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1、第六章 反馈控制电路,6.1 概述,在现代通信系统和电子设备中，为了提高它们的技术性能指标，或者实现某些特定的要求，广泛地采用各种反馈控制电路。众所周知，负反馈放大器就是反馈控制电路的典型实例。由图6.1-1的负反馈放大器的方框图可以看出放大器的输出信号通过负反馈网络反馈到其输入端，与输入信号相减，这时，放大器的净输入信号为原输入信号与反馈信号之差。显然，当输出电压增大，则反馈电压也增大，反馈信号与插入信号相减后，使实际输入信号减小，从而减小了放大器的输出电压，使输出电压幅度保持不变，进而提高了电路的稳定性。,图6.1-1 负反馈放大器,可见，反馈控制电路的作用是利用反馈信号与原输入信号进行比
2、较，进而输出一个比较信号对系统的某些参数进行修正，从而提高系统的性能，利用负反馈改善放大器的性能，带来的好处是众所周知的。例如，一个串联电压负反馈放大器可以使放大器电压增益稳定，通频带展宽，非线性失真减小等。一般来说，反馈控制系统通常由四部分组成，即比较器，控制信号发生器，可控器件和反馈网络。其组成框图如图6.1-2所示。,图6.1-2反馈控制系统的组成,比较器的作用 是将输入信号与反馈信号进行比较，输出一个误差信号，然后送入控制信号发生器产生一个控制信号，由控制信号对受控件的某一特性进行控制，反馈网络的作用是从受控信号中提取进行比较的分量并送比较器。整个反馈控制系统是一个闭环系统，通过不断地
3、反馈、比较、输出控制信号，从而对受控器件的特性进行修正，使系统具有优良性能和达到稳定状态。,如果系统中需要比较的参量是电压或电流，则称之为自动增益控制电路；如果比较的参量为频率，则称之为自动频率控制电路；如果比较的参量是相位，则称之为自动相位控制电路，又称为锁相环路，它是应用最广泛的一种反馈控制电路。,自动增益控制电路(AGC电路)是接收机的重要辅助电路之一。因此也称自动电平控制(ALC)电路。主要功能：是根据输入信号电平的大小，调整接收机的增 益，从而使输出信号电平保持稳定。主要要求：控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时，不影响接收机的噪声性能。,6.2 自动增益控制电路,对
4、于从AGC系统来说，一方面希望输出信号电平的变化愈小愈好，另一方面则希望输入信号电平的变化范围愈大愈好。在给定输出电平变化范围内，允许输入信号电平的变化范围愈大，就意味着AGC电路的控制范围愈宽。,要想扩大AGC电路的控制范围，就要增大AGC电路的增益控制倍数，也就是要求AGC电路有较大的增益变化范围。,适当的响应时间是AGC电路应考虑的主要要求之一。AGC电路是用来对信号电平变化进行控制的。因此，要求AGC电路的动作要跟得上电平变化的速度。响应时间短，自然能迅速跟上输入信号电平的变化。但是响应时间过短，AGC电路将随着信号的内容而变化，这对有用信号产生反调制作用，导致信号失真。因此，要根据信
5、号的性质和需要，设计适当的响应时间。,6.2.1 AGC电路的组成、工作原理和性能分析,从AGC电路的组成如图6.2-1所示。它包含有可控增益电路、电平检测电路、滤波器、比较器和控制信号产生器。,图6.2-1 AGC电路的组成,1电平检测电路 电平检测电路的功能就是检测输出信号的电平值。如果其输入信号的电平不变，那么电平检测电路的输出信号就是一个脉动电流。一般情况下，电平信号的变化频率较低，如几赫兹左右。通常电平检测电路是由检波器担任，其输出与输入信号电平成线性关系，即,2滤波器 对于以不同频率变化的电平信号，滤波器特有不同的传输特性。因此可以控制AGC电路的响应时间。也就是决定当输入电平以不
