第十章 反饋控制電路

1、第十章反饋控制電路第一節(jié) 教學(xué)基本要求一、了解反饋控制電路的三種基本形式及工作原理二、掌握鎖相環(huán)路的系統(tǒng)組成、電路模型、環(huán)路方程和工作原理。掌握環(huán)路跟蹤特性的分析方法和結(jié)論。三、了解集成鎖相環(huán)路的電路原理及其應(yīng)用四、掌握頻率合成器的概念、電路組成、工作原理和性能指標(biāo)。五、了解DDS頻率合成器的工作原理和性能特點(diǎn)。第二節(jié) 教學(xué)主要內(nèi)容一、反饋控制電路(一)基本概念1采用反饋控制電路的目的是提高通信系統(tǒng)的技術(shù)性能，或者實(shí)現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求。2通信系統(tǒng)中常用的有自動振幅控制、自動頻率控制和自動相位控制。3反饋控制電路是由被控對象和反饋控制器兩部分組成。圖10-1反饋控制電路的組成方框圖4反饋控制

2、電路中Xo為系統(tǒng)的輸出量，XR為系統(tǒng)的輸入量，是反饋控制器的比較標(biāo)準(zhǔn)。5根據(jù)實(shí)際工作的需要，每個反饋控制電路的Xo和XR之間都具有確定的關(guān)系，例如Xo=g(XR)。若這一關(guān)系受到破壞，則反饋控制器就能夠檢測出輸出量與輸入量的關(guān)系偏離Xo=g(XR)的程度，產(chǎn)生相應(yīng)的誤差量Xe, 加到被控對象上對輸出量Xo進(jìn)行調(diào)整，使Xo與XR之間的關(guān)系接近或恢復(fù)到預(yù)定的關(guān)系Xo=g(XR)。(二)自動振幅控制電路1用途：主要用于接收機(jī)中使整機(jī)在輸入信號振幅變化時(shí)，保持輸出電壓振幅不變。2自動振幅控制電路的被控量是電壓振幅，被控制對象是可控增益放大器,在反饋控制器中必須進(jìn)行振幅比較，利用誤差量去對輸出振幅進(jìn)行調(diào)

3、整。圖10-2自動增益控制方框圖3被控對象是可控增益放大器，通常稱為自動增益控制電路。放大器的輸入量ui(不是控制環(huán)路的輸入量uR)與輸出量的關(guān)系是uo=A2(ue)ui其中，A2(ue)是可控增益放大器在誤差電壓ue控制下的放大倍數(shù)。4控制環(huán)路輸入量為uR,輸出量為uo。(三)自動頻率控制電路1用途：主要用于電子設(shè)備中保證振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定。2自動頻率控制電路的被控量是頻率，被控對象是壓控振蕩器(VCO)。在反饋控制中必須對振蕩頻率進(jìn)行比較，利用誤差量對VCO的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。圖10-3自動頻率控制方框圖3. VCO輸出電壓的頻率受uc控制。而uc是VCO的輸出頻率o與比較標(biāo)準(zhǔn)頻率R經(jīng)鑒

4、頻器比較產(chǎn)生的誤差電壓ue經(jīng)放大后得到的控制電壓。4控制環(huán)路的輸入量為R, 輸出量為o。(四)自動相位控制電路(鎖相環(huán)路)1用途：在通信系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)頻率合成、頻率跟蹤等許多功能。2.鎖相環(huán)路的被控量是相位，被控對象是壓控振蕩器(VCO)。在反饋控制器中對振蕩相位進(jìn)行比較。利用誤差量對VCO的輸出相位進(jìn)行調(diào)整。圖10-4自動相位控制方框圖3. VCO輸出電壓的相位受uc 控制。而uc是VCO的輸出電壓的相位V與環(huán)路輸入相位R經(jīng)鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓ue經(jīng)環(huán)路濾波器后得到的控制電壓。4控制環(huán)路的輸入量為R，輸出量為V。二、自動相位控制電路(鎖相環(huán)路)(一)鎖相環(huán)路的基本原理1鑒相器及其相位模型(1)

