。对于可控器件对于可控器件,或者是其输入输出特性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）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或者是在不加输入的情况下,本身输出信号的某本身输出信号的某一参量受控制信号（）的控制（如压控振荡一参量受控制信号（）的控制（如压控振荡器）。而反馈网络的作用是在输出信号（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中提取所需要进行比较的分量,并送入比较器。并送入比较器。反馈控制反馈控制电路电路 根据输入比较信号参量的不同根据输入比较信号参量的不同,图中的
5、比较图中的比较器可以是电压比较器、器可以是电压比较器、频率比较器（鉴频器）或频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）三种相位比较器（鉴相器）三种,所以对应的（）所以对应的（）和（）可以是电压、频率或相位参量。和（）可以是电压、频率或相位参量。误差误差信号（）和控制信号（）一般是电压。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可控器件的可控制特性一般是增益或频率,所以所以输出信号（）的量纲是电压、频率或相位。输出信号（）的量纲是电压、频率或相位。反馈控制反馈控制电路电路 根根据据参参考考信信号号的的不不同同状状况况,反反馈馈控控制制电电路路的工作情况有两种：的工作情
6、况有两种：参参考考信信号号（）不不变变,恒恒定定为为0。假假定定电电路路已已处处于于稳稳定定状状态态,输输入入信信号号（）恒恒定定为为0,输输出出信信号号（）恒恒定定为为0,误误差差信信号恒定为号恒定为0。现由于输入信号（）或可控器件本身现由于输入信号（）或可控器件本身的特性发生变化的特性发生变化,导致输出信号（）发生导致输出信号（）发生变化变化,产生一个增量产生一个增量,从而产生一个新的反从而产生一个新的反馈信号（）馈信号（）,经与恒定的参考信号经与恒定的参考信号0比较比较,必然使误差信号发生变化必然使误差信号发生变化,产生一个增量产生一个增量。反馈控制反馈控制电路电路 误误差差信信号号的的
7、变变化化将将使使可可控控器器件件的的特特性性发发生生变变化化,从从而而使使（）变变化化的的方方向向与与原原来来变变化化的的方方向向相相反反,也也就就是是使使减减小小。经经过过不不断断地地循循环环反反馈馈,最最后后环环路路达达到到新新的的稳稳定定状状态态,输输出出（）趋近于原稳定状态（）趋近于原稳定状态0。由由此此可可见见,反反馈馈控控制制电电路路在在这这种种工工作作情情况况下下,可可以以使使输输出出信信号号y(t)稳稳定定在在一一个个预预先先规规定定的的参数上。参数上。反馈控制反馈控制电路电路 .参参考考信信号号（）变变化化，由由于于（）变变化化,无无论论输输入入信信号号（）或或可可控控器器件
8、件本本身身特特性性有有无无变变化化,输输出出信信号号（）一一般般均均要要发发生生变变化化。从从（）中中提提取取所所需需分分量量并并经经反反馈馈后后与与（）比比较较,如如果果二二者者变变化化规规律律不不一一致致或或不不满满足足预预先先设设置置的的规规律律,则则将将产产生生误误差差信信号号,使使（）向向减减小小误误差差信信号号的的方方向向变变化化,最最后后使使（）和和（）的的变化趋于一致或满足预先设置的规律。变化趋于一致或满足预先设置的规律。由此可见由此可见,这种反馈控制电路可使输出信号这种反馈控制电路可使输出信号（）跟踪参考信号（）的变化。（）跟踪参考信号（）的变化。反馈控制反馈控制电路电路 在
9、在通通信信系系统统中中,由由于于受受发发射射功功率率大大小小、收收发发距距离离远远近近、电电波波传传播播衰衰落落等等各各种种因因素素的的影影响响,接接收收机机所所接接收收的的信信号号强强弱弱变变化化范范围围很很大大,信信号号最最强强时时与与最最弱弱时时可可相相差差几几十十分分贝贝。因因此此,必必须须采采用用自自动动增增益益控控制制电电路路,使使接接收收机机的的增增益益随随输输入信号强弱而变化。入信号强弱而变化。20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路反馈控制反馈控制电路电路20.2.1 工作原理工作原理电路组成框图电路组成框图 自自动动增增益益控控制制电电路路是是一一种种在在输输入入信信号号