6、同的频率变化时输出电平将怎样变化。常用的是单节RC积分电路。如图6.2-2所示。,图6.2-2 单节RC积分电路,它的传输特性为,3比较器 将给定的基准电平 与滤波器输出的 进行比较，输出误差信号为。通常 与 成正比，所以，比较器特性的复频域表示式为其中，为一比例常数。,4控制信号产生器 控制信号产生器的功能是将误差信号变换为适于可变增益电路需要的控制信号。这种变换通常是幅度的放大或极性的变换。有的还设置一个初始值，以保证输入信号小于某一电平时，保持放大器的增益最大。因此，它的特性的复频域表示式为其中，为比例常数。,5可控增益电路 可控增益电路能在控制电压作用下改变增益。要求这个电路在增益变化
7、时，不使信号产生线性或非线性失真。同时要求它的增益变化范围大，它将直接影响AGC系统的增益控制倍数。所以，可控增益电路的性能对整个AGC系统的技术指标影响是很大的。,放大器的增益控制1可控增益电路 可控增益电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。这部分电路通常是与整个系统共用的，并不是单独属于AGC系统。例如接收机的高、中频放大器，它既是接收机的信号通道，又是AGC系统的可控增益电路。要求可控增益电路只改变增益而不致使信号失真。如果单级增益变化范围不能满足要求时，还可采用多级控制的方法。,控制放大器增益的方法主要有：控制放大器本身的某些参数和在放大器级间
8、插入可控衰减器。利用控制放大器本身的参数改变增益的方法有改变发射极电流，改变放大器负载，改变差分对电流分配比以及改变负反馈等多种形式。在放大器各级之间插入由二极管和电阻网络构成的电控衰减器来控制增益，也是增益控制的一种较好的方法。,2AGC控制电压的产生-电平检测电路,（1）平均值型AGC电路,平均值型AGC电路适应于被控信号中含有一个不随有用信号变化的平均值的情况。如调幅广播信号，其平均值是未调载波的幅度。调幅接收机的自动增益控制广泛采用这种电路。,二极管VD和R1、R2、C1、C2构成一个检波器，中频输出信号Uo经检波后，除了得到音频信号之外，还有一个平均直流分量Up，它的大小和中频载波电
9、平成正比，与信号的调幅度无关，这个电压就可以用做AGC控制电压。Rp、Cp组成一个低通滤波器。把检波后的音频分量滤掉，使控制电平Up，不受音频信号的影响。,正确选择低通滤波器的时间常数是设计AGC电路的重要任务之一。,图6.2-5 的选择,（2）峰值型AGC电路 峰值型AGC电路适用于被控信号中含有一个不随有用信号变化的峰值的情况。如全电视信号，它的行同步脉冲的幅度是不变的，与图像信号内容无关，且就是该信号的峰值。对全电视信号进行峰值检波就能得到与信号电平成比例的电平信号。,图6.2-6 选通型AGC电路,峰值型AGC电路具有一些优点，它比平均值型AGC电路的输出电压要大得多，它具有较好的抗干
10、扰能力，幅度小于同步信号的干扰，对于AGC电路的工作没有影响。但是如果干扰幅度大于同步信号，而且混入的时间较长，那么，它对AGC电路就会产生危害，因此，这种电路的抗干扰性能还不够理想。,（3）选通型AGC电路,选通型AGC电路具有更强的抗干扰能力，多用于高质量的电视接收机和某些雷达接收机。它是只在反映信号电平的时间范围内对信号取样，然后利用这些取样值形成反映信号的电平。这样，出现在取样时间范围外的干扰都不会对电平值产生影响，从而大大提高了电路的抗干扰能力。使用这种方法的条件，首先是信号本身要周期性出现，在信号出现的时间内信号的幅度能反映信号的电平；其次是要提供与上述信号出现时间相对应的选通信号
11、，这个选通信号可由AGC系统内部产生，也可由外部提供。,6.2.3 电路类型,1简单AGC电路,在简单AGC电路里，参考电平为0。这样，无论输入信号振幅大小如何，AGC的作用都会使增益减小，从而使输出信号振幅减小。其输出特性如图6.2-7所示。,图6.2-7 简单AGC的输入输出特性,简单AGC电路的优点是电路简单，在实用电路里不需要电压比较器；缺点是对微弱信号的接收很不利，因为输入信号振幅很小时。放大器的增益仍会受到反馈控制而有所减小，从而使接收灵敏度降低。所以，简单AGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。,2延迟AGC电路,在延迟AGC电路里有一个起控门限，即比较器参考电平，它对应的输入信
