电子线路非线性部分(第四版)谢嘉奎 第6章反馈控制电路ppt课件.ppt

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1、第 6 章反馈控制电路,6.1反馈控制电路概述,6.2锁相环路性能分析,6.3集成锁相环及其应用,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：xo=g(xi),反馈控制器：比较 xo、xi 产生误差量 xe。,对象：根据 xe 对 xo 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

2、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：vi=Vimcos t,输出信号：vo=Vomcos t,自动电平控制电路,输入量 xi 为 vr，输出量 xo 为 Vom。,预定关系：Vom=Kvr,K 特定常数,误差电压：,满足预定关系时：ve=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,ve=0，Vom=Kvr,Vom(Vim 增大或 A(0)变化)增大到 Vom0，使误差电压增大，Vom0 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。,AI、Ar 越大

3、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Vom 的直流，经直流放大器产生误差电压 ve，控制放大器的增益，使输出信号的载波振幅 Vom 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 vr 与输出检出的 v+相比较，输出误差电压 ve，调整功率放大器的增益，从而

4、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：,vi(t)的角频率 i,环路的输出量：,vo(t)的角频率 o,预定关系：o-i=e0,e vd vc 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 vc放大器,VCO 可控频率电路 转换特性 vc 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

5、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 613用旋转矢量说明锁相环路的控制过程

6、(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 621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 vd(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 621鉴相器的电

7、路模型,即vo(t)=Vom cosrt+o(t)+,一般取,(a)图 621鉴相器的电路模型,即vo(t)=Vom sinrt+o(t),鉴相器输出的平均电压 vd(t)=Ad sine(t),Ad 鉴相器最大输出电压 e(t)=i(t)-o(t),电路模型,(b)图 621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 622VCO 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=Aovc(t),Ao 压控灵敏度，vc=0处的斜率，单位 rad/s V,根据,可得,或,用微分算子 p=d/

8、dt 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 623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 623环路低通滤波器(b)无源比例积分滤波器,传递函数,式中，1=R1C，2=R2C。,3有源比例积分滤波器,图 623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=R1C，2=R2C,以微分算子 p 替换 s，得微分方程,vc(t)=AF(p)vd(t),电路模型,四、基本环路方程,基本回路方

9、程,或,pe(t)+AdAoAF(p)sine(t)=pi(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,AdAoAF(0)sine=i,式中，AF(0)为低通滤波器的直流增益。,所以,式中，A0=AdAoAF(0)为环路直流总增益。,i A0，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=A0,在 VCO 的最大频率控制范围内，若增大同步带，必须提高

10、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，vd(t)=Adsin it,如果 I 很大，vd(t)被低通滤波器衰减，环路失锁。,如果 I 很小，vd(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。,1I 较大，超过环路滤波器的通频带,vd(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 AdAoAF(c),2I 比第一种情况

11、大,vd(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 r，i-o 增大，e(t)随时间增长变快。,vd(t)变为不对称波形，经低通滤波器输出直流电压 VD，使 o 的平均值由 r 上升为 r(av)，r 上升，e(t)随时间增长变的更慢，不对称加大，VD 上升，o 进一步靠近 r，当 o 摆动到 I，并符合正确的相位关系，环路锁定。,o 的平均值逐渐靠近 I 的过程称为频率牵引。,Ad 和 Ao 的数值越大，捕捉带越大，环路滤波器通频带越宽，捕捉带越大。,6.2.3跟踪特性,环路在锁定状态下，由于某种原因使环路偏离锁定

12、，通过自身调节重新维持锁定的过程称为跟踪过程。,跟踪过程中 e 很小，环路近似为线性系统。,vd(t)=Adsine(t)Ade(t),环路基本方程,pe(t)+AdAoAF(p)e(t)=pe(t),或,se(s)+AdAoAF(s)e(s)=si(s),e(s)=i(s)-o(s),开环传递函数 Ho(s),闭环传递函数 H(s),误差传递函数 He(s),一、瞬态响应及稳态相位误差,根据线性系统理论,相位误差的瞬态响应：e(t)=L-1e(s)=L-1He(s)i(s),稳态相位误差：,例：若采用简单 RC 滤波器，输入信号频率阶跃变化，求其相位误差的瞬态响应和稳态相位误差。,相位误差的