5、功能：比較輸入信號相位和VCO輸出信號的相位，其輸出電壓與兩信號的相位差成正比。(2)實(shí)現(xiàn)電路：模擬乘法器圖10-5等效鑒相器(3)鑒相特性鑒相器的輸入信號分別為uV(t)=UVmcosot+V (t) uR(t)=URmsinRt+R (t)=URmsinot+(R-o)t+R(t)=URmsinot+1(t)式中，1(t)=(R-o)t+R (t)稱為輸入信號以相位ot為參考的瞬時(shí)相位。經(jīng)相乘器，其輸出電壓 為KM uR (t)uV (t)=KMURmsinot+1(t)UVmcosot+V (t)=KMURmUVmsin2ot+1(t)+V (t)+KMURmUVmsin1(t)-V (

6、t)式中，KM為乘積系數(shù)，單位1/V。由于環(huán)路有低通濾波，起作用的是低頻分量，即ud (t)= KMURmUVmsin1(t)-V (t)=Kdsine(t)式中，Kd =KMURmUVm/2為鑒相器的最大輸出電壓。e(t)=1(t)-V (t)為鑒相器輸入信號的瞬時(shí)相差。可見，乘法器作為鑒相器的鑒相特性是正弦特性。(4)鑒相器的相位模型圖10-6鑒相器的相位模型2VCO及其相位模型(1)功能：它是一種電壓-頻率變換器，振蕩頻率V (t)受電壓uc(t)的控制。(2)VCO的頻率與電壓的關(guān)系圖10-7壓控振蕩器調(diào)頻特性在一定范圍內(nèi)，V與uc的關(guān)系可認(rèn)為是線性的，即V (t)=o+KV uc(t

7、)式中，o是uc(t)=0時(shí)，壓控振蕩器的固有振蕩頻率,KV是壓控振蕩器調(diào)頻特性的斜率。稱為壓控靈敏度(rad/sV)。(3)VCO輸出電壓相位與uc(t)的關(guān)系VCO輸出電壓的瞬時(shí)總相位為dt=ot+KVdt而以ot為參考相位的瞬時(shí)相位為V (t)=KV dt=式中，微分算子p=d/dt。(4)VCO的相位模型圖10-8VCO的相位模型3環(huán)路濾波器及其相位模型(1)功能：濾除鑒相器輸出的高頻部分，并抑制噪聲，提高環(huán)路的穩(wěn)定性。(2)電路形式：常用有RC濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器等。(3)環(huán)路濾波器輸出與輸入的關(guān)系uc(t)=KF(p)ud(t)(4)環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型圖

8、10-9 環(huán)路濾波器數(shù)學(xué)模型4鎖相環(huán)路的相位模型圖10-10鎖相環(huán)路的相位模型5鎖相環(huán)路的基本方程（相位控制方程）e(t)=1(t)-V(t)=1(t)-KdKVKF(p)sine(t)(1)e(t)是鑒相器的輸入信號與VCO輸出信號（即鑒相器的另一輸入信號）之間的瞬時(shí)相位差；(2)KdKVKF(p)sine(t)是控制相位差；(3)任何時(shí)候環(huán)路的瞬時(shí)相位差和控制相位差之代數(shù)和等于輸入信號以相位ot為參考的瞬時(shí)相位。6鎖相環(huán)路的頻率動態(tài)平衡關(guān)系將相位控制方程對時(shí)間微分，可得頻率動態(tài)平衡關(guān)系。因?yàn)閜=d/dt，可得pe(t)+KdKVKF(p)sine(t)=p1(t)(1)pe(t)是VCO的

9、振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的數(shù)值，稱為瞬時(shí)角頻差；(2)KdKVKF (p)sine(t)是VCO在控制電壓uc(t)=KdKF (p)sine(t)作用下的振蕩角頻率偏離的數(shù)值，稱為控制角頻差；(3)p1(t)是輸入信號角頻率偏離的數(shù)值，稱為輸入固有角頻差；(4)環(huán)路閉合后的任何時(shí)刻，瞬時(shí)角頻差和控制角頻差之代數(shù)和恒等于輸入固有角頻差。(二)環(huán)路“鎖定”的基本概念1環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過程當(dāng)環(huán)路輸入一個頻率和相位不變的信號uR (t)=URm sin(R 0t+R 0)時(shí)，根據(jù)以ot為參考的瞬時(shí)相位可得uR(t)=URmsinot+(R0-o)t+R 0=URmsinot+1(t)1(t)=