12、号振幅即为图6.2-8中的。,图6.2-8延迟AGC电路的输入输出特性,3AGC电路举例 图6.2-9是一种简单的延迟AGC电路。电路有两个检波器，一个是信号检波器S，另一个是AGC的电平检测电路A。它们的主要区别在于后者的检波二极管VD2上加有延迟电压Vd。这样，只有当输出电压Uo的幅度大于Vd时，VD2才开始检波，产生控制电压up。与简单AGC不同，延迟AGC的电平检测电路不能和信号检波器共用一个二极管。因为检波器加上延迟电压Vd之后，对于小于 信号不能检测，而对大于 的信号将产生较大的非线性失真。,6.3 自动频率控制电路,这里讨论一种稳定频率的方法自动频率控制(简称AFC)。这也是一种
13、反馈控制电路，广泛用于各种接收机和发射机及通信系统。AFC电路可以自动调节振荡器的振荡频率，以减少频率变化，提高频率稳定度，使自激振荡器频率自动锁定到近似等于预期的标准频率上。,6.3.1 工作原理,图6.3-1是调幅超外差式接收机自动频率微调系统方框图。它的对象是振荡频率受误差电压控制的压控振荡器(简称VCO)。反馈控制器是由检测出频率误差的混频器、中频放大器以及将频率误差变换为相应电压的鉴频器组成的。,6.3-1 自动频率微调系统方框图,自动频率控制过程是利用误差信号的反馈作用来控制被稳定的振荡器频率，使之稳定。误差信号是由鉴频器产生的，它与两个比较频率源之间的频率差成比例。因而达到最后稳
14、定状态时，两个频率不能完全相等，必须有剩余频差。,AFC电路应用较广，下面就以接收机中的自动频率微调电路为例，简要介绍其工作原理。图6.3-2为带AFC电路的调频接收机方框图。,图6.3-2调频接收机的AFC系统方框图,接收机是以额定中频为鉴频器的中心频率，亦作为AFC系统的标准频率。其中，高放为可调放大器，本振与之统调。因为调频接收机本身有鉴频器，该AFC系统无需再另加鉴频器。但是，必须考虑到接收机的鉴频器输出不仅含有AFC的反馈控制电压，还有调频解调信号的电压，它也会控制本振频率的改变。为了消除这一影响，在鉴频器后必须加入低通滤波器。本振频率漂移和接收调频信号的中心频率漂移均为缓慢变化，由
15、此引起的电压变化可以通过低通滤波器转变为电压的变化。,当混频器输出的差频不等于额定中频时，鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器只允许直流电压输出，用来控制本振(压控振荡器)，使本振改变，直到差频减小至等于剩余频差为止。这固定的剩余频差叫做剩余失谐。显然，剩余失谐越小越好。例如图6.3-2的本振频率为46.556.5MHz，信号频率为4550MHz，额定中频为1.5MHz，剩余误差不超过9kHz。,6.3-3 鉴频特性曲线,表示输出电压与频率偏离中心频率的数量之间的关系曲线，叫做鉴频特性曲线。,图6.3-4 压控振荡器的调制特性曲线,表示压控振荡器频率与控制电压的关系的曲线，叫做调制特性曲线。
16、,图6.3-5 图解法确定AFC动态平衡点,对应于不同的初始失谐 值，调制特性曲线与 轴在不同的点相交。只有初始失谐值在一定范围内，AFC系统才能起作用，最终将已失谐的频率微调回来。参看图6.3-6，初始失谐值从很大(AFC系统不能工作)逐步减小到 值，此时调制特性曲线刚刚与鉴频特性曲线的d点相切，AFC系统开始发生作用，将频率捕捉回来，最后稳定在Q点。就叫做AFC系统的捕捉带。,反之，如果最初的失谐小于捕捉带，调制特性曲线如图中虚线所示，此时AFC系统已在工作，并平衡于B点。此后，如果不断增加初始失谐，并使之超过捕捉带，但只要不超过与鉴频特性曲线相切于b点的另一条调制特性曲线所决定的频带，A