13、瞬态响应,稳态相位误差：,提高环路直流总增益 AdAo 可以减小 e，但由于 也相应减小，恢复锁定时间拉长，且会出现振荡。,二、正弦稳态响应,锁相环路的正弦稳态响应是指输入相位为正弦信号时环路的输出响应。,输入相位：i(t)=imsin(t+i),输出相位：o(t)=omsin(t+o),频率特性：,根据频率特性可以作出环路的波特图，求上限频率和判断其稳定性。,例：采用简单 RC 滤波器时,环路的闭环传递函数,幅频特性,幅频特性曲线,具有低通滤波特性，形状与 的大小有关。,上限截止角频率,第 6 章反馈控制电路,6.3集成锁相环及其应用,6.3.1集成锁相环路,6.3.2锁相环在解调和锁相接收

14、机中的应用,6.3.3锁相环在频率合成器中的应用,6.3.1集成锁相环路,按电路结构可分为：,模拟锁相环,数字锁相环(数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器),按用途可分为：,通用型(鉴相器、VCO 等),专用型(调频接收机、电视机、通信、仪器、电动机速度控制等),一、典型的集成模拟锁相环,1SL565,工作频率低于 1 MHz，可用作 FSK 解调、单音解码、宽带 FM 解调、倍频和分频等。,鉴相器：双平衡模拟相乘器，可外部偏置。,VCO：积分-施密特电路，VCO 输出方波。,外接电容 C 和电阻 R 决定固有振荡角频率。,低通滤波器：端外接电容和内部电路构成。,2L562,工作频率最高 30

15、MHz，可用作 FM 解调、频率合成、数据同步、信号提取、跟踪滤波、FSK 接收等。,鉴相器：双平衡模拟相乘器。,VCO：射极耦合多谐振荡器，外接电容 C 决定固有振荡角频率。,低通滤波器：13 和 14 端外接 RC 和内部电路构成。,限幅器：同步带调节,3NE564,工作频率最高 50 MHz，可用作调制解调、FSKM解码、频率合成等。,鉴相器：双平衡模拟相乘器。,VCO：射极耦合多谐振荡器，外接电容 C 决定固有振荡角频率。,低通滤波器：和 端外接电容和内部电路构成。,限幅器：差分电路，接收 FM 和 PSK 信号时，抑制寄生调幅。,直流恢复电路：14 端外接大的滤波电容，输出稳定直流电

16、压，锁定时，输出电压正比于输出频率与 VCO 固有频率之差。,施密特触发器：用作 FSK 解调。,二、L562 内部电路,T1 T9 双差分乘积型鉴相器,T17 T29 射极耦合多谐振荡器,T14 放大器 A1,T15 跟随器 A2,T30 T33 放大器A3,T35 T42 稳压电路,6.3.2锁相环在解调和锁相接收机中的应用,一、锁相解调电路,1调频波锁相解调电路,锁相解调电路的门限电平比普通鉴频器低。,实现不失真解调应满足：,环路的捕捉带 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

17、性的,设输入调频波为单音调制,i(t)=mcos 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

18、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=Ni,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 L，取 o=L-I,锁相混频电路特别适宜于 L 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 fi 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：AN 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,Ni=(P+1)A+P(N-A)=PN+A,输出频率,fo=Nt fi=(PN+A)fi,2多环频率合成器,以三环频率合成器为例,fi=100 kHz,300 NA 399,351 NB 397,输出频率范围 35.40 40.00 MHz 频率间隔 1 kHz,因为 fa=NA fi，fB=Nb fi 混频器输出频率(fo-fB),所以,当 NA=399，NB=397,fo=40 099 kHz,当 NA=300，NB=351,fo=35 400 kHz,3MC145 系列集成频率合成器件,MC145152 与双模分频器 MC3393P 及低通滤波器、VCO 构成吞脉冲频率合成器。,