電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路2023/12/28電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路第6章反饋控制電路6.1反饋控制電路概述6.1.1自動電平控制電路

6.1.2自動頻率控制電路6.1.3自動相位控制電路(鎖相環(huán)路)

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

為了提高通信系統(tǒng)和電子設備的性能指標或?qū)崿F(xiàn)某些特定要求，必須采用各種反饋控制電路。反饋控制電路的預定關系：xo=g(xi)反饋控制器：比較xo、xi產(chǎn)生誤差量xe。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路對象：根據(jù)

xe

對

xo

調(diào)解，穩(wěn)定時接近預定關系。

反饋控制電路是一種有誤差的控制電路。根據(jù)控制對象參數(shù)不同反饋控制電路分為以下三類：自動電平控制電路自動頻率控制電路自動相位控制電路電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.1.1自動電平控制電路一、工作原理電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路對象為可控增益放大器，其輸入信號：vi=Vimcos

t

輸出信號：vo=Vomcos

t

增益：

受誤差電壓控制。

自動電平控制電路

輸入量xi為vr，輸出量xo為Vom。預定關系：Vom=KvrK—特定常數(shù)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路誤差電壓：

滿足預定關系時：ve=0

調(diào)節(jié)過程：

①增益控制特性，

②反饋控制器的比較特性。

滿足預定關系

ve=0，Vom=Kvr

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路Vom(Vim增大或A(0)變化)增大到Vom0，使誤差電壓增大，Vom0調(diào)整為

V

om，振幅減小，誤差電壓減小，再調(diào)整使振幅變?yōu)?/p>

V

om，反復循環(huán)直到達到A點，進入穩(wěn)定狀態(tài)。

AI、Ar越大剩余幅差越小。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、應用1．自動增益控制電路(AGC)自動增益控制電路的作用：當輸出信號電壓變化很大時，保持輸出電壓幾乎不變。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路調(diào)幅接收機加入AGC電路是為了接收機輸出的信號穩(wěn)定，避免聲音忽強忽弱。高放、混頻、中放構(gòu)成的可控增益放大器。AGC檢波器輸出正比于中放輸出的調(diào)幅波的載波振幅Vom的直流，經(jīng)直流放大器產(chǎn)生誤差電壓

ve，控制放大器的增益，使輸出信號的載波振幅

Vom穩(wěn)定。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路2．已調(diào)波功率放大器已調(diào)波功率放大器電路加入自動電平控制電路是為了減小非線性失真，實現(xiàn)良好的線性放大。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路根據(jù)輸入信號檢出的vr與輸出檢出的v+相比較，輸出誤差電壓ve，調(diào)整功率放大器的增益，從而有效地減小非線性失真。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.1.2自動頻率控制電路一、工作原理自動頻率控制電路的主要作用是自動調(diào)整振蕩器的頻率。

環(huán)路的輸入量：vi(t)的角頻率

i

環(huán)路的輸出量：

vo(t)的角頻率

o

預定關系：

o-

i=

e0

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e

vd

vc

o

反復循環(huán)后，環(huán)路鎖定。VCO不穩(wěn)定引起的較大角頻差

e0

，減小到

e

。

限幅鑒頻器

頻率比較器轉(zhuǎn)換特性

e

vc放大器

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路VCO

可控頻率電路轉(zhuǎn)換特性vc

e混頻器電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

(a)

o=

e0，①→②

(b)M鎖定時的平衡點，剩余角頻差

(c)M、P穩(wěn)定平衡點，但

P點環(huán)路已失去調(diào)解作用。

N不穩(wěn)定平衡點。

同步帶：

H=

e02

捕捉帶：

p=

e03

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、應用1．自動頻率微調(diào)電路

采用微調(diào)電路的調(diào)幅接收機，中頻放大器的帶寬可以減小，有利于提高接收機的靈敏度和選擇性。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路2．調(diào)頻負反饋解調(diào)器與普通限幅鑒頻器相比，調(diào)頻負反饋解調(diào)器的突出優(yōu)點是解調(diào)門限低。

