北邮信通院通信电子电路第5章_反馈控制电路.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,第五章：反馈控制电路,信息与通信工程学院,综述,(,一,),综述与内容提要,反馈控制电路可在系统受到扰动时，通过反馈控制作用使系统的,某个参数,达到所需的精度，或者按照一定的规律变化,预先设定,控制过程简述：,参考信号不变，输出信号发生变化,参考信号发生变化,综述,(,二,),综述与内容提要,较大的参考信号变化和输出信号变化，只引起小的误差信号变化，条件为：,反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致,从误差信号到反馈信号的整个通路的增益要高,综述,(,三,),综述与内容提要,根据需要比较和调节的参数不同，可对反馈控制电路进行分类：,AGC,AFC,APC(PLL),反馈控制系统的特点：,自动进行误差检测和调整,系统根据误信号的变化而进行调整，不管误差信号由何种原因产生,存在剩余误差,基本工作原理,(,一,),第一节：自动增益控制电路,基本作用是减小因各种因素引起的系统输出信号电平的变化范围，以维持整机输出稳定,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,(,电平,),基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路,电路结构及反馈控制过程,基本工作原理,(,二,),第一节：自动增益控制电路,低通滤波器的作用：滤除调制信号,反调制,AGC,电路的输入输出量及其关系,静态误差的产生,自动电平控制电路的类型,第一节：自动增益控制电路,简单,AGC,电路：,优点：电路简单,缺点：对微弱信号的接收不利,延迟,AGC,电路：,不同输入信号强度时电路的工作状态,自动电平控制电路的应用,第一节：自动增益控制电路,自动频率控制电路的原理,第二节：自动频率控制电路,可使用自动频率控制的方法来稳定振荡频率。例如在高质量的接收机中，采用,AFC,电路对本地振荡器的频率进行自动调节，使混频所得差频较精确地等于固定中频，从而提高接收机的灵敏度,电路结构及工作过程,锁相环的特点,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,是一种相位反馈控制系统，能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定的关系,可分为模拟锁相环和数字锁相环。模拟锁相环的特征是鉴相器输出的误差信号是连续的，对环路输出信号的调节也是连续的,锁相环的构成,(,一,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,鉴相器,(PD),的类型及鉴相特性,实质上是个相位,-,电压变换器,锁相环的构成,(,二,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,压控振荡器,(VCO),的类型及其压控特性,实质上是个电压,-,频率变换器,在一定控制电压范围内可近似用线性函数表示压控特性：,：压控振荡器的自由振荡角频率,：压控振荡器的控制灵敏度,(,增益系数,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,锁相环的构成,(,三,),环路滤波器,(LPF),的类型及传递函数,还可使锁相环获得所需的带宽和增益，改善环路的性能以适应对锁相环多种应用的需要,严格来说：,在锁相环的分析中，习惯使用微分算子的函数来表示 和 的关系，即：,可滤除鉴相器输出中包含鉴相输入信号频率在内的高频分量，提高环路的抗干扰能力,锁相环的基本工作原理,(,一,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,环路锁定状态时的情况,即当加到鉴相器上两个信号的频率相等时，其瞬时相位差是一个常数,即当加到鉴相器上两个信号的瞬时相位差为常数时，其频率必然相等,锁相环的基本工作原理,(,二,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,当输入输出频率不等时，由,锁相环与,AFC,均利用误差信号的反馈作用来控制,VCO,的振荡频率，根本差别在于：,可知，,VCO,的电压将不断改变，直至锁定,锁相环路中的比较器为鉴相器，环路锁定时存在剩余相差，不存在剩余频差,AFC,中的比较器为鉴频器，环路锁定时存在剩余频差,锁相环的数学模型,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,推导可得锁相环路的基本方程为：,环路的锁定状态,(,一,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,环路锁定过程简述,锁定后压控振荡器角频率与输入信号同频，但存在稳态相位误差,VCO,振荡角频率偏离输入信号角频率的值，称为瞬时角频差,闭环后控制电压作用于压控振荡器后引起的输出角频率的变化，称为控制角频差,输入信号角频率偏离 的数值，称为环路的输入固有角频差，又称为开环角频差,环路的锁定状态,(,二,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,当环路锁定时，有：,无环路滤波器的锁相环称为一阶锁相环，此时有：,环路的锁定状态：例一,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,设,PD,的特性为：,VCO,的特性为：,求输入角频率分别为 时的稳态相差,解：,同理可得：,故最后一种情况下环路不能锁定,环路的锁定状态：例二,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,解：,已知一阶锁相环路中正弦鉴相特性的鉴相器的 ；,VCO,的 ，自由振荡频率 。