Pg电子游戏平台：第六章反馈控制电路
免费在线 基本环路方程 二、压控振荡器（VCO） 其作用是产生频率随控制电压变化的振荡电压。 压控特性 o uc wo- wr uc(t) jo(t) Ao p 电路模型 第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日 ?o= ?r +Aouc(t) uc(t) jo(t) Ao p 第三十页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 三、环路低通滤波器（LPF） 其作用是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以保证环路所要求的性能，提高环路的稳定性。 环路低通滤波器 ud(t) uc(t) 第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日 环路低通滤波器 ud(t) uc(t) 第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日 uc(t)=AF(p)ud(t) 环路低通滤波器 ud(t) uc(t) 第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 四、锁相环模型及其环路方程 ji(t) je(t) jo(t) jo(t) Adsin[] AF(p) ud(t) uc(t) Ao/p 第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 是VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值，称为瞬时角频差 表示输入信号角频率偏离?r的数值，称为输入固有角频差。 ，称为控制角频差； 表示VCO在 的作用下产生振荡角频率偏离?r的数值 ，即为 第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 控制角频差 输入固有角频差 瞬时角频差 引论：环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之和恒等于输入固有角频率。 第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 输入Dwi(t)= Dwi为常数 第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 A?0=Ad Ao AF(0)为环路直流总增益 锁相环路的同步带（跟踪带）DwL =± A?0 引论：增大环路直流总增益能增大锁相环路的同步带。 第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 1、锁相环路未加输入信号，VCO无控制信号，振荡角频率为wr 2、 锁相环路加输入信号， Dwi=wi-wr 鉴相器输出角频率为D?i的正弦控制电压 由于环路方程为非线性微分方程，定量求解困难，仅进行定性分析 第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 (1)、锁相环路加输入信号，Dwi=wi-wr很大，远大于环路滤波器的通频带，鉴相器输出的电压不能通过环路滤波器VCO无控制信号，振荡角频率为wr (2)、锁相环路加输入信号，Dwi=wi-wr很小，小于环路同步带，环路能够很快锁定，鉴相器输出一个与je?相对应的直流电压维持环路锁定，振荡角频率为wi (3)、锁相环路加输入信号，Dwi=wi-wr的大小介于(1)和(2)之间， Dwi较大。 (4)、锁相环路加输入信号，Dwi=wi-wr的大小介于(1)和(2)之间， Dwi比(3)大。 第四十页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 环路由失锁很快进入锁定的过程称为快捕过程，能够锁定的最大 Dwi 称为快捕带，用Dwc表示。 (3)、 Dwi较大，大于环路滤波器的通频带，鉴相器输出的差拍电压经环路滤波后衰减较大，但uc能控制VCO使其振荡频率wo摆到wi上，环路能够锁定。 Dwc ? A?(Dwc)=Ad A0 AF(Dwc) 例题 第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 采用简单RC滤波器，若 Dwc1/? Dwc ? A?(Dwc)=Ad Ao AF(Dwc)? Ad Ao 第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 (4)、 Dwi较大，大大于环路滤波器的通频带，鉴相器输出的差拍电压经环路滤波后衰减较大，uc不能控制VCO使其振荡频率wo摆到wi上，在wr上下摆动，环路不能够很快锁定。 捕捉过程图 第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日 Dw=wi-w较小 Dw=wi-w较大 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 t wr wi t je(t) p 2p o t wo(t) o ud(t) ud(t)=Adsin je(t) 波形上下不对称 第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.2 锁相环路捕捉过程的定性分析 捕捉过程中ud(t)的波形 ud(t) Ad -Ad t Adsinje? 