高频电子线路第三版课件第8章 反馈控制电路

1、高频电子线路,西安电子科技大学,内容提要,第一章 绪论,第二章 高频电路基础,第三章 高频放大器,第四章正弦波振荡器,第五章 频谱的线性搬移电路,第六章 振幅调制、解调及混频,第七章 频谱的线性搬移电路,第八章 反馈控制电路,第九章 高频电路系统设计,第8章 反馈控制电路,8.1 自动增益控制电路8.2 自动频率控制电路8.3 锁相环电路8.4 频率合成器,4,问题,负反馈放大器的组成、原理与作用 什么是接收机的动态范围？ 如何保证接收机载波频率的准确与稳定？,改善性能 稳定参数,现有电路无法解决！,扰动来自外部 负反馈闭合环路,反馈控制:在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制，可使系统的某个参数达到所需精度，或按照一定规律变化。,非线性环路，在一定条件下可近似线性 参数与比较器：振幅、频率、相位,不变 变化,有 无,位置 可变,核心与关键 常含滤波器,放大器 VCO,反馈控制电路概述,控制范围 控制精度 控制速度 复杂度,主要技术指标,AGC（Automatic Gain Control）-AP（Power）C, AL（Level）C AFC（Automatic Frequency C

2、ontrol） APC（Automatic Phase Control）-PLL（Phase Locked Loop）,类型,不能完全消除误差，有剩余误差,反馈控制电路概述,利用电压误差信号来消除输出信号振幅与要求信号振幅之间误差,信号强度：VmV, AGC控制范围几十分贝。,平均值 峰值 键控式,AGC组成原理,维持输出电压基本不变,初始幅差,有误差的控制电路,AGC方式,前置AGC 后置AGC 基带AGC,瞬时AGC 对数放大器 限幅放大+带通滤波,AGC方式,控制高放增益,延迟AGC,动态范围,主要性能指标,响应时间,要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅 Ui 的变化速度，又不会出现反调制现象。响应时间长短的调节由环路带宽决定，主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但容易出现反调制现象。LPF时间常数选取：语音调幅0.020.2s等幅电平：0.11sAM信号：,主要性能指标,改变放大器的偏置,反向AGC,正向AGC,反向AGC,AGC实现方法,改变放大器负载或电调衰减器的衰减量,AGC实现方法,MC3340是专门用作可控衰减器的集成芯片，它是可变衰减

3、器AGC的典型代表。,AGC实现方法,改变放大器的负反馈深度（IC中常用）,AGC实现方法,实际AGC电路,AM收音机平均值简单AGC,自动功率控制电路,已调波线性功率放大器,利用输入量与输出量之间的频率误差来调节输出信号的频率，使输出的振荡频率保持稳定，或者在尽可能小的频率误差下，保持输出量与输入量之间的频率跟踪。 有剩余频差，输出频率稳定在 （初始频差 ） LPF滤除快变化分量,AFC组成原理,限幅鉴频器（中心频率即参考频率） 混频-鉴频器（中心频率为fI）,VCO,AFC组成原理,AFC组成原理,正极性,负极性,AFC组成原理,稳态剩余频差,直接锁定，不调整,鉴频特性与压控特性极性相反才能稳定 为使剩余频差小，需两个灵敏度高,AFC组成原理,同步带（跟踪带）捕捉带,AFC电路应用,接收机中的自动频率微调电路（AFC）,输入若为FM信号，可直接从鉴频器输出; 稳定中频频率，通频带裕量减小，提高灵敏度和选择性; 载波跟踪型（慢变化）。,AFC电路应用,直接调频发射机,稳定载波频率 载波跟踪型（LPF带宽窄）,FM振荡器,放大器,LPF,鉴频器,混频器,晶振,中心频率,AFC电路应用,

4、调频负反馈解调,不失真； 中频带宽窄，噪声功率低，解调门限低，有利于对微弱信号的接收与解调； LPF带宽宽，调制跟踪型AFC。,AFC电路应用,线性扫频电路,减小扫频失真 扫频范围宽（几百kHz上百MHz）,利用相位误差来消除频率误差的相位跟踪系统； 锁定或跟踪后有剩余相差，无剩余频差； 可实现良好的跟踪（频率与相位，窄带跟踪与调制跟踪）性能，并具有窄带滤波能力； 门限性能好； 模拟PLL、数字PLL、软件PLL。,PLL组成原理,非线性环节 比相 模拟、数字,滤除误差电压ud(t) 中的高频成分和噪声，保证环路性能，提高系统稳定性。,设输入参考信号为输出信号是若输入信号为单一载波，则 r(t) = r。输出信号的相位能够跟踪输入信号相位的变化，两者之间的相位差为,在VCO未受控之前o(t) 是常数。当环路入锁之后 o(t)是时间的函数，而e(t)为一个很小的稳态相位误差，即,此时，输出信号已偏离原有的振荡频率，其偏差量由上式得,输出信号的频率已变为,通过锁相环路的相位跟踪作用，最终使被控压控振荡器频率0与输入信号频率r相同，两者之间仅维持了一个很小的稳态相差。,问 题,PD在什么情况

