反馈控制电路.pptx

第第7章章 反馈控制电路反馈控制电路本章重点本章重点 反馈控制电路的组成和自动调节原理；自动增益控制电路、自动频率控制电路、锁相环路的电路组成；锁相环路的锁定状态和锁定状态下的剩余相差；锁相环路的应用。7.1 从全球定位系统信号跟踪接收谈起7.2 自动增益控制电路7.3 自动频率控制电路7.4 锁相环路7.5 实训7.1 从全球定位系统信号跟踪从全球定位系统信号跟踪接收接收谈谈起起 为了提高通信和电子系统的性能指标，在发送和接收设备中广泛采用具有自动调节作用的控制电路。在具有自动调节作用的控制电路中，反馈控制电路是最经典，使用最多的电路结构。许多运输和通信设备中安装的全球定位系统（GPS）接收机，为了实现精确定位，就用了多种反馈控制电路来跟踪和获取所需定位信息。图7-1所示为全球定位系统工作原理。全球定位系统包括GPS星座(覆盖全球的24颗卫星)、地面监控系统(一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站)和GPS信号接收机。地球上任意地点都可以同时观测到4颗卫星。定位地点GPS信号接收机先测离卫星A的距离，比如说是11，000英里，则定位地点一定在一个中心在卫星A，半径为11，000英里的球面上。图7-1 全球定位系统工作原理 再测定位地点离卫星B的距离，比如说是12，000英里，则定位地点一定在中心在卫星A，半径为11，000英里和中心在卫星B，半径为12，000英里的两个球面的相交圆上。再测定位地点离卫星C的距离，比如说是13，000英里，则定位地点一定在上述相交圆与中心在卫星C，半径为13，000英里的球面相交的两个点上。其中一个点在地面，一个点在很高的空中。若是地面点的定位，3个卫星已够。可再测定位地点离第四颗卫星D的距离，形成的球面与上述两个点中的一个相交，这个唯一相交的点就是用户定位地点。经接收机中的微处理器进行定位计算，用户在WGS-84大地坐标系中的经纬度、高度、速度、时间等信息便可得知。移动的GPS接收机 要跟踪接收移动的卫星信号，要减小卫星上的时钟和地球的时钟不同步产生的误差，要从卫星信号中提取载波用于解调导航电文，要跟随电波传播衰落造成的接收信号强度起伏变化，都要用到反馈控制电路。反馈控制电路为闭合环路，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成，如图7-2所示。比较器将外加的参考信号r(t)与反馈信号f(t)进行比较，输出二者的误差信号e(t)，再经过控制信号发生器产生控制信号c(t)，对可控器件进行控制，使输出信号y(t)向误差信号减小的方向变化。经多次循环调整后，输出信号y(t)到达稳定值，误差信号也不再减小，为一较小的固定值。图7-2 反馈控制电路组成 可控器件的可控制量一般是增益、频率或相位。对应的反馈控制系统分为自动增益控制（AGC）,自动频率控制（AFC）和自动相位控制（APC）。其中自动相位控制电路通常称为锁相环路（PLL）,是应用最广的一种反馈控制电路。7.2 自动增益控制电路自动增益控制电路 自动增益控制电路是通信、导航、遥测、遥控接收机的重要辅助电路。其主要作用是使接收机的输出电平保持为一定的数值。因此也称自动电平控制（ALC）电路。接收机所接收的信号强度变化范围很大，最强时几百mV，最弱时只有几V，相差达几十分贝。如果接收机增益不变，会使输出电平变化太大，影响接收效果。为了使接收机输出电平变化在允许的范围之内，必须采用自动增益控制（AGC）电路，使接收机的增益随输入信号强弱而变化。信号强时增益减少，信号弱时增益增大。7.2.1 工作原理工作原理 自动增益控制（AGC）电路组成如图7-3所示。