反馈控制电路r.doc

根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有：
简称APC，用于锁定相位，故又称锁相环路，简称PLL。
简称AFC，用于维持工作频率稳定。
又称自动电平控制电路，简称AGC，用于控制输出信号大小。
引言
7.1 自动增益控制电路
主要要求：
了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。
了解常用增益控制电路。
7.1.1 自动增益控制电路的作用
作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号ui 幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化
一、AGC的组成、工作原理与作用
具有简单AGC 的调幅接收机框图
反馈控制器

LPF
简单AGC 缺点：
只要有输入信号，AGC 就起控制作用，对接收弱信号不利。
二、AGC的应用
是高性能接收机的重要辅助电路
具有延迟式AGC 的调幅接收机框图
当AGC检波器输入信号幅度小于UR时，AGC检波器不工作，AGC 电压为零，AGC不起控制作用。
当AGC检波器输入信号幅度大于UR时， AGC 电路才起控制作用。
7.1.2 增益控制电路
1. 控制晶体管发射极电流实现增益控制
AGC 放大电路
Auµ gm
gm ＝ IE / UT
当信号电压↑,使 -UC↓，则IE ↓, gm ↓, Au ↓
通常将控制电压
加至基极或发射极
2. 差分放大器增益控制电路
通过改变对管的电流分配比、负反馈深度、恒流
源电流等来实现对增益的控制。
ic1 = ic2 + ic3
Ui一定时，则 ic1 一定。
若Uc↑，则 ic2↑→ ic3↓→输出电压↓，Au↓。
利用Uc控制ic2 和 ic3的分配比来实现增益控制
7.2 自动频率控制电路
主要要求：
了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。
7.2.1 工作原理
当 fr = fo时， uD(t) = 0 ，fo不变
当 fr ≠ fo时，uD(t) 正比于 （ fo – fr )，得uc(t)控制 fo向 fr 接近
有剩余频差是AFC 的缺点。
鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则D f 越小。
经若干调节周期，环路最后锁定在 fo = fr + D f