10、(R0-o)t+R0p1(t)=R0-0=根據(jù)環(huán)路方程pe(t)+KdKVKF(p)sine(t)= p1(t)R0-V(t)+V (t)-o=R 0-o 瞬時(shí)角頻差 控制角頻差 固有角頻差(1)當(dāng)環(huán)路閉合瞬間uc(t)=0，V (t)=o，無控制角頻差，此時(shí)環(huán)路的瞬時(shí)角頻差等于輸入固有角頻差。(2)隨時(shí)間t的增加，有控制電壓產(chǎn)生，控制角頻差就存在。隨著控制角頻差的加大，瞬時(shí)角頻差就減小，二者之和等于輸入固有角頻差。(3)當(dāng)控制角頻差增大到等于固有角頻差，瞬時(shí)角頻差為零。即limpe(t)=0。這時(shí)e(t)是一固定的值，不隨時(shí)間變化。若能一直保持下去，則認(rèn)為進(jìn)入鎖定狀態(tài)。2. 環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)

11、后的特點(diǎn)(1)VCO輸出電壓的角頻率V(t)等于輸入信號頻率R 0，即無剩余頻差，pe ()=0。(2)環(huán)路鎖定后，VCO輸出信號與輸入信號之間只存在一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差，即剩余相位差e()為一固定值。(3)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鑒相器的輸出電壓為直流。(4)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，控制角頻差KdKVKF(0) =0，則 式中，Kp=KdKVKF(0)為環(huán)路的直流總增益，通常稱為環(huán)路增益，單位rad/s。(三)鎖相環(huán)路的跟蹤特性1什么是跟蹤特性？環(huán)路鎖定后，若輸入信號的頻率或相位發(fā)生變化，環(huán)路通過閉環(huán)調(diào)節(jié)，來維持鎖定狀態(tài)的過程稱為跟蹤。跟蹤性能是表示環(huán)路跟隨輸入信號頻率或相位變化的能力。2衡量鎖相環(huán)

12、路跟蹤性能好壞的指標(biāo)是跟蹤相位誤差，即相位誤差函數(shù)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。(1)瞬態(tài)響應(yīng)描述跟蹤速度的快慢及跟蹤過程中相位誤差波動大小。(2)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是當(dāng)t 時(shí)的相位差，表征系統(tǒng)的跟蹤精度。3瞬態(tài)相位誤差的求解步驟與結(jié)論(1)求出輸入信號的拉氏變換；(2)用環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)，通過求環(huán)路相差的拉氏變換；(3)將進(jìn)行拉氏反變換求得，則可求得瞬態(tài)誤差隨時(shí)間的變化規(guī)律；(4)結(jié)論：鎖相環(huán)路瞬態(tài)過程的性質(zhì)由環(huán)路的阻尼系數(shù)決定。對二階環(huán)，當(dāng)1 時(shí)，瞬態(tài)過程按指數(shù)衰減，盡管也有過沖，但不會在穩(wěn)態(tài)值附近多次擺動，環(huán)路處于過阻尼狀態(tài)；=1時(shí)，環(huán)路處于臨界阻尼狀態(tài)，其瞬態(tài)過程沒有振蕩；環(huán)路在達(dá)到穩(wěn)定前，相位誤差在

13、穩(wěn)定值上下擺動，在變化過程中最大瞬態(tài)相位誤差稱為過沖。越小，過沖量越大，環(huán)路穩(wěn)定性差。兼顧小的穩(wěn)態(tài)相位誤差和小的過沖量，一般選0.707比較合適。4. 穩(wěn)態(tài)相位誤差的求解與結(jié)論(1)從的表示式，令，求出。(2)利用拉氏變換的終值定理，直接從求出(3)結(jié)論：同環(huán)路對不同輸入的跟蹤能力不同， =意味著環(huán)路不能跟蹤；同一輸入，采用不同環(huán)路濾波器的環(huán)路的跟蹤性能不同，環(huán)路濾波器對改善環(huán)路性能作用很大；對于二階環(huán)，同一輸入的跟蹤能力與環(huán)路的“型”有關(guān)?！靶汀痹礁?，跟蹤精度越高；二階I型環(huán)跟蹤輸入相位階躍無穩(wěn)態(tài)相位差，跟蹤頻率階躍有固定的穩(wěn)態(tài)相差，不能跟蹤頻率斜升；型環(huán)跟蹤相位階躍和頻率階躍均無穩(wěn)態(tài)相差，