输入信号振幅为Ux，可控增益放大器增益g为输出反馈控制信号uc的函数，输出信号振幅Uy可以表示为 Uy=Ag(uc)Ux （7-1）图7-3 自动增益控制电路组成框图 g通常用分贝数表示。g越大，可控增益放大器的增益控制倍数就越大，在限定的输出信号振幅变化范围内，容许输入信号振幅的变化就越大，AGC电路的性能就越好。例7.1 某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB，输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB，需要多少级AGC电路才能满足要求？7.2.2 电路电路类型类型 通信、导航、遥测、遥控接收机的反馈控制信号uc大多是利用接收机内中频放大器输出信号经检波后产生的。按照uc产生的方法不同，而有各种电路形式。.简单简单AGC电路电路 （1）晶体管收音机简单AGC电路 图7-4所示为晶体管收音机中的简单AGC电路。中频放大器放大后的信号送包络检波器检波，检波输出信号一路由电容器C4耦合到低频放大器放大输出，另一路由R2C3组成的低通滤波器滤去音频信号，取出反映接收信号大小的直流电压，作为控制信号，对中频放大晶体管进行增益控制。由于该直流电压为检波输出电压的平均值，所以又叫平均值式检波器。图7-4 晶体管收音机中的简单AGC电路 接收输入信号大时，控制信号也大。该控制信号加到中频放大PNP型晶体管的基极，使晶体管的偏压降低，工作点E减小，因而中频放大增益减小。接收输入信号小时，控制信号也小。该控制信号加到中频放大PNP型晶体管的基极，使晶体管的偏压增大，工作点E增大，因而中频放大增益增大。电路中，工作点E的大小变化与接收输入信号的大小变化正好相反，故称为反向AGC。这时，用于中频放大器的晶体管必须具有增益大小与工作点电流E大小相反的特性。调节可变电阻R2，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min，避免控制信号大小随音频信号变化，出现反调制。一般选R2C3（510）min。若将图7-4中的中频放大管改为NPN管，当接收输入信号大时，控制信号也大。该控制信号加到中频放大NPN型晶体管的基极，使晶体管的偏压提高，工作点E增大，增益减小。接收输入信号小时，反之。这时E的大小变化与接收输入信号的大小变化正好相同,故称为正向AGC。这时，用于中频放大器的NPN型晶体管，必须具有增益大小与工作点电流E大小相同的特性。（2）差分放大器简单AGC电路 图7-5是集成电路中常用的差分放大器发射极负反馈增益控制电路，也为简单AGC电路。VT1和VT2组成差分放大器，信号从VT1、VT2的两个基极双端输入，从两个集电极双端输出，控制电压uc从VT3管基极输入。Re1、Re2分别和二极管VD、VD并联，组成VT1、VT2的发射极负反馈电阻，且Re1Re2，VD和VD特性相同。图7-5 差分放大器简单AGC电路 控制电压uc由后级放大器输出的信号反馈产生。当接收输入信号大时，控制电压uc小，IC3小，Re1、Re2上的电压降小，不足以使二极管VD、VD导通，VT1和VT2发射极负反馈电阻大，差分放大器增益小。接收输入信号变小，控制电压uc增大，IC3增加，Re1、Re2上的电压降增大，使二极管VD、VD逐渐导通，VT1和VT2发射极负反馈电阻逐渐减小，差分放大器增益随之增大。简单AGC电路的优点是电路简单。缺点是一有接收输入信号，AGC电路立即起作用，在接收输入信号振幅很小时，放大器的增益仍然会受到反馈控制电压的控制而有所减小，从而使接收灵敏度降低。所以，简单AGC电路适用于接收输入信号振幅较大的场合。.延迟式延迟式AGC电路电路 延迟式AGC电路是设置一个AGC控制的起控门限电平UR。当输入信号Ux小于UR时，反馈环路断开，AGC不起作用，放大器的增益Ag不变，输入信号以固有增益放大输出。