电子线路非线性部分谢嘉奎第6章反馈控制电路.ppt

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,2020年5月29日星期五,#,10 十一月 2026,电子线路非线性部分谢嘉奎第6章反馈控制电路,第 6 章反馈控制电路,6.1,反馈控制电路概述,6.1.1,自动电平控制电路,6.1.2,自动频率控制电路,6.1.3,自动相位控制电路(锁相环路),为了提高通信系统和电子设备的性能指标或实现某些特定要求，必须采用各种反馈控制电路。,反馈控制电路的预定关系：,x,o,=,g,(,x,i,),反馈控制器：比较,x,o,、,x,i,产生误差量,x,e,。,对象：根据,x,e,对,x,o,调解，稳定时接近预定关系。,反馈控制电路是一种有误差的控制电路。,根据控制对象参数不同反馈控制电路分为以下三类：,自动电平控制电路,自动频率控制电路,自动相位控制电路,6.1.1,自动电平控制电路,一、工作原理,对象为可控增益放大器，其,输入信号：,v,i,=,V,im,cos,t,输出信号：,v,o,=,V,om,cos,t,增益：,受误差电压控制。,自动电平控制电路,输入量,x,i,为,v,r,，输出量,x,o,为,V,om,。,预定关系：,V,om,=,Kv,r,K,特定常数,误差电压：,满足预定关系时：,v,e,=,0,调节过程：,增益控制特性，,反馈控制器的比较特性。,满足预定关系,v,e,=,0,，,V,om,=,Kv,r,V,om,(,V,im,增大或,A,(0),变化)增大到,V,om0,，,使误差电压增大，,V,om0,调整为,V,om,，振幅减小，误差电压减小，再,调整使振幅变为,V,om,，反复循环直到达到,A,点，进入,稳定状态。,A,I,、,A,r,越大剩余幅差越小。,二、应用,1,自动增益控制电路,(,AGC,),自动增益控制电路的作用：当输出信号电压变化很大时，保持输出电压几乎不变。,调幅接收机加入 AGC 电路是为了接收机输出的信号稳定，避免声音忽强忽弱。,高放、混频、中放构成的可控增益放大器。,AGC,检波器输出正比于中放输出的调幅波的载波振幅,V,om,的直流，经直流放大器产生误差电压,v,e,，控制放大器的,增益，使输出信号的载波振幅,V,om,稳定。,2,已调波功率放大器,已调波功率放大器电路加入自动电平控制电路是为了减小非线性失真，实现良好的线性放大。,根据输入信号检出的,v,r,与输出检出的,v,+,相比较，输出误差电压,v,e,，调整功率放大器的增益，从而有效地减小非线性失真。,6.1.2,自动频率控制电路,一、工作原理,自动频率控制电路的主要作用是自动调整振荡器的频,率。,环路的输入量：,v,i,(,t,),的角频率,i,环路的输出量：,v,o,(,t,),的角频率,o,预定关系：,o,-,i,=,e0,e,v,d,v,c,o,反复循环后，环路锁定。,VCO,不稳定引起的较大角频差,e0,，减小到,e,。,限幅鉴频器,频率比较器 转换特性,e,v,c,放大器,VCO,可控频率电路 转换特性,v,c,e,混频器,(,a,),o,=,e0,，,(,b,),M,锁定时的平衡点，剩余角频差,(,c,),M,、,P,稳定平衡点，但,P,点环路已失去调解作用。,N,不稳定平衡点。,同步带：,H,=,e02,捕捉带：,p,=,e03,二、应用,1,自动频率微调电路,采用微调电路的调幅接收机，中频放大器的带宽可以减,小，有利于提高接收机的灵敏度和选择性。,2,调频负反馈解调器,与普通限幅鉴频器相比，调频负反馈解调器的突出优点,是解调门限低。,3,线性扫频电路,采用自动频率,控制电路的扫频信,号发生器能减小扫,频信号的失真。