14、跟蹤頻率斜升有固定的穩(wěn)態(tài)相差；型環(huán)跟蹤相位階躍、頻率階躍和頻率斜升均無穩(wěn)態(tài)相差。(四)鎖相環(huán)路的應(yīng)用1鎖相環(huán)路的主要特點(diǎn)：(1)具有良好的跟蹤特性；(2)具有良好的窄帶濾波特性(3)鎖定狀態(tài)無剩余頻差；(4)易于集成化2鎖相環(huán)路的應(yīng)用舉例(1)鎖相倍頻電路圖10-11鎖相倍頻電路方框圖特點(diǎn)：輸出信號頻率o=Ni；頻率純度高。(2)鎖相分頻電路圖10-12鎖相分頻電路方框圖 特點(diǎn)：輸出信號頻率o=Ni。(3)鎖相混頻電路圖10-13鎖相混頻電路方框圖特點(diǎn)：當(dāng)o2時(shí)，o=2+i ；o2時(shí)，則o=2-i。(4)鎖相調(diào)頻電路圖10-14鎖相調(diào)頻電路方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為窄帶，保證載波頻率穩(wěn)定度高。調(diào)

15、制信號頻譜處于濾波器帶寬之外，環(huán)路對調(diào)制信號的頻率變化不起作用。(5)鎖相調(diào)頻解調(diào)電路圖10-15鎖相調(diào)頻解調(diào)電路方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為寬帶，使VCO的輸出信號頻率能跟蹤輸入信號的變化。(6)鎖相調(diào)相解調(diào)電路圖10-16鎖相調(diào)相解調(diào)電路方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器為窄帶，VCO只跟蹤調(diào)相信號的載頻。(7)窄帶跟蹤接收機(jī)(鎖相接收機(jī))圖10-17窄帶跟蹤接收機(jī)方框圖特點(diǎn)：環(huán)路濾波器是窄帶，VCO輸出頻率是接收機(jī)的本振頻率，比接收調(diào)頻波的載頻高一個中頻。本振頻率跟蹤輸入調(diào)頻信號的載頻變化，始終高一個中頻。由于窄帶，提高了接收機(jī)的信噪比，靈敏度高。但需增加頻率捕捉電路。三、頻率合成器(一)頻率合成器的分

16、類及主要技術(shù)指標(biāo)1什么是頻率合成？頻率合成是利用一個（或幾個）高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率，通過一定的變換與處理后，形成.一系列等間隔的離散頻率。這些離散頻率的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都與基準(zhǔn)頻率相同，而且能在很短的時(shí)間內(nèi)，由某一頻率切換到另一頻率。2分類可分為直接式頻率合成器、鎖相頻率合成器和直接數(shù)字頻率合成器。3主要技術(shù)指標(biāo)工作頻率范圍、頻率間隔、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度、頻譜純度。(二)直接頻率合成器1基本原理采用一個或多個不同頻率的晶體振蕩器作基準(zhǔn)信號源，經(jīng)過具有加減乘除運(yùn)算功能的混頻器、倍頻器、分頻器和具有選頻功能的濾波器的不同組合來實(shí)現(xiàn)頻率合成。2一個基準(zhǔn)源的直接頻率合成器 圖1

17、0-18 一個基準(zhǔn)源的直接頻率合成器特點(diǎn)：基準(zhǔn)頻率由晶體振蕩器提供。輸出頻率3由諧波發(fā)生器提供基準(zhǔn)頻率的直接頻率合成器特點(diǎn)：(1)晶振通過分頻和諧波發(fā)生器產(chǎn)生09MHz的10個基準(zhǔn)頻率；(2)、是單刀 10擲開關(guān)，各有10個結(jié)點(diǎn)，分別接到諧波發(fā)生器的10 個輸出端；(3)改變、和的位置可以得到，輸出頻率范圍為10.099.9MHz，頻率間隔為100KHz。圖10-19 直接式頻率合成器4直接式頻率合成器的優(yōu)缺點(diǎn)(1)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，能產(chǎn)生任意小的頻率間隔。(2)頻率范圍有限，離散頻率點(diǎn)不能太多。采用大量倍頻、分頻和混頻器，使輸出的寄生頻率成分和相位噪聲加大。而且體積大，成本高。(三)鎖相頻率

