第 10 章 反馈控制电路

LOGO 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #1 第 10 章反馈控制电路  10.1 概述  10.2 自动电平控制电路  10.3 自动频率控制电路  10.4 锁相环路的基本工作原理  10.5 锁相环路的性能分析  10.6 集成锁相环  10.7 锁相环路的应用        通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #2 10.1 概述  反馈控制：  自动电平控制电路 (ALC) Automatic Level Control • 包括：自动增益控制 (AGC) Automatic Gain Control  自动频率控制电路 (AFC) Automatic Frequency Control • 包括：自动频率微调 (AFT) Automatic Frequency Trim  自动相位控制电路 (APC) Automatic Phase Control • 实现方法：锁相环路 (PLL) Phase-Locked Loop 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #3 放大器 10.2 自动电平控制电路  一、基本工作原理  减小因各种原因引起的输出信号电平的变化范围 • 发射机 • 接收机  原理： • 输入输出 反馈电压(检波输出) 放大倍数  方法： • 改变受控放大器的工作点、输出负载值、反馈网络的反 馈量、衰减网络的衰减量等 ALC 检波器 直流 放大器比较器 低通 滤波器 参考 vr vi vo可控 放大器 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #4 10.2 自动电平控制电路  二、自动电平控制电路的应用  接收机使用 AGC (自动增益控制)的原因： • 接收信号的强度差异很大，变化范围可达几十微伏至几 百毫伏。 若接收机采用恒定增益放大，无法兼顾灵敏度和 动态范围两者的要求  tAM = 0.02 ~ 0.2 s, t等幅波 = 0.1 ~ 1 s  延迟式 AGC：门限电压 vr 高频 放大器 AGC 检波器 包络 检波器变频器 中频 放大器 低频 放大器 直流 放大器 vr 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #5 10.2 自动电平控制电路  例： 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #6 10.3 自动频率控制电路  自动频率控制电路是一种频率的负反馈控制电路  常用于自动频率微调和调频负反馈解调电路  一、自动频率微调电路  在外差式调幅接收机中，可采用自动频率微调电路 来锁定中频频率 fI = f0 - fS 鉴频器本地振荡器 vc f0 检波器混频器 中频放大器fS fI 去低放接收信号 fI =f0 -fS 时，vc =0 vc 、vd 的变化方式取决于 鉴频特性和压控振荡特性  剩余频差 Dfi¥ Df0¥ f0  vc fI  DfI =Df0f0  Df0 低通 滤波器 vd  vd 压控 振荡器 存在剩余频差Dfi¥ 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #7 10.3 自动频率控制电路 Df vd (vc ) QDf0 Df0 Df0¥ 鉴频器 混频器 中频放大器 压控 振荡器 vc fS f0 fI 去检波 低通 滤波器 vd fI = f0 - fS Df0 鉴频特性 压控振荡特性 vc f0 f00 f01 vd fI fI0 vd1 vc1 vd2 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #8 10.3 自动频率控制电路  捕捉带 DfP • 假设初始失谐很大，AFC 系统不能工作。 • 逐步减小到 DfP ，AFC 系统开始工作。  同步带 DfH • 假设初始失谐较小，AFC 工作，平衡于 B 点 • 只要 Df 变化范围不超过 b 点，AFC 系统保持工作。 Df vd (vc ) B A b a DfP DfH 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #9 10.3 自动频率控制电路  二、调频负反馈解调电路  应用于调频接收机 • 调频输入：wS (t) =wS +DwmS cosWt • 普通解调：wI (t) =w0 -wS -DwmS cosWt =wI -DwmS cosWt • VCO输出：w0 (t) =w0 +Dwm0 cosWt • wI (t) =w0 -wS +Dwm0 cosWt-DwmS cosWt =wI +DwmI cosWt • 对混频器而言，相当于加了两个载波频率不同而调制信 号相同的调频波。中频信号仍为不失真的调频波。 限幅 鉴频器 本地 振荡器 w0 混频器 中频放大器wS wI FM 输入 低通 滤波器 vW 压控 振荡器 解调输出 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #10 10.3 自动频率控制电路  调频负反馈解调器属于调制跟踪型AFC  自动频率微调电路属于载波跟踪型AFC 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #11 10.4 锁相环路的基本工作原理  锁相环路 ( PLL ) 是相位反馈控制环路  系统组成：鉴相器 ( PD )、环路低通滤波器 ( LPF ) 和电 压控制振荡器 ( VCO )  相差与频差：  锁定状态：在 vc (t) 控制下，VCO 输出频率 w0 向输入 信号的频率 wi 靠拢，直至相等，PD 输出的相位差 qe 不 变，称为剩余相差，PD 的输出电压 vd (t) 恒定不变。 qe (t)= qi -q0 Dw(t) =wi -w0 = 常数 = 0 压控 振荡器 q0 鉴相器 低通滤波器qi qe vi v0vd vc wi w0 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #12 10.5 锁相环路的性能分析  一、锁相环路各部件及其数学模型  变量说明： • wr 压控振荡器无控时的固有振荡频率，Reference • w0 压控振荡器的瞬时频率 q0 (t) = wr t + j0 (t) • wi 输入信号的瞬时频率 qi (t) = wr t + ji (t) 压控 振荡器 q0 鉴相器 低通滤波器qi qe vi v0vd vc wi w0 j0ji 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #13 10.5 锁相环路的性能分析  1. 