当输入信号Ux大于UR时，反馈环路连通，AGC起作用，放大器的增益Ag受控制而减小。图7-6所示电视机电路，高频放大采用延迟式AGC，当输入信号UX较小时（50V），高放增益不受控制。当输入信号UX超过某一定值Ux2后（5mV），高频放大电路才开始自动增益控制。其增益随输入信号x变化的曲线如图7-7所示。延迟式AGC可以在输入信号较小时，高放级不受控制，高放级增益不被减小，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。图7-6 电视机延迟式AGC电路图7-7 电视机延迟式AGC电路特性7.3 自动频率控制电路自动频率控制电路 振荡器的频率经常由于各种因素的影响而发生变化，偏离预定的数值。自动频率控制（AFC）电路也是一种反馈控制电路，反馈环路中传递的是频率信息，误差信号正比于输入的参考频率与压控振荡器输出频率之差。控制对象是压控振荡器的频率，使压控振荡器的振荡频率稳定在输入的参考频率附近，仅剩余一较小误差。7.3.1工作工作原理原理 自动频率控制（AFC）电路方框图如图7-8所示。图7-8 自动频率控制电路的组成 频率比较器如图7-9(a)所示。加到混频器的，一个是输入参考信号，角频率为r；另一个是压控振荡器反馈信号，角频率为y。混频器输出信号加到鉴频器，角频率为r-y。鉴频器的鉴频特性如图7-9(b)所示。当ry时，鉴频器无输出；当ry时，鉴频器输出误差信号电压，表示为 ue=kb(r-y)（7-5）式中，kb为鉴频特性的斜率，也就是是鉴频跨导。图7-9 频率比较器组成和鉴频输出特性(a)频率比较器组成框图 (b)鉴频特性 误差信号电压ue送入低通滤波器，滤去高频成分，取出缓变控制信号uc送入压控振荡器（VCO），使其振荡频率y发生变化。变化的结果是使频率差r-y减小，从而使误差信号电压ue减小。多次循环后，电路达到稳定。电路稳定时，压控振荡器的控制电压仍然由误差电压提供，误差信号电压已经减小，但不能为0，即频率差不能为0。自动频率控制电路存在剩余频差d，这是自动频率控制电路的一个重要特点。剩余频差d为 d=r-y0 （7-7）式中，y0为电路稳定时压控振荡器振荡频率。若输入参考信号角频率r发生变化，则y0将跟随r变化，实现频率跟踪，当然，两者之间存在剩余频差。7.3.2 应用应用电路电路 1.在在超外差式接收机中用于稳定中频超外差式接收机中用于稳定中频频率频率 超外差式接收机AFC电路方框图如图7-10所示。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。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AFC电路的鉴频器。图7-10 超外差接收机AFC电路方框图 鉴频器产生相应的误差电压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。几次循环调控后，与I的偏离值远小于原发生的偏移L，实现稳定中频频率的目的。.在在调频接收机中用于改善解调调频接收机中用于改善解调质量质量 在调频接收机中，可以用AFC电路来改善解调质量，称为调频负反馈解调器，如图7-11所示。与普通调频接收机的解调器相比较，区别在于输出的解调电压又反馈作为压控振荡器的控制电压。该压控振荡器作为超外差接收的本地振荡器。图7-11 调频负反馈电路框图 设接收调频信号的瞬时频率为c，角频偏为c，在电路稳定时，压控振荡器的本振角频率为L，由解调电压反馈控制产生的角频偏为L，则混频输出的中频信号中心角频率I和角频偏I分别为 ILc （7-8）和 IcL （7-9）混频输出的中频信号的角频偏减小了，相当于压缩了调频信号的有效带宽，可以用带宽较窄的中频放大器来放大。