18、合成器1基本組成與特點(diǎn)(1)由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路（含分頻器）兩部分組成。(2)系統(tǒng)簡單，輸出頻率頻譜純度高，能得到大量離散頻率，且有多種大規(guī)模集成鎖相頻率合成器的成品可供選用。2典型的鎖相頻率合成器圖10 -20 典型的鎖相頻率合成器原理框圖(1)基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器產(chǎn)生的送給鑒相器作為參考輸入頻率。(2)VCO的輸出信號先通過程序分頻器進(jìn)行N次分頻后，再送給鑒相器與參考輸入信號進(jìn)行相位比較。環(huán)路鎖定后，VCO輸出頻率。(3)分頻比N由輸入的數(shù)字信號控制?？梢圆捎貌⑿休斎搿⒋休斎牒退奈粩?shù)據(jù)總線輸入的任一種的數(shù)字信號控制方式。3用中規(guī)模鎖相環(huán)頻率合成器MC構(gòu)成的鎖相頻率合成器圖10-21 MC

19、組成頻率合成器(1)10.24MHz的晶體與片內(nèi)的反相放大器組成電容三點(diǎn)式振蕩器，振蕩頻率為10.24MHz，送給參考分頻器。(2)參考分頻器由2電路和29/210電路組成，由FS(6)端控制。若FS=“1”，分頻比為210，則fR=10kHz。若FS=“0”，分頻比為211，則fR=5kHz。本電路的FS=“0”，故fR=5kHz。(3)程序分頻器(N計(jì)數(shù)器)輸入端2連接到VCO的輸出端。分頻比是由9位二進(jìn)制輸入來控制，其分頻比N= 3511。輸入懸空時(shí)，為邏輯“0”，接高電平時(shí)，為邏輯“1”。本電路，即15kHz2555kHz,頻率間隔為5kHz。(4)此電路的缺點(diǎn)是輸出信號頻率受程序分頻

20、器上限工作頻率的限制，不能做得很高。4帶高速前置分頻器的鎖相頻率合成器圖10-22 具有高速前置分頻器的頻率合成器(1)采用上限頻率高的前置分頻器M，可以降低程序分頻器的工作頻率M倍，能解決程序分頻器上限頻率不高的矛盾。(2)此電路的VCO輸出信號頻率。由于M是一固定值，則頻率間隔為，比沒有前置分頻器的要大M倍。5雙模前置分頻鎖相頻率合成器(1)為了解決高的VCO輸出頻率和低速程序分頻器的矛盾，并保證合適的頻率間隔，可采用雙模前置分頻的鎖相頻率合成器，又稱為吞脈沖鎖相頻率合成器。圖10-23 吞脈沖可變分頻器原理圖(2)雙模前置分頻鎖相頻率合成的分頻器是由高速雙模前置分頻器、吞脈沖計(jì)數(shù)器A、程序計(jì)數(shù)器N和模式控制邏輯電路組成。(3)雙模前置分頻器的分頻比受控制邏輯電路換模信號控制，為“0”，分頻比為。為“1”，分頻比為。(4)計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器均為減法計(jì)數(shù)器。(5)總分頻比。(6)用于鎖相環(huán)路中，VCO輸出頻率為。值得注意的是計(jì)數(shù)器的預(yù)置必須大于計(jì)數(shù)器的預(yù)置。(四)直接數(shù)字頻率合成器（DDS）1什么是直接數(shù)字頻率合成？按一定的時(shí)鐘節(jié)拍從存放有正弦函數(shù)表的ROM中讀出這些離散的代表正弦幅值的二進(jìn)制數(shù)，然后經(jīng)過D/A變換并濾波，得到一個模擬