高频电子线路一章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章,反馈控制电路,8.1,概述,8.2,反馈控制电路的基本原理与分析方法,8.3,自动增益控制电路,8.4,自动频率控制,(,AFC),电路,8.5,锁相环路,(,PLL),8.6,锁相环的典型应用,第8章 反馈控制电路 8.1 概述 8.2 反馈控制电,1,8.1,概述,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。,反馈控制电路可分为三类,自动增益控制,(,Automatic Gain Control,，,简称,AGC),自动频率控制,(,Automatic Frequency Control,，,简称,AFC),自动相位控制,(,Automatie Phase Control,，,简称,APC),自动相位控制电路又称为锁相环路,(,Phase Locked Loop,，,简称,PLL),，,是应用最广的一种反馈控制电路。,8.1 概述 为了提高通信和电子系统的性能指标，或者,2,8.2 反馈控制电路的基本原理与分析方法,在反馈控制电路里，比较器、控制信号发生器、可控器件、反馈网络四部分构成了一个负反馈闭合环路。,比较器,控制信,号发生器,可控器件,反馈网络,参考信号,x,r,(,t,),反馈信号,x,f,(,t,),误差信号,x,e,(,t,),控制信号,x,c,(,t,),输出信号,x,y,(,t,),输入信号,x,i,(,t,),根据参考信号的不同情况，反馈控制电路的工作情况有两种。,(1),参考信号,x,r,(,t,),不变，恒定为,x,ro,(2)参考信号,x,r,(,t,),变化,8.2 反馈控制电路的基本原理与分析方法 在反馈控,3,7.2.2 数学模型,将反馈控制电路近似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，,根据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,图中,X,r,(,s,)，,X,e,(,s,)，,X,c,(,s,)，,X,i,(,s,)，,X,y,(,s,),和,X,f,(,s,),分别是，,x,r,(,t,)，,x,e,(,t,)，,x,c,(,t,)，,x,i,(,t,)，,x,y,(,t,),和,x,f,(,t,),的拉氏变换。,比较器输出的误差信号,x,e,(,t,),通常与,x,r,(,t,),和,x,f,(,t,),的差值成正比，设比例系数为,k,p,，,则有,x,e,(,t,)=,k,p,x,r,(,t,),-,x,f,(,t,),比较器,控制信,号发生器,可控器件,反馈网络,参考信号,X,r,(,s,),反馈信号,X,f,(,s,),误差信号,X,e,(,s,),控制信号,X,c,(,s,),输出信号,X,y,(,s,),输入信号,X,i,(,s,),k,p,H,1,(,s,),k,c,H,2,(,s,),写成拉氏变换式，有,X,e,(,s,)=,k,p,X,r,(,s,)-,X,f,(,s,),可控器件作为线性器件，有,x,y,(,t,)=,k,c,x,c,(,t,),k,c,是比例系数。写成拉氏变换式，有,X,y,(,s,)=,k,c,X,c,(,s,),实际电路中一般都包括滤波器，其位置可归纳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,闭环传递函数,误差传递函数,7.2.2 数学模型 将反馈控制电路近似作为,4,8.3 自动增益控制电路,自动增益控制,(,AGC),电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备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。,AGC,电路的工作原理,1.,电路组成框图,输入电压,U,i,比较器,控制信,号发生器,可控增,益放大器,低通滤波,参考电压,U,r,反馈电压,U,f,误差电压,u,e,控制电压,u,c,输出电压,U,y,k,p,k,1,A,g,电平检测,直流放大,k,2,k,3,设输入信号振幅为,U,i,，,输出信号振幅为,U,y,，,可控增益放大器增益为,A,g,(,u,c,)，,是控制信号,u,c,的函数，则有,U,y,=,A,g,(,u,c,),U,i,8.3 自动增益控制电路 自动增益控制(AGC)电,5,8.4 自动频率控制(,AFC),电路,AFC,电路也是一种反馈控制电路。它与,AGC,电路的区别在于控制对象不同，,AGC,电路的控制对象是信号的电平，而,AFC,电路的控制对象则是信号的频率。其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。,AFC,电路的组成和基本特性,AFC,电路的组成,频率比较器,频率比较器,滤波器,可控频率电路,k,p,k,c,H,(s),r,y,y,u,e,u,c,U,c,(s),U,e,(s),r,(s),y,(s),频率比较器的输出误差电压,u,e,与这两个输入信号的频率差有关，而与这两个信号的幅度无关，,u,e,为,u,e,=,k,p,(,r,-,y,),式中，,k,p,在一定的频率范围内为常数，实际上就是鉴频跨导。,常用的频率比较电路有两种形式：一是鉴频器，二是混频-鉴频器。,8.4 自动频率控制(AFC)电路 AFC电路也是,6,8.5,锁相环路,(,PLL),锁相环路（,Phase locked loop,缩写,PLL）,是一种相位自动控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。,PLL,电路广泛应用于,8.5 锁相环路(PLL)锁相环路（P,7,8.5.1 锁相环的基本原理,一、锁相环的组成部件,PLL,是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实施跟踪,。,三个基本部分构成一个负反馈环。