鉴相器 PD • 输入 vi (t) =Vim cos[wr t +ji (t)] • 本振 v0 (t) =V0m cos[wr t +j0 (t) + f ] = -V0m sin[wr t +j0 (t)] 鉴相器要求 f= 90 • 输出：理想鉴相器输出电压与两输入的相位差成正比 • 实际电路有多种，以乘积型鉴相器为例，数学模型为 vd (t) =Ad sinje (t)，je (t) =ji (t) -j0 (t) v0 鉴相器 vi vd wi w0 j0 ji Ad sin[] vd (t) j0 (t) ji (t) je (t) + - 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #14 10.5 锁相环路的性能分析  2. 压控振荡器 VCO • VCO的瞬时角频率 w0 (t) 受外加电压 vc (t) 的控制 • 压控特性曲线 • A0 压控灵敏度，rad/(s·V) • 线性压控特性：w0 (t) = wr +A0 vc (t) • 压控振荡器输出电压的相位： • 定义p：时域微分算子，等同与复频域的拉氏算子 s • VCO的数学模型： • VCO可视作理想积分器 vc0 r 0 vc (t) j0 (t) 0 1 A p 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #15 10.5 锁相环路的性能分析  3. 环路低通滤波器 LPF vc (t) = AF (p)·vd (t) • 环路低通滤波器有多种： • 简单RC 滤波器 • 无源比例积分滤波器 • 有源比例积分滤波器 AF (p) vc (t)vd (t) R1 R2 C vc(t)vd(t) 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #16 10.5 锁相环路的性能分析  4. 锁相环的数学模型 • 基本锁相环的相位模型 • 环路动态方程 • 环路增益AS =A0 Ad AF (0)，决定锁相环性能的重要参数 • 环路的动态方程是一个非线性微分方程 • 对此方程可以有多种手段进行求解、分析 VCOLPF鉴相器(乘积型) 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #17 10.5 锁相环路的性能分析 • pje (t) + A0 Ad AF (p)sinje (t) = pji (t) • 固有频差：pji (t) =wi -wr = Dwi (t)、或称起始频差 • 瞬时频差：pje (t) =wi -w0 = Dwe (t) • 控制频差：A0 Ad AF (p)sinje (t) = A0 vc (t) =w0 -wr = Dw0 • 瞬时频差+控制频差=固有频差；Dwe + Dw0 = Dwi  锁相控制过程 • 起始状态，控制频差 = 0，瞬时频差 = 固有频差 • 反馈控制，控制频差  瞬时频差 • 锁定状态，控制频差  瞬时频差 = 0 控制频差 = 固有频差 • A0 Ad AF (0)sinje¥ = A0 vc (t) = Dwi • 同步带 (跟踪带) DwiH = AS = A0 Ad AF (0) 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #18 10.7 锁相环路的应用  锁相环路的重要特性：  跟踪特性 • 一个锁定的环路，当输入信号频率稍有变化时，VCO的 频率立即发生相应的变化  滤波特性 • 锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波特性 • 例：可在几十兆频率上实现几十甚至几Hz 的窄带滤波  锁定状态无剩余频差 • 环路锁定后，有剩余相差，没有剩余频差  易于集成化 • 模拟集成锁相环，数字集成锁相环 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #19 10.7 锁相环路的应用  锁相环路调频  克服直接调频的中心频率稳定度不高的缺点  要求调制信号的频谱要处于环路滤波器通带之外 压控 振荡器鉴相器 低通 滤波器 FM 输出晶体 振荡器 调制 信号 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #20 载波 恢复 10.7 锁相环路的应用  调幅信号的解调  AM或带导频的 SSB信号同步检波需要恢复载波 • vUSB (t) = Acos(w0 +W)t • v0 (t) = A0 cosw0 t 解调输出中频 放大器 调幅信号 同步 检波器 90 移相器 压控 振荡器鉴相器 低通 滤波器 sinw0 t 同步检波  v(t) = kAA0 cosWt 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #21 10.7 锁相环路的应用  倍频锁相环  锁定状态下，输入信号的参考频率 wr 与分频器输 出信号频率 w0 /N 相等  环路输出信号频率：w0 =Nwr w0 压控 振荡器鉴相器 低通 滤波器 vr v0 wr 分频器 ¸N w0 /N w0 =Nwr 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #22 10.7 锁相环路的应用  分频锁相环  锁定状态下，输入信号的参考频率 wr 与倍频器输 出信号频率 Nw0 相等  环路输出信号频率：w0 =wr /N Nw0 w0 =wr /N w0 压控 振荡器鉴相器 低通 滤波器 vr v0 wr 倍频器 ´N 通信电子线路 第 10 章 反馈控制电路 Copyright © 2010 DyNE All rights reservedPage #23 10.7 锁相环路的应用  混频锁相环  输出信号频率 w0 与 vi 信号的频率 wi 在混频器中进 行加减运算，得到和频、差频 wo wi  锁定时，参考频率 wr 与混频器输出 wo  wi 相等  输出信号频率：wo =wr wi w0 wi vi w0 =wr wi w0 压控 振荡器鉴相器 低通 滤波器 vr v0 wr 混频器 + wi 第 10 章 反馈控制电路 10.1 概述 10.2 自动电平控制电路 10.2 自动电平控制电路 10.2 自动电平控制电路 10.3 自动频率控制电路 10.3 自动频率控制电路 10.3 自动频率控制电路 10.3 自动频率控制电路 10.3 自动频率控制电路 10.4 锁相环路的基本工作原理 10.5 锁相环路的性能分析 10.5 锁相环路的性能分析 10.5 锁相环路的性能分析 10.5 锁相环路的性能分析 10.5 锁相环路的性能分析 10.5 锁相环路的性能分析 10.7 锁相环路的应用 10.7 锁相环路的应用 10.7 锁相环路的应用 10.7 锁相环路的应用 10.7 锁相环路的应用 10.7 锁相环路的应用