中频放大器带宽窄，则进入中频放大器和鉴频器的噪声功率减小，使输出信噪比提高。当然，由于中频频偏被压缩，使鉴频器输出的解调信号的动态范围（强弱变化幅度）减小，清晰度降低，这一点是不利的。所以，是否采用调频负反馈以及调频负反馈量的大小应根据实际情况而决定。7.4 锁相环路锁相环路 应用最广的一种反馈控制电路是自动相位控制电路，通常叫锁相环路（PLL）。锁相环路是以鉴相器产生的相位误差电压去控制压控振荡器的振荡频率。电路稳定时，虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无剩余频差的频率跟踪和相位跟踪。7.4.1 工作原理工作原理 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成,如图7-12所示。图7-12 锁相环路的组成 3.压控振荡器压控振荡器 压控振荡器(VCD)的振荡角频率y(t)受控制电压uc(t)的控制。在有限的误差控制电压范围内，VCD的振荡角频率y(t)与误差控制电压成线性关系，可写成：y(t)=y0+kcuc(t)(7-12)式中，振荡角频率y0为uc(t)=0时，VCO固有角频率，c为压控灵敏度,是一常数。4.环路相位环路相位模型模型 由各部分的相位关系，可建立锁相环路的相位模型，如图7-13所示。图8-13 锁相环路的相位模型7.4.2锁相环路的两种调节锁相环路的两种调节过程过程 1.环路的跟踪环路的跟踪过程过程 在环路锁定之后，若输入参考信号频率发生变化，鉴相器会产生新的误差电压，经环路滤波器滤波后控制VCO，使VCO输出信号频率改变，几次循环后，最终等于变化后的参考信号频率，进入新的锁定状态，这是环路的跟踪过程。能够实现跟踪的参考信号频率变化范围，称为跟踪带或同步带。超过该范围，则不能实现跟踪。.环路环路的捕捉的捕捉过程过程 当环路未输入参考信号时，压控振荡器(VCO)振荡频率为固有振荡频率，环路处于未锁定状态。若这时输入参考信号，鉴相器产生误差电压，经环路滤波器滤波后控制VCO，使VCO输出信号频率改变，几次循环后，最终等于输入的参考信号频率，进入锁定状态，这就是环路的捕捉过程。如果参考信号频率与压控振荡器固有振荡频率差别太大，将无法捕捉到，环路会一直处于失锁状态。能够由失锁进入锁定状态所允许的参考信号频率与压控振荡器固有振荡频率偏离范围，称为环路的捕捉带。一般来说，捕捉带小于跟踪带。7.4.3锁相环路的锁相环路的应用应用 锁相环路的输出信号频率，可以精确地跟踪输入信号频率的变化，在通信、雷达、导航、电机控制等方面有着广泛的应用。1.锁相倍频、分频和锁相倍频、分频和混频混频 在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器,就组成了锁相倍频电路,如图7-14所示。当环路锁定时，鉴相器输入信号角频率与反馈信号角频率相等，即i=y。图7-14 锁相倍频电路的组成 y是VCO输出信号经次分频后的角频率，所以VCO输出角频率y是输入信号角频率i的n倍，即yNi。若输入信号由高稳定度的晶振产生，且分频器的分频比可变，则可以得到一系列稳定的，间隔为i的频率信号输出。显然,如将分频器改为倍频器，则可以组成锁相分频电路，即yi。在基本锁相环路的反馈通道中插入混频器和中频放大器，还可以组成锁相混频电路，如图7-15所示。设混频器输入本振信号角频率为L，当环路锁定时，有i=|L-y|，即y=Li，从而实现混频作用。图7-15 锁相混频电路的组成 2.锁相调频与锁相调频与鉴频鉴频 图7-16是锁相直接调频电路组成框图。这种电路可以使输出调频信号的中心频率（载波）锁定在晶振频率上。为了使环路滤波器输出的控制电压uc(t)只对VCO中心频率不稳定有所反映，环路滤波器的通频带应该很窄，应小于调制信号的最低频率。