第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日 锁相环路闭环传递函数 跟踪过程je一般很小， ud(t)=Adsinje(t)?Adje(t) 零初始条件下的复频域方程： 6.2.3 锁相环路的跟踪特性 环路方程简化为线性微分方程： 第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日 锁相环路开环传递函数 6.2.3 锁相环路的跟踪特性 锁相环路闭环传递函数 锁相环路误差传递函数 第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.3 锁相环路的跟踪特性 开环传递函数 例题：采用简单RC滤波器的锁相环路的三种函数 误差传递函数 闭环传递函数 第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.3 锁相环路的跟踪特性 一、瞬态响应及稳态相位误差 瞬态响应 稳态相位误差 第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.3 锁相环路的跟踪特性 例题：采用简单RC滤波器的锁相环路的瞬态响应及稳态相位误差 误差传递函数 t=0时，输入信号频率发生Dwi的变化，则：ji(t)=Dwit 第五十页，共七十一页，2022年，8月28日 第一页，共七十一页，2022年，8月28日 6-1 概述 在各种通信、雷达等电子系统中，广泛地采用各种类型的反馈控制电路。 反馈控制器 (误差元件) 对象 (执行元件) 参考信号 Xi 误差信号 Xe 输出信号 Xo 图 6-1-1 反馈控制电路基本组成框图 第二页，共七十一页，2022年，8月28日 反馈控制电路的组成如图6-1-1所示。反馈控制电路主要由误差元件和执行元件两部分组成，误差元件将实际输出信号与参考信号进行比较，产生一误差信号输出；执行元件受误差信号控制，调节输出信号使之与参考信号接近或达到预定数值。由于电路为一闭环系统，所以，反馈控制电路亦称闭环自动调节系统。 6-1 概述 反馈控制器 (误差元件) 对象 (执行元件) 参考信号 Xi 误差信号 Xe 输出信号 Xo 第三页，共七十一页，2022年，8月28日 6-1 概述 根据比较和调节的量不同，反馈控制电路可分为三大类： 1. 自动电平控制电路 (Automatic Level Control—ALC)。 2. 自动频率控制电路 (Automatic Frequency Control— AFC)。 3. 自动相位控制电路 (Automatic Phase Control— APC)。 第四页，共七十一页，2022年，8月28日 自动电平控制电路(ALC)。需要比较的量为电压或电流，误差元件多为电压比较器，执行元件一般为可控增益放大器，通过改变放大器的增益来稳定放大器的输出。作用是使放大器的输出信号幅度稳定。自动增益控制电路又称自动电平控制电路。 自动频率控制电路(AFC)。需要比较的量为频率，误差元件多为鉴频器，执行元件一般为受控振荡器，通过改变振荡器电抗参数来稳定振荡器输出信号的频率。作用是使振荡器输出信号的频率稳定。AFC电路是一种有频率误差控制电路。 第五页，共七十一页，2022年，8月28日 自动相位控制电路(APC)。需要比较的量为相位，误差元件多为鉴相器，执行元件也是受控振荡器，通过改变振荡器电抗参数来锁定振荡器输出信号的相位。作用是使振荡器输出信号的相位稳定。APC电路可以实现无频率误差跟踪。自动相位控制电路又称锁相环路(PLL)，是一种应用很广的反馈控制电路，利用锁相环路可以实现许多功能，例如实现无误差频率跟踪、频率合成器等。 第六页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.1 自动电平控制电路(ALC) 自动电平控制电路基本功能是稳定电子设备的输出电平。 问题1：对于无线电接收机而言，接收的信号有什么特点？ 问题2：如果接收机的增益不变，接收机出现什么现象？ 解答1：由于各种原因，接收的信号起伏变化较大，信号幅度变化可达几十分贝。 解答2：如果接收机的增益不变，那么，输出信号的幅度也将以同样的比例随输入信号变化，强信号时可能使接收机过载而导致阻塞，弱信号时又可能丢失信号。 第七页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.1 自动电平控制电路(ALC) 一、工作原理 第八页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.1 自动电平控制电路(ALC) 预定关系：Uom=Kur K为待定常数 ue=Ar(u+- u-), ue=0, u+= u-=A1?dUom= ur A1?d=1/K Uom= A2(0) Uim Uim一定 ue o -Arur Kur Uom Uom0 Uom? ue? A 第九页，共七十一页，2022年，8月28日 可控增益放大器输出的某一幅度所需的控制电压恰好等于由该输出电压幅度通过反馈控制电路后产生的控制电压，环路才稳定下来。环路达到稳定状态称为环路锁定。 平衡关系为： ue?＝Ar(Uom?hdA1－ur) 第十页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.1 自动电平控制电路(ALC) 二、应用举例 直流放大器 第十一页，共七十一页，2022年，8月28日 直流放大器 二、应用举例 天线感应信号强度为：Uim(Uimmin~ Uimmax) 检波前各级总增益为：A(ue)(Amin~ Amax) 检波后输出信号强度为：Uom(Uommin~ Uommax) 则：Uommin= Amax Uimmin Uommax= Amin Uimmax 增益控制倍数 变化压缩倍数 第十二页，共七十一页，2022年，8月28日 第十三页，共七十一页，2022年，8月28日 已调波功率放大器 包络 检波器 比较 放大器 包络 检波器 放大 和滤波 已调波线性 功率放大器 已调波输入 u+ u- 已调波 输出 第十四页，共七十一页，2022年，8月28日 6-1-1 自动电平控制电路(ALC) 第十五页，共七十一页，2022年，8月28日 为了得到如图所示的总增益随输入信号变化曲线，ALC电路应按中放Ⅰ、Ⅱ级到高放级方向依次起控，即当输入信号强度Uim小于某一定值Ux1时，ALC电路不起作用；当UimUx1时，ALC电路先对中放进行增益控制，高放增益不变；当UimUx2(Ux1)时，中放增益不再降低，ALC电路对高放起控，使其增益降低，这是第二次延迟。