这个D f 称为剩余频率误差，简称剩余频差。
7.2.2 应用举例
广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路
比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通滤波和放大电路
等，并将本机振荡器改为VCO 。
AFC 保证了混频器输出频率接近fI ，从而提高接收机灵敏度和选择性。
具有AFC 的调幅接收机框图
具有AFC 的调频发射机框图
鉴频器的中心频率调整在（ fr － fc ）上。当调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化，经窄带LPF 滤除调制频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。由于fr 稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。
7.3 锁相环路（PLL）
主要要求：
掌握PLL的作用、基本组成和工作原理
了解PLL的数学模型
了解PLL的捕捉与跟踪
了解集成PLL及其应用
7.3.1 锁相环路基本原理
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位， 输出反映相位误差 的电压uD(t)。
环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。
压控振荡器（VCO）：在uC(t) 控制下输出相应频率 fo。
两个正弦信号的频率和相位之间的关系
若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。
若wi ≠wo，则ui(t) 和uo(t) 之间产生相位变化 ，鉴相器输出误差电压uD(t) ，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t) ，控制VCO 的角频率 wo ，去接近wi 。
最终使 wi = wo ，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。
7.3.2 锁相环路的数学模型
一、鉴相器(PD)
设压控振荡器的输出电压为
ωo0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率； jo(t) 是以ωo0为参考的瞬时相位。
环路输入电压ui(t)为
其相位可改写为
则ui(t)与uo(t) 之间的瞬时相位差为
以ωo0为参考的输入信号瞬时相位。
设鉴相器具有正弦鉴相特性，则
二、压控振荡器(VCO)
在uc = 0 附近，控制特性近似线性：
以ωo0为参考的瞬时相位jo(t) 为
可见压控振荡器是一个理想的积分器
将积分符号用微分算子p=d/dt 的 倒数表示，则得
VCO的控制特性
VCO的相位模型
三、环路滤波器(LF)
图（b）电路的传递函数为
将AF(s) 中的复频率s 用微分算子p 替换，可得
四、PLL的相位模型和基本方程
环路的基本方程式为
两边对t 求导数并移项，得
锁相环路相位模型
称瞬时角频差，表示VCO 角频率ωo 偏离输入角频率ωi 的数值
称控制角频差，表示压控振荡器在 uc(t)=AdAF(p)sin[je(t)] 的作用下，产生振荡角频率ωo 偏离ωo0的数值。
可见：锁相环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差Δωe(t)与控制
角频差Δωo(t)之和恒等于输入固有角频差Δωi(t)
若输入固有角频差Δωi(t) =Δωi为常数，即ui(t) 为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差Δωe(t)不断减小，而控制角频差Δωo(t)不断增大，两者之和恒等于Δωi，直到瞬时角频差减小到零，控制角频差增大到Δωi ，压控振荡器的振荡角频率ωo等于输入信号角频率ωi 时，环路进入锁定。
环路锁定时的相位误差je(t) 是一个固定值，用je∝ 表示，称为剩余相位误差或稳态相位误差。正是这个稳态相位误差，才使鉴相器输出一个直流电压，控制压控振荡器的振荡角频率，使之等于输入信号角频率。
环路锁定时，Δωi 增大，je∝ 也相应增大。说明Δωi 越大，将VCO 振荡角频率调整到等于输入信号角频率所需的控制电压越大，因而产生这个控制电压的je∝ 也就越大。但Δωi 过大，环路将无法锁定，此时环路将不存在使它锁定的je∝ 。
7.3.3 锁相环路捕捉与跟踪
由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用Δωp表示。
若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用ΔωH表示。
捕捉过程：失锁 Þ 锁定
跟踪过程：锁定 Þ 维持锁定
当 wi 从低频至
高频缓慢变化时
wi
失锁
锁
定
wb
失锁
当 wi 从高频至
低频缓慢变化时
wc
锁
定
wd
捕捉带
同步带
DwP
DwH
通常捕捉带小于同步带
7.3.4 集成锁相环路
一、通用型单片集成锁相环路L562
工作频率达30MHz
L562内部VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路
振荡频率为
设起始时V1导通、 V2截止，则VCC通过V3 、 V1向C充电，充电电流为I02 。由于V1导通时UE1≡ VCC –UBE(on) ，故
C充电使UE2下降，当其下降到（ VCC – UD–UBE(on) ）时， V2导通,使UC2由VCC下降为 （ VCC – UD），致使V1截止， VCC通过V4、 V2向C反向充电，充电电流为I01 ，使UE1下降，直到引起V1重新导通、 V2又截止。如此循环
二、CMOS锁相环路CD4046
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。
具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗
高等优点。工作频率达1MHz
内部VCO 产生50% 占空比的方波。输出电平可与TTL电平或CMOS 电平兼容。
具有相位锁定状态指示
PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为VDD/2，用以确定VCO的自由振荡频率。
信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波。
PDⅡ采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。
通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PDI，
输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PDⅡ 。
R1 、R2、C 确定VCO 频率范围。R1 控制最高频率，R2 控制最低频率。 R2=∞ 时，最低频率为零。无输入信号时， PDⅡ 将VCO 调整到最低频率
接低电平时才允许VCO工作
7.3.5 锁相环路的应用
一、锁相环路的基本特性
（1） 环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，
没有频率误差。
（2） 频率跟踪特性：环路锁定时，VCO 输出频率能
在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。
（3） 窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。
二、锁相鉴频电路