,6.1.3,自动相位控制电路(锁相环路),与自动频率控制电路一样，锁相环路,(,PLL,)也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，而且跟踪是无误差的，即,VCO,输出信号频率恒等于,输入信号频率。,一、组成框图,二、控制过程,o,(,o,i,),o,(,t,),-,i,(,t,),调整,VCO,o,=,i,环路锁定，保持固有相差,o,。,图 6,1,3用旋转矢量说明锁相环路的控制过程,(,a,)失锁(,0,i,)(,b,)锁定(,0,=,i,),以上讨论了三种反馈控制电路，它们的区别在输入和输,出所取得参量不同，因而反馈控制器和对象也就不同，但都,是自动调节系统，具有相同的调解过程，可以采用相同的分,析方法。,第 6 章反馈控制电路,6.2锁相环路性能分析,6.2.1,基本环路方程,6.2.2,捕捉过程的定性讨论,6.2.3,跟踪特性,分析环路锁定的动态过程及其性能特点。,6.2.1,基本环路方程,(,a,),图 6,2,1鉴相器的电路模型,一、鉴相器,作用：比较两个输入电压之间的相位差，产生相应的输出电压,v,d,(,t,),。,设,r,为参考角频率。,r,VCO,未加控制电压时的固有振荡角频率。,(,a,),图 6,2,1鉴相器的电路模型,即,v,o,(,t,)=,V,om,cos,r,t,+,o,(,t,)+,一般取,(,a,),图 6,2,1鉴相器的电路模型,即,v,o,(,t,)=,V,om,sin,r,t,+,o,(,t,),鉴相器输出的平均电压,v,d,(,t,)=,A,d,sin,e,(,t,),A,d,鉴相器最大输出电压,e,(,t,)=,i,(,t,),-,o,(,t,),电路模型,(,b,),图 6,2,1鉴相器的电路模型,二、压控振荡器,(,VCO,),压控振荡器是振荡频率随控制电压变化的振荡器，是环路中固有的积分环节。,特性曲线,(,a,),图 6,2,2VCO 的电路模型,在有限的控制电压范围内，用线性方程近似表示,o,-,r,=,A,o,v,c,(,t,),A,o,压控灵敏度，,v,c,=0,处的斜率，单位,rad/s,V,(,a,),图 6,2,2VCO 的电路模型,o,-,r,=,A,o,v,c,(,t,),根据,可得,或,用微分算子,p,=d/d,t,表示,电路模型,三、环路低通滤波器,作用：滤除鉴相器输出电流中的无用组合分量及其干扰分量，以达到环路要求的性能，并保证环路的稳定性。,1,简单,RC,滤波器,图 6,2,3环路低通滤波器,(,a,)简单,RC,滤波器,传递函数,式中，,=,RC,。,2,无源比例积分滤波器,图 6,2,3环路低通滤波器,(,b,)无源比例积分滤波器,传递函数,式中，,1,=,R,1,C,，,2,=,R,2,C,。,3,有源比例积分滤波器,图 6,2,3环路低通滤波器,(,c,)无源比例积分滤波器,传递函数,集成运放满足理想化条件时,式中，,1,=,R,1,C,，,2,=,R,2,C,以微分算子,p,替换,s,，得微分方程,v,c,(,t,)=,A,F,(,p,),v,d,(,t,),电路模型,四、基本环路方程,基本回路方程,或,p,e,(,t,)+,A,d,A,o,A,F,(,p,)sin,e,(,t,)=,p,i,(,t,),瞬时角频差,e,(,t,),控制角频差,o,(,t,),固有角频差,i,(,t,),根据回路方程，回路闭合后的任何时刻,e,(,t,)+,o,(,t,)=,i,(,t,),若输入固有角频差,i,(,t,)=,i,环路锁定时,即,i,=,o,，,e,(,t,),为固定值，以,e,表示，称为稳态相位误差。,据回路方程有,A,d,A,o,A,F,(0)sin,e,=,i,式中，,A,F,(0),为低通滤波器的直流增益。