显然，这是一种载波跟踪环。图7-16 锁相直接调频电路的组成 图7-17是锁相鉴频电路组成框图。当输入为调频波uFM(t)时，VCO能精确地跟踪输入uFM(t)的瞬时频率的变化。既然VCO振荡信号与输入调频波uFM(t)的瞬时频率变化规律相同，则VCO的控制电压uc(t)与原调制电压的变化规律相同，或者说环路滤波器输出的控制电压uc(t)就是所需的原调制信号u(t)。环路滤波器的通频带要足够宽，使鉴相器输出的误差电压能顺利通过。这是一种调制跟踪环。图7-17 锁相鉴频电路的组成7.4.4锁相环路锁相环路频率合成器频率合成器 频率合成器是利用一个（或多个）高稳定度的基准频率，通过一定的变换与处理后，产生出一系列离散频率的信号源，在一些通信设备中称作高频箱。图7-18 单环频率合成器 为了得到良好的频率分辨力，要求频率间隔必须很小，对于单环频率合成器来说，则要求降低参考频率r。通常单环频率合成器的参考频率r不能小于kHz,这也就是它的最小频率间隔。还有，单环频率合成器的输出频率数目也受限制。比较有效的措施是采用多环方案。现在已有各种集成锁相环频率合成器。例例7.2 图7-19是一个双环频率合成器,由两个锁相环和一个混频滤波电路组成。两个参考频率r11kHz,r2100kHz。可变分频器的分频比范围分别为n11000011000，n27201000。固定分频器的分频比n310。求输出频率y的频率调节范围和步长（即频率间隔）。图7-19 双环频率合成器 两部分综合后，则y的总调节范围为73MHz101.1MHz，步长为100Hz，总频率数为281000个。环路的输入参考频率为1kHz。环路的输入参考频率（04）为101kHz101.53kHz（100kHz+1kHz100kHz+1.53kHz），（n1取10000、n3取1000、n2取10 n1取11000、n3取720、n2取10计算得出）。根据式（7-20）可求得最大转换时间为25ms。7.4.5集成锁相环路集成锁相环路 1 概述概述 由于锁相环路的应用日益广泛,迫切要求降低成本、提高可靠性,因而促使其向集成化、数字化、小型化和通用化方向发展。目前已生产出数百种型号的集成锁相环路。集成锁相环路有两大类,一类是主要由模拟电路组成的模拟锁相环，另一类是主要由数字电路组成的数字锁相环。每一类按其用途又可分成通用型和专用型。通用型是适用于各种用途的锁相环路，其内部电路主要是鉴相器和压控振荡器,环路滤波器一般需外接。如果环路滤波器采用有源滤波器，则有源滤波器的放大器部分在集成电路内部，RC等滤波元件部分外接。专用型是专为某种功能设计的锁相环路，例如调频收音机中的调频立体声解调环路，彩色电视机中的色同步信号提取环路等。在选用集成锁相环电路时,首先要注意工作频率这个重要参数,其次是工作电流,最大锁定范围和电源电压等,除了环路滤波器必须外接以外,其余还需要外接哪些元件也应注意。表7.1给出了几种常用通用型模拟集成锁相环电路的主要性能指标。其中NE562是L562的国外型号,NE565是L565的国外型号，其余类推。型 号工作频率Hz工作电流mA最大锁定范围电源电压VNE565500k860%f0612NE567500k714%f04.759NE56030M915%f01626NE56130M1015%f01626NE56230M1215%f01630NE56450M6012%f0512表7.1 常用锁相环电路的性能指标 2.L562集成锁相环电路集成锁相环电路 L562内部电路框图如图7-20所示，由鉴相器、环路滤波器、VCO、放大器等电路组成。L562只需外接两个电容，一个为环路滤波器的滤波电容，另一个为VCO的定时电容。