第23讲高频反馈控制电路.ppt

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1、第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM1第8章 反馈控制电路 8.1 8.1 自动增益控制电路自动增益控制电路8.2 8.2 自动频率控制电路自动频率控制电路8.3 8.3 锁相环的基本原理锁相环的基本原理8.4 8.4 频率合成器频率合成器 新版：第4章第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM2 在通信系统和电子设备中，为了提高技术性在通信系统和电子设备中，为了提高技术性能，或者实现某些特殊的高指标要求，广泛采用能，或者实现某些特殊的高指标要求，广泛采用各种类型的

2、各种类型的反馈控制回路反馈控制回路。特别是在航空航天电子系统中特别是在航空航天电子系统中,由于收、发设备是由于收、发设备是装在不同的运载体上装在不同的运载体上,二者之间存在相对运动二者之间存在相对运动,必然产必然产生生多普勒效应多普勒效应,因此引入随机频差。因此引入随机频差。概概 述述 第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM3 传送信息的载波信号含有三个基本参数，即振幅、频率传送信息的载波信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制。和相位。反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制。自动增益

3、控制（自动增益控制（AGCAGC）自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）自动相位控制（自动相位控制（APCAPC）其中自动相位控制电路又称为其中自动相位控制电路又称为锁相环路（锁相环路（PLLPLL）,是应是应用最广的一种反馈控制电路。用最广的一种反馈控制电路。通信系统反馈控制电路种类通信系统反馈控制电路种类第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM4 反馈控制电路的组成如图所示反馈控制电路的组成如图所示 由由比较器比较器、控制信号发生器控制信号发生器、可控器件可控器件和和反馈网络反馈网络四四部分组成一个负反馈闭合环路。部分组成

4、一个负反馈闭合环路。比较器控制信号发生器参考信号ur(t)误差信号ue(t)可控器件控制信号uc(t)反馈网络反馈信号uf(t)输入信号ui(t)输出信号uo(t)第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM5高频放大器至解调器混频器中频放大器直流放大器AGC检波器ur具有具有AGCAGC电路的接收机组成框图电路的接收机组成框图AGCAGC的目的的目的 当输入信号电压当输入信号电压变化很大变化很大时，保持接收机输出电压恒时，保持接收机输出电压恒定或定或基本不变基本不变。8.1 8.1 自动增益控制电路自动增益控制电路第8章 反馈控制电

5、路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM6 自动频率控制自动频率控制（AFC）电路由电路由频率比较器频率比较器、低通滤波器低通滤波器和和可控频率器件可控频率器件三部分组成，如图所示。三部分组成，如图所示。8.2 8.2 自动频率控制电路自动频率控制电路第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM7 当当f0=fr（标称频率）时，鉴频器输出（标称频率）时，鉴频器输出uc=0，压控振荡器振荡，压控振荡器振荡频率频率不变不变；锁定状态的锁定状态的f 称为稳态频率误差（称为稳态频率误差（剩余频率误

6、差剩余频率误差）。）。当当f0 fr 时，鉴频器就有误差电压时，鉴频器就有误差电压ue输出，经过输出，经过LP得到得到uc，uc控控制制VCO的振荡频率，使的振荡频率，使VCO的频率的频率f0发生变化。发生变化。变化的结果使频率误差变化的结果使频率误差|f0-fr|减小到一定值减小到一定值f，自动控制过程，自动控制过程即停止，即停止，VCO即稳定于即稳定于f0=fr f 的频率上，环路进入锁定状态。的频率上，环路进入锁定状态。第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM88.3 8.3 锁相环的基本原理锁相环的基本原理新版：第4.2节

7、 锁相环也是以锁相环也是以消除频率误差为目的消除频率误差为目的的反馈控制电路，的反馈控制电路，但是它是但是它是利用相位误差去消除频率误差利用相位误差去消除频率误差，因此当电路达到，因此当电路达到平衡状态后，尽管存在平衡状态后，尽管存在剩余相位误差存在剩余相位误差存在，但频率误差可，但频率误差可以降低到零，从而以降低到零，从而实现无频率误差实现无频率误差的频率跟踪和相位跟的频率跟踪和相位跟踪。踪。AFC AFC电路是以电路是以消除频率误差为目的消除频率误差为目的的反馈控制电路，基的反馈控制电路，基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路

8、达到平衡状态后，必然达到平衡状态后，必然会有剩余频率误差存在会有剩余频率误差存在，即频率误，即频率误差不可能为零。差不可能为零。这是这是AFCAFC的固有缺点。的固有缺点。第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM9 锁相环是一个锁相环是一个相位负反馈控制相位负反馈控制系统。它由三个基本部系统。它由三个基本部件组成。件组成。鉴鉴 相相 器器(PD):产生误差电压产生误差电压 Ud(t)环路滤波器环路滤波器(LF):产生控制电压产生控制电压 Uc(t)电压控制振荡器电压控制振荡器(VCO):输出瞬时频率输出瞬时频率 v当vr时，(t)