5、下可近似为线性？线性系统常用的分析方法是什么？ 比照AFC环路，PLL环路可能有哪几种状态或过程？,变换域的传输函数：频域（傅里叶变换）或复频域（拉普拉斯变换）；失锁、捕捉、锁定、跟踪（同步）,锁相环（PLL）电路,主要内容：,PLL环路方程与状态分析PLL性能近似分析PLL电路的应用,锁相环（PLL）电路,数学模型之鉴相器,定义几个与频率和相位有关的量 ：,化简，均以 为参考（设初始相位 为零）,鉴相器的功能：产生一个输出电压，此电压的平均分量正比于两输入信号的相位差,理想鉴相器传输特性,为鉴相灵敏度，单位是V/rad,常用模拟乘法器做鉴相器，其传输特性：,为正弦鉴相器最大输出电压，单位是伏, 鉴相特性为非线性，当 时 ，正弦鉴相可以近似为线性, 鉴相范围是：,功能：低通滤波器 ，滤除 中高频与噪声,电路特点： 线性电路，可用传递函数 描述,常用的环路滤波器三种,数学模型之环路滤波器,环路滤波器的传递函数,时间常数,当 时， ； 当 时，,简单RC积分滤波器,当 时， ； 当 时，,与简单RC滤波器不同，趋于比例常数 而不是 0,无源比例积分滤波器,分子引入一个零点,有源比例积分滤波

6、器,时间常数 和,特点：理想积分滤波器，分子引入一个零点,与无源比例积分滤波器相同，高频增益趋于常数,环路滤波器的主要指标,功能 电压控制频率振荡器,VCO 数学模型,注意：VCO电压输入鉴相器，起作用的是其相位,求VCO受控相位：,数学模型之压控振荡器,锁相环完整的数学模型,环路的基本方程,用相位表示:,用频率表示:,用微分算子 表示 :,环路方程的含义,用频率表示:, 是非线性微分方程，它的非线性主要来自鉴相器 。微分方程的阶数是环路滤波器的传递函数 的阶数加 1,描述了输入信号与输出信号间的相位(或角频率)的关系： ,而不是输入电压 与输出电压 间的幅度关系。,如，RC滤波器 是一阶，则环路方程是：, 当误差相位 比较小时，由于环路非线性微分方程可线性化,PLL工作状态分析,锁定状态,锁定时的稳态相位误差,为什么会有稳态相位误差？,稳态相位误差多大？,跟踪锁定时，若输入信号频率或相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程称为跟踪,求出系统传递函数,线性跟踪状态,线性化锁相环模型：,1. 开环传递函数,开环传递函数,3. 误差传递函数,2. 闭环传递函数,理解传递函数的含

7、义, 传递函数是将锁相环近似为线性系统后得出的，要求, 锁相环是相位传递系统。传递函数中的S表示输入输出信号相位变化的频率，而不是输入输出信号的载频。,环路阻尼系数（无量纲）,环路无阻尼振荡频率（rad/s),引入 和 来描述锁相环的传递函数,不同环路滤波器对应的 表达式,传递函数与环路滤波器关系,锁相环的阶和型,锁相环输入信号的相位（频率）变化情况：,相位突变PSK调制信号,频率突变FSK调制信号,频率（相位）正弦变化模拟调频FM（调相PM）,跟踪分析什么？,瞬态响应,相位误差历经： 从稳态 时变 锁定后达到新的稳态相位误差,分析瞬态响应的方法,=,稳态相位误差 =,输入信号频率阶跃时环路的跟踪过程,初始状态：环路锁定、 、,解： 求 输入信号相位的变化及对应的拉氏变换,求：, 求误差相位随时间的变化,通过拉氏反变换，由 求得,对于不同的环路滤波器， 不同， 不同， 不同,（设 阻尼系数 0 1），反拉氏变换得：,简单RC滤波器:,有源理想比例积分滤波器：, 求稳态相位误差,如何减小跟踪过程的稳态相位误差：, 选用有源滤波器,瞬态响应过渡过程分析,以有源理想比例积分滤波器为例：,观察

8、归一化曲线,a. 频率跳变脱离锁定 新的锁定频率重新相等需要一定的响应时间,b. 最大的瞬态相位误差过冲量,衡量瞬态响应的三个参数： 相对过冲量仅取决于阻尼系数 响应时间 稳态相位误差 (RC 滤波器）,如何合理选择环路及环路参数，解决上述矛盾？,跟踪频率阶跃时稳态相位误差的一般表达式：,结论：采用有源滤波器的环路II 型环的跟踪性能优于采用无源滤波器的环路I 型环,跟踪性能主要取决于环路的“型”，而不是“阶”,正弦响应,初始状态：环路锁定于,设：输入信号为调频波,闭环传递函数 的含义：,表征了锁相环路对角频率 为不同值 的输入相位 的通过能力,VCO输出信号：,结论：控制锁相环闭环传递函数的带宽，就能决定输出信号是否跟踪上输入信号的角度调制变化,以理想积分滤波器为环路滤波器的锁相环为例,代入，得幅频特性：,令 = ，将下降3dB所对应的频率记为 ，得：,推论：可以用 来说明环路3dB带宽的大小,锁相环作为带通滤波器的应用,宽带环宽带调制跟踪环用于调频波解调,窄带环在很高的载频上实现通频带极窄的滤波器，相当于具有极高的Q值用于载波提取,带宽的调节调节环路增益 ，时间常数,非线性跟踪 同步,跟踪过程中，误差相位 较大，环路方程不能线性化,分析方法环路非线性微分方程（分析略）,同步带 环路锁定，输入信号频率极缓慢变化时， 环路能保持锁定（跟踪上）的最大输入频差,能锁定的允许最大,初始状态环路锁定,控制频差达最大值,捕捉过程,分析依据：环路非线性微分方程,当输入固有频差 为不同值时的捕捉情况,（1） 很大,分析捕捉过程时，假设输入信号频率 不变,正弦鉴相器输出：,很大， 频率很高,环路滤波器是RC低通滤除 ，,（2） 较小,正弦鉴相器输出：,定性分析,较小时的捕捉特征,VCO的频率变化：,快捕带与环路的参数关系如何？,

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