,所以,式中，,A,0,=,A,d,A,o,A,F,(0),为环路直流总增益。,i,A,0,，无解，环路失锁。,环路能锁定的最大输入固有频差,I,，称为同步带以,L,表示,L,=,A,0,在,VCO,的最大频率控制范围内，若增大同步带，必须提高直流总增益。,6.2.2,捕捉过程的定性讨论,捕捉过程就是环路从失锁状态进入锁定状态的过程。,无信号输入时，,VCO,振荡角频率为,r,。,加入输入信号，固有角频差,i,=,i,-,r,。,瞬时相差，,鉴相器输出电压，,v,d,(,t,)=,A,d,sin,i,t,如果,I,很大，,v,d,(,t,),被低通滤波器衰减，环路失锁。,如果,I,很小，,v,d,(,t,),通过低通滤波器，环路锁定。,若,I,处于两者之间，分两种情况讨论。,1,I,较大，超过环路滤波器的通频带,v,d,(,t,)虽然受到较大衰减，但仍可以使 VCO 振荡频率摆到,i,，环路很快锁定。称为快捕过程。,快捕带：能够锁定的最大,|,i,|,，以,c,表示,c,A,d,A,o,A,F,(,c,),2,I,比第一种情况大,v,d,(,t,),受到很大衰减，不能使,VCO,振荡频率摆到,I,。捕捉过程如下：,o,r,，,i,-,o,减小，,e,(,t,),随时间增长变慢。,o,调频波的最大频偏,环路的带宽,调制信号的频谱宽度,VCO 输出为具有相同调制规律的调频波，环路滤波器输出解调输出电压。,设 VCO 的频率控制特性是线性的,设输入调频波为单音调制,i,(,t,),=,m,cos,t,解调电压的复振幅,用 L562 组成的调频波锁相解调电路,2,振幅调制信号的同步检波,锁相环路恢复载波信号，,VCO,输出电压与载波电压之间有,/2,的固定相移，经移相,/2,后送入同步检波器。同步检波可以避免一般包络检波器检波弱信号时门限电平高，检波效率低与失真大等问题。,二、锁相接收机,输入信号角频率为,I,+,d,，,d,是多卜勒频移。,环路锁定时：,I,=,r,，保证中频角频率不变。,6.3.3,锁相环在频率合成器中的应用,一、概述,频率合成技术是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。,二、锁相倍频和锁相混频电路,1,锁相倍频电路,环路的反馈通路中插入分频器。,环路锁定时,所以,o,=,N,i,2,锁相混频电路,环路的反馈通路中插入混频器和中频放大器。,混频器输出电压的角频率：|,o,-,L,|,环路锁定时：,i,=,|,o,-,L,|,所以,o,=,L,I,o,L,，取,o,=,L,+,I,o,I,的场合。,三、锁相频率合成器,1吞脉冲频率合成器,在保持频率间隔为,f,i,的前提下提高输出频率。,双模分频器：,P,和,(,P,+,1,)分频模式,主计数器：,N,辅助计数器：,A,N,A,模式控制,：,1,(,P,+1,),0,P,计数周期开始,计数周期结束,一个计数周期内的总计脉冲数,N,i,=(,P,+1),A,+,P,(,N,-,A,)=,PN,+,A,输出频率,f,o,=,N,t,f,i,=(,PN,+,A,),f,i,2,多环频率合成器,以三环频率合成器为例,f,i,=,100,kHz,300,N,A,399,351,N,B,397,输出频率范围 35.40,40.00,MHz 频率间隔 1,kHz,因为,f,a,=,N,A,f,i,，,f,B,=,N,b,f,i,混频器输出频率(,f,o,-,f,B,),所以,当,N,A,=,399,，,N,B,=,397,f,o,=,40 099,kHz,当,N,A,=,300，,N,B,=,351,f,o,=,35 400,kHz,