9、Ud(t)Uc(t)v，直到直到 (t)=，v=r，环路锁定。，环路锁定。参 考 信 号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输 出 信 号vr0第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM10举例说明举例说明 （以一阶锁相环为例）（以一阶锁相环为例）未锁定未锁定锁定锁定 可见，环路锁定过程中可见，环路锁定过程中 e(t)是从是从 02周期的变化，周期的变化，若干周期后使若干周期后使 e=e，则环路被锁定。，则环路被锁定。ee()t0i环路锁定的充分必要条件环路锁定的充分必要条件第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三

10、讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM11 各种反馈控制电路，由于它们均是利用误差产生控制各种反馈控制电路，由于它们均是利用误差产生控制电压，去控制受控对象，当电路达到动态平衡以后，必然电压，去控制受控对象，当电路达到动态平衡以后，必然存在一定的误差存在一定的误差称之为称之为稳态误差稳态误差。AGC：电平误差电平误差A(U)AFC：频率误差频率误差f APC（PLL）:相位误差相位误差 结论结论：PLL也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，它与也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，它与AFC电路的区别在于可以实现电路的区别在于可以实现无误差的频率跟踪，即无误差的频率跟踪，

11、即fv=fr 而其它频率控制系统总是会存在频率差。而其它频率控制系统总是会存在频率差。Demo:the Phenomenon of PLL in the Fourth Experiment.第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM12调制信号参数：直流分量调制信号参数：直流分量V0=V，交流分量：，交流分量：1Vp-p，1KHz 调频信号参数：中心频率调频信号参数：中心频率fc=KHz，最大频偏最大频偏fm=KHz调制信号正弦波波形调制信号正弦波波形(信元信元)调频信号调频信号FM波形波形(三角波三角波)调频信号调频信号FM波形波

12、形(方波方波)锁相环中鉴相器锁相环中鉴相器“A”端波形端波形(失锁状态失锁状态)(锁定状态锁定状态)锁相环中锁相环中“B”端波形（信宿）端波形（信宿）(失锁状态失锁状态)(锁定状态锁定状态)第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM13当两个输入信号均为大信号时，当两个输入信号均为大信号时，当当=0时，相乘后的波形时，相乘后的波形为上、下等宽的双向脉冲，且为上、下等宽的双向脉冲，且频率加倍，因而相应的平均分频率加倍，因而相应的平均分量为零量为零u0=0。符合门鉴相器符合门鉴相器)()2(220tktAkucc新版第新版第4.2.1旧

13、版第旧版第7.5.3第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM1402021()2oMcMMtAd tAAd td td t 当当0，相乘后的波形为相乘后的波形为上、下不等宽的双向脉冲，因而上、下不等宽的双向脉冲，因而在在|/2的范围内，经过低的范围内，经过低通滤波器，取出的平均分量（即通滤波器，取出的平均分量（即解调输出）为解调输出）为 第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM15三角形鉴相特性三角形鉴相特性 相应的鉴相特性曲线如图所示，在相应的鉴相特性曲线如图所示，

14、在|/2范围内范围内为一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。为一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。2()MoAt 这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所需的鉴相电压，因而又将它称为符合门鉴相器。需的鉴相电压，因而又将它称为符合门鉴相器。第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM16锁相环工作过程的定性分析锁相环工作过程的定性分析 要严格求解锁相环路的各项性能指标，如要严格求解锁相环路的各项性能指标，如锁定、跟踪、锁定、跟踪、捕获、失锁捕获、失锁等往往是很困难的。等往往是很困难的

15、。下面对锁相环的工作过程进行定性分析。下面对锁相环的工作过程进行定性分析。物理意义：环路闭合后的任何时刻，物理意义：环路闭合后的任何时刻，瞬时频差瞬时频差 =固有频差固有频差 控制频差控制频差 =0 0 v v即：即：r r v v =(=(r r 0 0)(v v 0 0)第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM17（1 1）瞬时频差）瞬时频差 (Instantaneous Frequency Difference)表示表示VCOVCO振荡角频率振荡角频率 v偏离参考角频率偏离参考角频率 r的数值。的数值。（3 3）控制频差）控

16、制频差(Controlled Frequency Difference)表示表示VCOVCO在控制电压在控制电压Uc(t)的作用下产生的振荡角频的作用下产生的振荡角频率率 v偏离偏离VCOVCO自由振荡角频率自由振荡角频率 0的数值。的数值。（2 2）固有频差）固有频差(Original Frequency Difference)或或 初始频差初始频差 （Initial Frequency Difference）表示表示VCOVCO自由振荡角频率自由振荡角频率 0偏离参考角频率偏离参考角频率 r的数值。的数值。第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路11/14/2023 5:10 PM181.1.同步带同步带 H 能够维持环路锁定的最大频差能够维持环路锁定的最大频差|m|称为环路同步带称为环路同步带，记作，记作 H。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于对于 o也是对称的。也是对称的。2.2.捕获带捕获带 p 设锁相环路处于失锁状态，改变设锁相环路处于失锁状态，改变 r使固有频差使固有频差|o|减减少，