鉴相器与VCO是断开的，在3、4脚和2、15脚间插入分频器或混频器，可作频率合成器或混频器用。L562最高工作频率为30MHz，最大锁定范围为15%fyo，电源电压为16V30V，典型工作电流为12mA。图7-20 L562集成锁相环路内部电路框图 图7-21所示为采用L562组成的FM解调电路，FM信号从11、12脚输入。CT是VCO振荡定时电容，选择CT电容量使VCO振荡频率等于FM信号的载频。VCO振荡信号由3脚输出，经电阻分压后由Cc耦合到2脚，输入鉴相器与FM信号比较。CD是去加重电容。13、14脚外接Cx、Rx与片内的R1、R2组成环路低通滤波器。解调后的低频信号从第9脚输出。图7-21 采用L562组成的FM解调电路 图7-22是采用L562组成的单环频率合成电路。从L562的11脚输入频率为f1的参考信号，从4脚输出的VCO振荡输出信号，经T216分频器N分频后，由15脚重新输入锁相环内的鉴相器。环路锁定后，VCO输出信号频率为Nf1，由3脚输出。这也是一个锁相倍频电路。图7-22 采用L562组成的单环频率合成器电路7.5 实训实训7.5.1红外发射和接收电路装配与调试红外发射和接收电路装配与调试 图7-23（a）为发射电路，图中U1为LM741运算放大器，U2为时基电路LM555或7555。传声器MIC接收到语言声音产生音频信号，经U1放大后由6脚输出从U2的5脚输入，对U2产生的脉冲振荡信号进行频率调制。U2产生的脉冲振荡信号频率由R6和C2确定，通常调到40KHz。3脚输出调频信号，接到红外发光二极管LED1，使红外光线强度随调频信号变化。图7-23（a）脉冲频率调制红外发射电路 图（b）为接收电路，图中红外光电晶体管RS276-145接收LED1发出的已调红外光信号，将其转换为电信号的调频信号送入U1LM741放大。经U1放大后的调频信号送入U2的2脚进行鉴频。U2为锁相环集成电路LM565，外围元件R4和C2、C3将压控振荡器VCO振荡频率调到40KHz处，对输入的40kHz载频的调频信号进行锁相鉴频。鉴频输出音频信号送到U3放大，U3为LM386运算放大器，由5脚输出推动扬声器发出声音。图7-23（b）脉冲频率调制红外接收电路7.5.2 无线电遥控玩具车装配与调试无线电遥控玩具车装配与调试 无线电遥控玩具车电路如图7-24所示，图中TX-2RX-2为台湾瑞昱公司生产的专用于遥控车模的CMOS大规模集成电路。TX-2为14脚双列直插式（DIP14）封装，RX-2为16脚双列直插式（DIP16）封装，工作电压都为35V，典型值4V，工作电流分别为2mA和3mA。TX-2RX-2具有种控制功能，即前进、后退、加速、左转和右转等，具有较高的抗干扰性能。图（a）为发射电路，电源电压为9V。图中VT2为晶体振荡器，产生射频载波信号，振荡频率由所接晶体的标称频率确定，为27MHz。晶体振荡器输出的射频载波加到VT1的基极。图中5个按键开关控制5种运行动作。当某个开关合上后，TX-2内电路产生相应编码信号，由8脚输出加到晶体管VT1的基极，对射频载波进行调幅。输出编码调幅信号送天线发射。图7-24（a）无线电遥控玩具车发射电路 图（b）为接收电路，电源电压为4.54.5V。天线从空中接收到电磁波信号，经电感L3取出信号加到VT1的发射极。VT1与L2、C2、C3等构成超再生接收电路。检波输出的编码信号经R4、C7送入RX-2的14脚，由内部反相放大器1进行放大，放大后的信号由15脚输出，再从16脚输入内部反相放大器2进行放大，放大后的信号由1脚输出经R8送入3脚进行译码。译码后，从6、7、10、11、12脚分别输出控制右转、左转、后退、前进、加速等功能高电平信号。图7-24（b）无线电遥控玩具车接收电路 Dl0.10.51248L020106.5421表8-1 修正系数L0与线圈尺寸关系表