问当输入频率分别为 和 的正弦信号时，环路能否锁定？若能锁定，稳态相差多大，压控振荡器的控制电压多大？,故环路不能锁定,环路的锁定状态,(,三,),第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,假设环路已处于锁定状态，然后缓慢地改变输入信号频率，能够继续维持环路锁定所允许的最大输入固有角频差 的,2,倍，称为锁相环的同步带或跟踪带，用 表示,故要增大锁相环的同步带，必须提高其直流总增益,使用正弦型鉴相器时,同步带主要受到,VCO,最大频率控制范围的限制,一阶环路的平衡点,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,在,A,、,B,两点时：,A,、,B,两点的区别,一阶环路的捕捉过程,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,捕捉是指锁相环路从失锁状态进入到锁定状态的过程,捕捉时间,捕捉带 ：环路由失锁到锁定所允许的最大固有角频差,(,或固有频差,),的含义,对于一阶环路来说，其捕捉带与同步带相等,一阶环路的差拍状态,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,差拍状态的含义,一阶环路的频率牵引,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,差拍状态状态下尽管环路不能锁定，但却能使压控振荡器的频率向着缩小频差方向牵引，即向着锁定方向牵引,牵引作用随着 的增大而减弱,一阶锁相环的频率牵引特性,高阶锁相环的同步与捕捉,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,此时的特性需要同时考虑环路滤波器的通频带及,VCO,的频率控制范围,假定,VCO,的频率控制范围足够大，则：,环路始终处于失锁状态,若 远大于环路滤波器的通频带,若 的值在环路滤波器的通频带内,环路能够被锁定,若 大于环路滤波器的通频带,环路能够通过频率牵引过程被锁定,若 的值超出环路滤波器通频带一定值,环路能够通过快捕过程被锁定,高阶环路中，捕捉带一般大于快捕带，但小于同步带,环路的跟踪过程,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,环路锁定时，输入信号频率与输出信号频率相同，但两者之间有一稳态相差,跟踪的定义,锁定状态：相对于频率和相位固定的输入信号而言,跟踪状态：相对于频率和相位变化的输入信号而言,当输入信号的频率和相位改变时，只要相位变化不超过一定的范围，通过环路的作用，压控振荡器输出的频率和相位也会以同样规律随之变化，不断地跟踪输入信号频率和相位的变化，这种情况称为环路处于跟踪状态,锁相环的重要特性,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,环路在锁定状态时无剩余频差存在,是一个理想的频率控制系统,输出信号频率可以精确地跟踪输入信号的变化。环路锁定后，输入信号和输出信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益的办法被控制在所需数值范围之内,对干扰来说，相当于一个窄带高频带通滤波器,良好的跟踪特性,良好的窄带滤波特性,在调制指数相同时要低于普通鉴频器,良好的门限特性,易于集成化,锁相调频电路,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,对调频波的基本要求：中心频率足够稳定，频偏足够宽,由于中心频率的漂移为慢变化，而调制信号频率较高，若低通滤波器的通带能够滤除调制信号的频谱，则可实现要求,VCO,的振荡频率同时受输入调制信号和反映,VCO,中心频率漂移的电压 控制,锁相鉴频电路,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,要求,LPF,在调制信号的有效频谱范围内有平坦的幅频特性和相频特性,注意对,VCO,和,LPF,的要求,若环路带宽设计得足够宽，则环路锁定时,VCO,能够跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，此时,VCO,输入端的控制电压必然和输入调频波频率的变化规律相同，故从,LPF,输出端即可得到解调信号,是调制跟踪型锁相环路,同步检波电路,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,窄带跟踪滤波器,第三节：自动相位控制电路,-,锁相环,混频器输出的中频被锁定在本地标准中频上,低通滤波器的带宽很窄，调制信号分量不能进入环路，只对缓慢变化的频移进行调整，从而提高了接收机的灵敏度,载波频率的变化范围可以超过等效窄带滤波器的通频带，但限制在压控振荡器的可控振荡频率范围内。其工作条件是载波频率为慢变化,频率变换电路,(,一,),第四节：锁相环的应用,倍频器与分频器,频率变换电路,(,二,),第四节：锁相环的应用,混频,锁相混频电路的优点,频率变换电路,第四节：锁相环的应用,频率合成器：利用一个,(,或几个,),晶体振荡器作为参考频率，产生若干个标准频率信号的设备,对频率合成器的技术要求,频率范围,频率间隔,(,频率分辨率,),