工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t) 就是输入调频信号的原调制信号。
三、调幅波的同步检波
有p/2固定相移
工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。
注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有p/2的固定相移，因此须经过p/2的移相器加到同步检波器上，这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相。
四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）
信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号。
采用锁相接收机，利用PLL 的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信号频率进行接收，有效提高输出信噪比。
7.4 频率合成器
为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。
晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调。
频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短。
主要要求：
掌握频率合成器的作用。
了解频率合成器的种类与主要性能指标。
掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理。
了解提高锁相频率合成器输出频率的方法。
7.4 频率合成器
7.4.1 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
2. 频率间隔（又称分辨率）
频率稳定度指：在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。
3. 频率转换时间
4. 频率稳定度和准确度
相邻频率之间的最小间隔。
从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间。
频率合成器的工作频率范围。
5. 频谱纯度
5. 频谱纯度
指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。
多数来自混频器，对称分布于有用信号两侧。
7.4.2 锁相频率合成器
一、简单锁相频率合成器
环路锁定时
fr = fs / R = fo / N
故得
fo = N fs/ R = N fr
改变N可得不同输出频率。
频率分辨率为fr。
参考分频器由12级二进制计数器构成。取分频比 R = 28 = 256，则得频率间隔为：fr = 1024kHz/256 = 4kHz。
CD4046组成的频率合成器实例
N分频器采用可编程分频器CC40103构成。图中N=29。
改变N 可获得不同频率的信号输出。
作业：
二、简单频率合成器存在的问题
1. 频率间隔不能很小
2. 锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来1/N。对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N 的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能。
3. 输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。
fr 小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于fr ，以滤除PD 输出信号中的参考频率及其谐波分量），这使频率转换时的环路捕捉时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的。
另外， fr 小不利于降低VCO 引入的噪声。
减小频率间隔而不降低参考频率 fr 。
采用多环式锁相频率合成器。
解决问题的方法如下：
由于固定分频器速度远比程序分频器的高，故采用由固定分频器与程序分频器组成的吞脉冲可变分频器，可既获得小的频 率间隔，又显著提高输出频率。
构成吞脉冲锁相频率合成器。
三、多环式锁相频率合成器
fA = (NA/100)fr
fB = NB fr
fo = fA + fB
fA = fo－fB
= ( NA /100 ＋ NB ) fr
单环
单环
混频环
频率间隔为1kHz
四、吞脉冲锁相频率合成器
两种计数模式的固定分频器：控制电平为高电平时，分频比为（P+1）；控制电平为低电平时，分频比为P。
主计数器的模N必须大于辅助计数器的模A 。
吞脉冲程序分频器的工作过程：计数开始时，设模式控制电路输出为高电平1，则双模分频器和主、辅计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满A个脉冲时，使模式控制电路输出低电平0，使辅助计数器停止计数，同时使双模分频器分频比变为P，继续工作，主计数器也继续计数，直至计满N个脉冲后，使模式控制电路输出恢复为高电平、双模分频器分频比恢复为（P＋1），电路进入下一个计数周期。
1.吞脉冲程序分频器
在一个计数周期内，总计脉冲数量为
n=(P+1)A + P (N-A) = PN+A
吞脉冲可变分频器的分频比为 f0'/ f0 =1/(PN+A)
N、A 均为整数0、1、2……
2. 吞脉冲集成锁相频率合成器
吞脉冲程序分频器的分频比是PN+A，锁相环路锁定时可得
f0 =(PN+A) fr
12位可编程二进制计数器。R: 3~4095（即212-1）。
锁定时输出一脉宽极窄的脉冲；失锁时，输出脉宽较宽且不时变化的矩形脉冲。
f0 = (PN+A) fr
N: 3~1027 （即210-1 ） A: 3~127 （即27-1 ）
3. MC145146吞脉冲集成锁相频率合成器
MC145 系列集成频率合成器件，采用CMOS 工艺。其中MC145200、MC145201工作频率可达2GHz。
本章小结
通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控制电路（AGC）、自动频率控制电路（AFC）和自动相位控制电路（APC），它们用来改善和提高整机的性能。

AGC用来稳定输出电压或电流的幅度；AFC 用于维持工作频率的稳定；APC又称锁相环路（PLL），用于实现两个电信号的相位同步。
锁相环路是利用相位的调节以消除频率误差的自动控制系统，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。当环路锁定时，环路输出信号频率与输入信号（参考信号）频率相等，但两信号之间保持一恒定的剩余相位误差。

锁相环路广泛应用于滤波、频率合成、调制与解调等方面。

在锁相环路中应搞清楚两种自动调节过程，若锁相环路的初始状态是失锁的，通过自身的调节，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程，称为跟踪过程。捕捉特性用捕捉带表示，跟踪特性用同步带表示。
锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路构成，基准频率产生器为合成器提供高稳定的参考频率，锁相环路则利用其良好的窄带跟踪特性，使输出频率保持在参考频率的稳定度上。

采用多环锁相或吞脉冲可变分频器，可使锁相频率合成器的工作频率提高，又可获得所需的频率间隔。
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