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3．線性掃頻電路

采用自動頻率控制電路的掃頻信號發(fā)生器能減小掃頻信號的失真。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.1.3自動相位控制電路(鎖相環(huán)路)與自動頻率控制電路一樣，鎖相環(huán)路

(PLL)也是一種實現(xiàn)頻率跟蹤的自動控制電路，而且跟蹤是無誤差的，即VCO輸出信號頻率恒等于輸入信號頻率。

一、組成框圖

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、控制過程

o

(

o>

i)

[

o(t)-

i(t)]

調(diào)整VCO

o=

i

環(huán)路鎖定，保持固有相差

o。

圖6–1–3用旋轉(zhuǎn)矢量說明鎖相環(huán)路的控制過程(a)失鎖(

0>

i)(b)鎖定(

0=

i)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路以上討論了三種反饋控制電路，它們的區(qū)別在輸入和輸出所取得參量不同，因而反饋控制器和對象也就不同，但都是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有相同的調(diào)解過程，可以采用相同的分析方法。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路第6章反饋控制電路6.2鎖相環(huán)路性能分析6.2.1基本環(huán)路方程

6.2.2捕捉過程的定性討論6.2.3跟蹤特性電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

分析環(huán)路鎖定的動態(tài)過程及其性能特點。6.2.1基本環(huán)路方程(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型一、鑒相器

作用：比較兩個輸入電壓之間的相位差，產(chǎn)生相應的輸出電壓

vd(t)。

設

r

為參考角頻率。

r

—VCO未加控制電壓時的固有振蕩角頻率。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型

即vo(t)=Vomcos[

rt+

o(t)+

]

一般取電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型

即

vo(t)=Vomsin[

rt+

o(t)]

鑒相器輸出的平均電壓

vd(t)=Adsin

e(t)

Ad

—

鑒相器最大輸出電壓

e(t)=

i(t)-

o(t)

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電路模型(b)圖6–2–1鑒相器的電路模型電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、壓控振蕩器(VCO)

壓控振蕩器是振蕩頻率隨控制電壓變化的振蕩器，是環(huán)路中固有的積分環(huán)節(jié)。

特性曲線(a)圖6–2–2VCO的電路模型

在有限的控制電壓范圍內(nèi)，用線性方程近似表示

o-

r=Aovc(t)

Ao

—

壓控靈敏度，vc

=0處的斜率，單位rad/s

V

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路(a)圖6–2–2VCO的電路模型

o-

r=Aovc(t)

根據(jù)可得

或

用微分算子

p=d/dt表示

電路模型

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路三、環(huán)路低通濾波器

作用：濾除鑒相器輸出電流中的無用組合分量及其干擾分量，以達到環(huán)路要求的性能，并保證環(huán)路的穩(wěn)定性。

1．簡單

RC濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(a)簡單RC濾波器

傳遞函數(shù)式中，

=RC。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

2．無源比例積分濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(b)無源比例積分濾波器

傳遞函數(shù)

式中，

1=R1C，

2=R2C。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

3．有源比例積分濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(c)無源比例積分濾波器

傳遞函數(shù)

集成運放滿足理想化條件時式中，

1=R1C

，

2=R2C

以微分算子

p替換

s，得微分方程

vc(t)=AF(p)vd(t)

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電路模型電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路四、基本環(huán)路方程基本回路方程或p

e(t)+AdAoAF(p)sin

e(t)=p

i(t)

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路瞬時角頻差

e(t)

控制角頻差

o(t)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路固有角頻差

i(t)

根據(jù)回路方程，回路閉合后的任何時刻

e(t)+

o(t)=

i(t)

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路若輸入固有角頻差

i(t)=

i

環(huán)路鎖定時即

i=

o，

e(t)為固定值，以

e

表示，稱為穩(wěn)態(tài)相位誤差。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路據(jù)回路方程有AdAoAF(0)sin

e

=

i

式中，AF(0)為低通濾波器的直流增益。所以式中，A

0=AdAoAF(0)為環(huán)路直流總增益。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

i>A

0，無解，環(huán)路失鎖。環(huán)路能鎖定的最大輸入固有頻差

I，稱為同步帶以

L表示

L=

A

0

在VCO的最大頻率控制范圍內(nèi)，若增大同步帶，必須提高直流總增益。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.2.2捕捉過程的定性討論