,PD,LF,VCO,v,i,(t),v,d,(t),v,c,(t),v,o,(t),i,(t),o,(t),e,(t),v,o,(t),PD,LF,VCO,8.5.1 锁相环的基本原理 一、锁相环的组成部件,8,1,、鉴相器（,PD,）,即,PD,v,i,(t)/,i,(t),v,o,(t)/,o,(t),v,d,(t)/,e,(t),鉴相器是一个相位比较器，,输出信号 是两个输入信号,与,的相位差,的函数，,v,i,(t),v,o,(t),正弦特性，三角波特性，锯齿波特,性等,，其中最基本的是,正弦波特性,，,它可用一个模拟乘法器与低通滤波,器串接而成。,e,(t),v,d,(t),鉴相特性的形式有许多种，,如:,乘法器,低通滤波,PD,v,i,(t),v,o,(t),v,d,(t),如果设环路输入信号：,PLL,环输出的反馈信号：,经过相乘，并滤除和频分量，可得输出的误差电压为：,其中,为输入信号的瞬时相位差。,由上式可得鉴相器的数学模型，,如下图所示，,1,(t),-,2,(t),另外，可以看出：,当 时，,1、鉴相器（PD）即 PDvi(t)/i(t)vo(,9,2,、环路滤波器,LF,环路滤波器具有低通特性，其,主要作用是滤除鉴相器输出端的高频分量和噪声,，经,LF,后得到一个平均电压 用来控制,VCO,的频率变化，常见的滤波器有以下几种形式。,R,C,v,d,（t）,v,c,（t）,RC,积分滤波器,v,d,（t）,v,c,（t）,无源比例积分滤波器,v,d,（t）,v,c,（t）,有源比例积分滤波器,RC,积分滤波器,传输函数：,R,1,C,R,2,R,1,R,2,C,-,+,2、环路滤波器LF 环路滤波器具有低通特性，其,10,无源比例积分滤波器,R,1,C,R,2,v,d,（t）,v,c,（t）,无源比例积分滤波器,其中：,通常,R,1,R,2,有源比例积分滤波器,如果将,F（s）,中的,s,用微分算子,p,替代，可写出滤波器的输出电压 与输入信号 之间的微分方程：,其中,为微分算子，,由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示。,F(p),v,d,（t）,v,c,（t）,有源比例积分滤波器,R,1,R,2,C,-,+,无源比例积分滤波器R1CR2vd（t）vc（t）无源比例积,11,3、压控振荡器（,VCO）,压控振荡器：,是瞬时频率,控制的振荡器,。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。,o,v,c,(t),c,其中：,时的固有振荡频率：,K,0,：,压控灵敏度,由于,VCO,的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，,VCO,对鉴相器起作用的不是其频率而是相位,，故对上式积分即可求出相位：,上式中：,为积分算子,压控振荡器数学模型如右图所示。,K,O,/,p,3、压控振荡器（VCO）压控振荡器：是瞬,12,F(p),1,(t),e,(t),K,O,/,p,2,(t),二、锁相环路相位模型和基本方程,1、相位模型,将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：,2、基本方程,根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本微分方程：,环路的微分方程为：,F(p)1(t)e(t)KO/p2(t)二、锁,13,3、环路工作的定性分析,设输入信号为固定频率的正弦信号（即 均为常量）,由于,有：,固有角频差,代入环路的微分方程可得：,上式左边第一项,环路的,瞬时角频差,。,左边第二项：,是,VCO,受控制电压,V,c,(t),的作用后输出的瞬时角频率,与固有振荡频率,之差，称为,控制角频差,。,由以上分析可得：,结论：闭合环路中任何时刻满足：,瞬时频差+控制频差=固有频差,。,3、环路工作的定性分析 设输入信号为固定频率的正弦信号（即,14,三、锁相环路的工作原理,设压控振荡器的固有振荡频率为 ,而当环路闭合瞬间，外输入信号角频率 与 即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：,失锁状态,如果环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带,则差拍电压 将被滤除，而不能形成控制电压,压控振荡器输出角频率 不变化即,则,即：,环路的瞬时频差=固有频差,环路此时处于失锁状态。,三、锁相环路的工作原理 设压控振荡器的固有振荡频率为,15,锁定状态,由于,很接近,，所以,很可能摆动到,上，当,时：相位差,如果 十分接近 ，即固有频差 ，则差拍电压,不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 ，去控制压控振荡器，,VCO,产生中心频率为 的调频信号,VCO,的瞬时振荡频率 将以 为中心在一定范围内来回摆动，即环路产生了控制频差,此时鉴相器输出电压是一个较小的直流电压，环路进入锁定状态。,锁定状态 由于 很接近，所以 很可能摆动到 上，当 时：,16,牵引捕捉状态,当 介于上述两者之间时，如果,VCO,的瞬时频率 围绕 为中心摆动的范围小，至使 不可能摆动到 处时，环路不能立即入锁。此时,VCO,输出的调频波，其调制频率就是差拍频率，与输入信号 经鉴相器,PD,鉴相，输出一个正弦波与调频波的差拍电压：,如果令:,另有,其中,显然,不再是一个正弦电压，而是一个上下不对称的,差拍电压；经环路滤波后有直流电压,加到,VCO,的,控制端，从而使,的偏移增大，使,更接,上述过程持续直到,，环路进入锁定状态。,v,d,t,牵引捕捉状态 当,17,跟踪状态,当环路已处于锁定状态后，如果,的频率和相位,有稍变化时，,例如：,则,直到,，状态锁定为止。,e,v,d,同理如果,则,直到,，状态锁定为止。,c,v,c,跟踪状态当环路已处于锁定状态后，如果 的频率和相位有稍变化,18,四、锁相环性能分析,锁相环性能主要指标有：,同步带宽 捕捉带宽 稳态相差,1.同步带宽,设环路已处于锁定状态，当缓慢改变输入信号频率使固有频差值向正或负方向逐步增大时，,由于环路的自身调节作用，能够维持环路锁定的最大频差 称为环路同步带,，记作,。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于,也是对称的。,2.捕捉带宽,设锁相环路处于失锁状态，改变 使固有频差 减少,环路能够经牵引捕获而入锁的最大固有频差值 称为环路,捕捉带,。通常