10、幅幅值值变变化化很很大大的的情情况况下下,通通过过调调节节可可控控增增益益放放大大器器的的增增益益,使使输输出出信信号号幅幅值值基基本本恒恒定定或或仅仅在在较较小小范围内变化的一种电路。范围内变化的一种电路。反馈控制反馈控制电路电路图20-2 AGC系统组成 设输入信号振幅为设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为可控增益放大器增益为g（uc）,即其是控制即其是控制信号信号uc的函数的函数,则有：则有：Uy=Ag(uc)Ux反馈控制反馈控制电路电路 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
11、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。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制反馈控制电路电路 滤波器的作用滤波器的作用 环环路路中中的的低低通通滤滤波波器器是是非非常常重重要要的
12、的。整整个个环环路路应应具具有有低低通通传传输输特特性性,这这样样才才能能保保证证仅仅对对信信号号电电平平的的缓缓慢慢变变化化有有控控制制作作用用。尤尤其其当当输输入入为为调调幅幅信信号号时时,为为了了使使调调幅幅波波的的有有用用幅幅值值变变化化不不会会被被自自动动增增益益控控制制电电路路的的控控制制作作用用所所抵抵消消（此此现现象象称称为为反反调调制制）,必必须须恰恰当当选选择择环环路路的的频频率率响响应应特特性性,使使对对高高于于某某一一频频率率的的调调制制信信号号的的变变化化无无响响应应,而而仅仅对对低低于于这这一一频频率率的的缓缓慢慢变变化化才才有有控控制制作作用用。这这就主要取决于低
13、通滤波器的截止频率。就主要取决于低通滤波器的截止频率。反馈控制反馈控制电路电路 控制过程说明控制过程说明 设输出信号振幅设输出信号振幅Uy与控制电压与控制电压uc的关系为的关系为:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+Uy 又有又有:Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx 其中其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc 又有又有 Uy0=Ag(0)Ux0反馈控制反馈控制电路电路 式式中中的的Uy0是是控控制制信信号号为为零零时时所所对对应应的的输输出出信信号号振振幅幅,Ux0和和g（）是是相相应应的的输输入入信信号号振振幅和放大器增益幅和放大器增益,c和和皆为常数。皆为常数。若若低低通通滤滤
14、波波器器对对于于直直流流信信号号的的传传递递函函数数为为,当当误误差差信信号号ue时时,写写出出UR和和Uy0、x0之之间间的的关系关系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0 当当输输入入信信号号振振幅幅UxUx0且且保保持持恒恒定定时时,环环路路经经自自身身调调节节后后达达到到新新的的平平衡衡状状态态,这这时时的的误误差差电压电压反馈控制反馈控制电路电路 u e=kb(R-k2k3y)又又 U y=Ag()+kck1u eUx 从从以以上上两两式式可可知知,u e0,否否则则将将有有Ux=Ux0,与与条条件件不不符符合合。同同时时也也说说明明U yy0,即即电电路路是是有有电电平平
15、误误差差的的控控制制电电路路。式式中中，k2、k3和和kb均为比例系数。均为比例系数。反馈控制反馈控制电路电路20.3 自动频率控制电路自动频率控制电路 20.3.1 工作原理工作原理 自自动动频频率率控控制制（）电电路路由由频频率率比比较较器器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成。低通滤波器和可控频率器件三部分组成。图20-3 AFC控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路 电路的控制参量是频率。频率比较电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种器通常有两种,一种是鉴频器一种是鉴频器,另一种是混频另一种是混频鉴频器。在前一种情况鉴频器。在前一种情况,鉴频器的中心角频鉴频器的中心角频率率0起参考信
16、号起参考信号r的作用。在后一种情况的作用。在后一种情况,本本振信号振信号(角频率为角频率为L)先与输出信号先与输出信号(角频率为角频率为y)进行混频进行混频,然后再进行鉴频。然后再进行鉴频。参考信号参考信号r=0+L。反馈控制反馈控制电路电路 频频率率比比较较器器输输出出的的误误差差信信号号ue是是电电压压信信号号,送送入入低低通通滤滤波波器器后后取取出出缓缓变变控控制制信信号号uc。可可控控频频率率器器件件通通常常是是压压控控振振荡荡器器（）,其其输输出振荡角频率可写成出振荡角频率可写成:y(t)=y0+kcuc(t)其其中中y0是是控控制制信信号号uc(t)=0时时的的振振荡荡角角频频率率