捕捉過程就是環(huán)路從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程。

無信號輸入時，VCO振蕩角頻率為

r。

加入輸入信號，固有角頻差

i=

i

-

r。

瞬時相差，

鑒相器輸出電壓，vd(t)=Adsin

it

如果

I

很大，vd(t)被低通濾波器衰減，環(huán)路失鎖。

如果

I

很小，vd(t)通過低通濾波器，環(huán)路鎖定。

若

I

處于兩者之間，分兩種情況討論。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

1．

I

較大，超過環(huán)路濾波器的通頻帶

vd(t)雖然受到較大衰減，但仍可以使VCO振蕩頻率擺到

i，環(huán)路很快鎖定。稱為快捕過程。

快捕帶：能夠鎖定的最大

|

i|，以

c

表示

c

AdAoAF(

c)

2．

I

比第一種情況大

vd(t)受到很大衰減，不能使VCO振蕩頻率擺到

I。捕捉過程如下：電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

o>

r

，

i

-

o

減小，

e(t)隨時間增長變慢。

o<

r，

i

-

o增大，

e(t)隨時間增長變快。

vd(t)變?yōu)椴粚ΨQ波形，經(jīng)低通濾波器輸出直流電壓

VD，使

o的平均值由

r

上升為

r(av)，

r上升，

e(t)隨時間增長變的更慢，不對稱加大，VD上升，

o進一步靠近

r，當

o擺動到

I，并符合正確的相位關系，環(huán)路鎖定。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

o

的平均值逐漸靠近

I

的過程稱為頻率牽引。

Ad和

Ao的數(shù)值越大，捕捉帶越大，環(huán)路濾波器通頻帶越寬，捕捉帶越大。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.2.3跟蹤特性

環(huán)路在鎖定狀態(tài)下，由于某種原因使環(huán)路偏離鎖定，通過自身調(diào)節(jié)重新維持鎖定的過程稱為跟蹤過程。

跟蹤過程中

e很小，環(huán)路近似為線性系統(tǒng)。

vd(t)=Adsin

e(t)

Ad

e(t)環(huán)路基本方程

p

e(t)+AdAoAF(p)

e(t)=p

e(t)

或

s

e(s)+AdAoAF(s)

e(s)=s

i(s)

e(s)=

i(s)-

o(s)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

開環(huán)傳遞函數(shù)

Ho(s)

閉環(huán)傳遞函數(shù)

H(s)誤差傳遞函數(shù)He(s)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路一、瞬態(tài)響應及穩(wěn)態(tài)相位誤差根據(jù)線性系統(tǒng)理論相位誤差的瞬態(tài)響應：

e(t)=L-1

e(s)=L-1He(s)

i(s)

穩(wěn)態(tài)相位誤差：

例：若采用簡單RC濾波器，輸入信號頻率階躍變化，求其相位誤差的瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)相位誤差。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路相位誤差的瞬態(tài)響應

穩(wěn)態(tài)相位誤差：

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

提高環(huán)路直流總增益

AdAo可以減小

e

，但由于

也相應減小，恢復鎖定時間拉長，且會出現(xiàn)振蕩。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、正弦穩(wěn)態(tài)響應

鎖相環(huán)路的正弦穩(wěn)態(tài)響應是指輸入相位為正弦信號時環(huán)路的輸出響應。

輸入相位：

i(t)=

imsin(

t+

i)

輸出相位：

o(t)=

omsin(

t+

o)

頻率特性：

根據(jù)頻率特性可以作出環(huán)路的波特圖，求上限頻率和判斷其穩(wěn)定性。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

例：采用簡單

RC濾波器時

環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)

幅頻特性電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

幅頻特性曲線

具有低通濾波特性，形狀與

的大小有關。

上限截止角頻率電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路第6章反饋控制電路6.3

集成鎖相環(huán)及其應用6.3.1集成鎖相環(huán)路6.3.2鎖相環(huán)在解調(diào)和鎖相接收機中的應用6.3.3鎖相環(huán)在頻率合成器中的應用