采用这种两次延迟的ALC电路的原因在于信号较小时，保持高放级有最大增益，使高放级输出信噪比不致降低，有利于降低接收机的总噪声系数，提高接收机的灵敏度。 第十六页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.2 自动频率控制电路(AFC) 自动频率控制(Automatic Frequency Control)电路，是无线电设备中又一常用的反馈控制电路，广泛应用于无线电发射设备和接收设备，其基本功能是自动调整无线电设备中振荡器的振荡频率。 一、工作原理 第十七页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.2 自动频率控制电路(AFC) 一、工作原理 压控特性 o uc w0-wr 鉴频特性 ud we-we0 第十八页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.2 自动频率控制电路(AFC) 一、工作原理 压控特性 o uc Dwe Dwe0 ud Dwe Dwe0 Dwe? M uc 第十九页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.2 自动频率控制电路(AFC) 一、工作原理 ud Dwe Dwe0 Dwe? M0 uc Dwe01 M N P Dwe02 M I P 同步带 Dwe03 M II N 捕捉带 第二十页，共七十一页，2022年，8月28日 6.1.2 自动频率控制电路(AFC) 二、应用举例 1. 采用AFC电路的调幅接收机 第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日 2.调频负反馈解调器 第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日 3.扫频信号发生器 固定频率 振荡器 混频器 扫频 振荡器 宽带 放大器 比较 放大器 鉴频器 uI(t) 扫频信号输出 第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日 6-1-3 自动相位控制电路(锁相环路) 自动相位控制(Automatic Phase Control)电路，又称APC环路或锁相环路(PLL),其基本功能除了自动调整无线电设备中振荡器振荡信号的相位与参考信号的相位一致，具有稳频作用外，还能完成频率信号的加、减、乘、除等运算，可以用一块晶体产生大量高稳定度和高精确度的离散频率信号，实现窄带滤波。 ui(t) ?i 锁相环路的组成框图 压控振荡器 VCO(Ao) 环路滤波器 LPF(AF) 鉴相器 PD(Ad) uo(t) ?o 反馈控制器 对象 第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日 6-1 思考题 6-1 无线电接收机为什么要设ALC电路？ 6-2 为什么要在调幅接收机中采用AFC电路？ 6-3 AFC与APC的工作原理有何异同点？ 第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2 锁相环路的性能分析 若因某种因素(如温度、开启电源等变化)使压控振荡器的振荡频率fo偏离输入频率fi，这时输入到鉴相器的电压ui(t)和uo(t)之间势必产生相位误差，鉴相器将输出一个与相位误差成比例的误差电压ue(t)，经环路滤波器后输出的误差控制电压uc(t)控制压控振荡器输出信号的频率和相位，使得ui(t)和uo(t)之间的相位误差减小，直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率，相位误差等于常数，锁相环路进入锁定状态为止。APC电路是一种无误差的频率跟踪系统(存在相位误差)。 6.2.1 基本环路方程 第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日 图6-1-11 用旋转矢量说明锁相环路的控制过程 Ui Uo wi wo jo(t) ji(t) 环路失锁情况wowi Ui Uo wi wo =wi j0(t) 环路锁情况wo=wi 第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日 6.2.1 基本环路方程 一、鉴相器 ud(t)=Adsin?e(t) ?e(t)= ?i(t)- ?o(t) 其作用是检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，产生相应的输出电压ud(t)。 uo(t) ui(t) 鉴相器 鉴相器的电路模型 ud(t) (a) 鉴相器 Adsin[ ] (b)电路模型 ?i(t) ?o(t) ?e(t) ud(t) 第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日
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