17、,称称为为的的固固有有振振荡荡角角频频率率,c是是压压控控灵敏度。灵敏度。反馈控制反馈控制电路电路 当频率比较器是鉴频器时当频率比较器是鉴频器时,输出误差电压为：输出误差电压为：ue=kb(0-y)=kb(r-y)若输出信号角频率若输出信号角频率y与鉴频器中心角频率与鉴频器中心角频率0不相等时不相等时,误差电压误差电压ue,经低通滤波器后送出经低通滤波器后送出控制电压控制电压uc,调节的振荡角频率调节的振荡角频率,使之稳定使之稳定在在0上。上。kb是鉴频灵敏度。是鉴频灵敏度。当频率比较器是混频当频率比较器是混频鉴频器时鉴频器时,其中混频其中混频器输出差频器输出差频d=y-L,而鉴频器输出误差电
18、压为而鉴频器输出误差电压为:ue=kb(0-d)=kb(0+L)-y=kb(r-y)反馈控制反馈控制电路电路 这这时时,L可可以以看看成成是是输输入入信信号号角角频频率率i,而而输输出出信信号号角角频频率率y跟跟随随i变变化化,从从而而实实现现了了频频率率跟踪。跟踪。鉴鉴频频器器和和压压控控振振荡荡器器均均是是非非线线性性器器件件,但但在在一一定定条条件件下下,可可工工作作在在近近似似线线性性状状态态,则则p与与c均可视为常数。均可视为常数。若差频若差频d与与0不相等时不相等时,误差电压误差电压ue0,经低经低通滤波器后送出控制电压通滤波器后送出控制电压uc,调节的振荡调节的振荡角频率角频率y
19、,使之与使之与L的差值的差值d稳定在稳定在0上。若上。若L是变是变化的化的,则则y将跟随将跟随L变化变化,保持其差频保持其差频d基本不变。基本不变。反馈控制反馈控制电路电路20.4 锁相环路锁相环路 电电路路有有剩剩余余频频率率误误差差存存在在,即即频频差差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。不可能为零。这是一个不可克服的缺点。锁锁相相环环路路也也是是一一种种以以消消除除频频率率误误差差为为目目的的的的反反馈馈控控制制电电路路。但但它它的的基基本本原原理理是是利利用用相相位位误误差差电电压压去去消消除除频频率率误误差差,所所以以当当电电路路达达到到平平衡衡状状态态之之后后,虽虽然然有有剩剩余余
20、相相位位误误差差存存在在,但但频频率率误误差差可可以以降降低低到到零零,从从而而实实现现无无频频差差的的频频率率跟踪和相位跟踪。跟踪和相位跟踪。反馈控制反馈控制电路电路 20.4.1基本原理基本原理 锁锁相相环环路路主主要要由由鉴鉴相相器器、环环路路滤滤波波器器和和压压控控振荡器三部分组成。被控参量是相位。振荡器三部分组成。被控参量是相位。设设旋旋转转矢矢量量 和和 分分别别表表示示鉴鉴相相器器输输入入参参考考信信号号ui（）和和压压控控振振荡荡器器输输出出信信号号uy（）,它它们们的的瞬瞬时时角角速速度度和和瞬瞬时时角角位位移移分分别别为为i（）、y（）和和i（）、y（）。显显然然,只只有有
21、当当两两个个旋旋转转矢矢量量以以相相同同角角速速度度（即即iy）旋旋转转时时,它们之间的相位差才能保持恒定值。它们之间的相位差才能保持恒定值。反馈控制反馈控制电路电路图20-4 PLL控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路图20-5 跟踪原理反馈控制反馈控制电路电路 鉴鉴相相器器将将此此恒恒定定相相位位差差变变换换成成对对应应的的直直流流电电压压,去去控控制制的的振振荡荡角角频频率率y,使使其其稳稳定定地地振振荡荡在在与与输输入入参参考考信信号号相相同同的的角角频频率率i上上。这这种种情情况况称称之之为为锁锁定定。反反之之,两两者者角角频频率率不不相相等等,相相位位差差不不恒恒定定,则则称称为为
22、失失锁锁。若若某某种种因因素素使使y偏偏离离了了i,比比如如说说,yi,则则 比比 旋旋转转得得慢慢一一些些,瞬瞬时时相相位位差差i（）y（）将将随随时时间间增增大大,则则鉴鉴相相器器产产生生的的误误差差电电压压也也相相应应变变化化。该该误误差差电电压压通通过过环环路路滤滤波波器器（实实际际上上是是一一个个低低通通滤滤波波器器）后后,作作为为控控制制电电压压调调整整的的振振荡荡角角频频率率,使使其其增增大大,因因而瞬时相位差也将减小。而瞬时相位差也将减小。反馈控制反馈控制电路电路 经经过过不不断断地地循循环环反反馈馈,矢矢量量的的旋旋转转角角速速度度逐逐渐渐加加快快,直直到到与与 旋旋转转角角速速度度相相同同,重重新新实实现现yi,这这时时环环路路再再次次锁锁定定,瞬瞬时时相相位位差差0为恒值为恒值,鉴相器输出恒定的误差电压。鉴相器输出恒定的误差电压。反馈控制反馈控制电路电路