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.3.1集成鎖相環(huán)路按電路結(jié)構(gòu)可分為：模擬鎖相環(huán)數(shù)字鎖相環(huán)(數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器、數(shù)控振蕩器)

按用途可分為：

通用型(鑒相器、VCO等)

專用型(調(diào)頻接收機、電視機、通信、儀器、電動機速度控制等)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路一、典型的集成模擬鎖相環(huán)

1．SL565工作頻率低于1MHz，可用作FSK解調(diào)、單音解碼、寬帶FM解調(diào)、倍頻和分頻等。鑒相器：雙平衡模擬相乘器，可外部偏置。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路VCO：積分-施密特電路，VCO輸出方波。外接電容

C和電阻

R決定固有振蕩角頻率。低通濾波器：⑦端外接電容和內(nèi)部電路構(gòu)成。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

2．L562

工作頻率最高30MHz，可用作FM解調(diào)、頻率合成、數(shù)據(jù)同步、信號提取、跟蹤濾波、FSK接收等。鑒相器：雙平衡模擬相乘器。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路VCO：射極耦合多諧振蕩器，外接電容C決定固有振蕩角頻率。低通濾波器：13和14端外接RC和內(nèi)部電路構(gòu)成。限幅器：同步帶調(diào)節(jié)電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

3．NE564

工作頻率最高50MHz，可用作調(diào)制解調(diào)、FSKM解碼、頻率合成等。

鑒相器：雙平衡模擬相乘器。

VCO：射極耦合多諧振蕩器，外接電容C決定固有振蕩角頻率。低通濾波器：④和⑤端外接電容和內(nèi)部電路構(gòu)成。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路限幅器：差分電路，接收FM和PSK信號時，抑制寄生調(diào)幅。

直流恢復電路：14端外接大的濾波電容，輸出穩(wěn)定直流電壓，鎖定時，輸出電壓正比于輸出頻率與VCO固有頻率之差。

施密特觸發(fā)器：用作FSK解調(diào)。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、L562內(nèi)部電路

T1~T9雙差分乘積型鑒相器

T17~T29射極耦合多諧振蕩器T14放大器A1

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路T15跟隨器A2

T30~T33放大器A3T35~T42穩(wěn)壓電路電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.3.2鎖相環(huán)在解調(diào)和鎖相接收機中的應用一、鎖相解調(diào)電路

1．調(diào)頻波鎖相解調(diào)電路鎖相解調(diào)電路的門限電平比普通鑒頻器低。實現(xiàn)不失真解調(diào)應滿足：環(huán)路的捕捉帶>調(diào)頻波的最大頻偏環(huán)路的帶寬>調(diào)制信號的頻譜寬度電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路VCO輸出為具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波，環(huán)路濾波器輸出解調(diào)輸出電壓。設VCO的頻率控制特性是線性的設輸入調(diào)頻波為單音調(diào)制

i(t)=

mcos

t

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路解調(diào)電壓的復振幅電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路用L562組成的調(diào)頻波鎖相解調(diào)電路電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

2．振幅調(diào)制信號的同步檢波

鎖相環(huán)路恢復載波信號，VCO輸出電壓與載波電壓之間有

/2的固定相移，經(jīng)移相

/2后送入同步檢波器。同步檢波可以避免一般包絡檢波器檢波弱信號時門限電平高，檢波效率低與失真大等問題。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、鎖相接收機輸入信號角頻率為

I+

d，

d是多卜勒頻移。環(huán)路鎖定時：

I=

r

，保證中頻角頻率不變。電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路6.3.3鎖相環(huán)在頻率合成器中的應用一、概述頻率合成技術是利用一個或多個高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生出一系列等間隔的頻率信號的一種技術，這些離散頻率的準確度和穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路二、鎖相倍頻和鎖相混頻電路

1．鎖相倍頻電路環(huán)路的反饋通路中插入分頻器。

環(huán)路鎖定時所以

o

=N

i

電子線路非線性部分謝嘉奎第6章反饋控制電路

2．鎖相混頻電路

環(huán)路的反饋通路中插入混頻器和中頻放大器。

混頻器輸出電壓的