17、FC仍然有效，不会失去信号。一旦初始失谐超过，AFC系统即失去作用。叫做同步带或抑制带。,6.3.2 自动频率微调(AFC)电路,在外差式接收机中，利用本机振荡信号与接收到的简频已调波信号进行混频，将简频已调波信号变换为中频信号。再经中频放大器放大。实际工作中，由于高频载波频率的漂移，或本机振荡频率的不稳定。都会使混频后的中频，偏离规定值(如电视接收机为38MHz)。这指导致中频放大器工作在失谐状态引起增益下降、信号失真等现象。如果采用自动频率微调(简称AFC)电路来锁定中频频率，就能克服上述缺点。,图6.3-7是采用AFC电路的调幅接收机组成方框图。与普通调幅接收机相比，增加了限幅(即切去调
18、幅包络)鉴频器、窄带低通滤波器和放大器，同时将本机振荡器改为压控振荡器，从面形成了一个附加的频率反馈环路。,由图6.3-7可知，无论何种原因当偏离规定值时，鉴频器输出的误差电压，经低通滤波和放大后去控制VCO的频率，使达到或接近规定值。,调频负反馈解调电路的组成方框图如图6.3-8所示，与普通调频接收机的解调电路相比较，区别在于它把输出的解调电压又反馈作为本机振荡器的VCO的控制电压，使其振荡频率按调制信号规律变化。这时对混频器而言，相当于加了两个载波频率不同而调制信号相同的调频波。,调频负反馈解调电路的突出优点是解调门限位低，这是因为负反馈使中频信号的最大频偏减小，相当于压缩了信号的有效带宽
19、，因此可以用通频带较窄的中频放大器来放大，于是进入中放并送至鉴频器输入端的噪声功率将随之减小，使得信噪比提高。如果维持频带压缩前的鉴频器输入端的信噪比不变，则混频器输入端所需的信噪比就可减小，即解调门限降低。因此，调频负反馈解调电路可以提高解调信号的质量。,6.4 锁相环路及频率合成,锁相环路(PLL)是一种自动相位控制系统，它能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定的关系即保持相位同步，称为锁相。已获得相位锁定的锁相环路有两个突出的特性：一是载波跟踪特性，二是调制跟踪特性。,6.4.1 锁相环路的基本原理 锁相环路又称自动相位控制电路。它是一种以消除频差为目的的反馈控制电路，它是利用相
20、位比较信号电压去消除频差。锁相环路基本组成方框图如图6.4-1所示。,图6.4-1 锁相环路基本组成方框图,它是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的闭合环路，比较部件采用的是鉴相器，它能够检出加到鉴相器中的两个输入信号之间的相差，即鉴相器输出电压与两个输入信号之间的相差大小成正比。,在锁相环路中，若压控振荡器的频率因外界因素作用而发生变化时，加到鉴相器中的输入信号即参考信号电压，与压控振荡器输出电压之间的相位差也相应地发生变化，鉴相器将输出一个与相差大小成正比的比较电压，经过环路滤波器取出其中缓慢变化的直流电压，再去控制压控振荡器振荡回路中的某个元件。,当两个振荡信
21、号频率相等时，则这两个振荡信号之间的相差必然等于常数。若两个振荡信号频率不相等，则它们之间相差将随时间变化。这时，锁相环路的输出信号频率等于参考信号(一般采用晶振)频率，其频率稳定度取决于参考信号的频率稳定度。而锁相环路就是利用两个振荡信号之间相差来控制压控振荡器输出信号的频率和相位，使这两个振荡信号的相差保持一个恒定值，从而达到锁相环路输出信号频率与参考信号频率相等之目的。,6.4.2 频率合成的基本原理,1直接合成法,利用一个晶体振荡器产生的振荡作为基准频率，由它产生一系列的谐波频率，然后再从这些谐波领率中取出任意两个或两个以上的频率进行组合，以得到这些频率的和频或者差频，这样便可获得所需
22、要的任意新频率。图6.4-1是直接合成法的原理框图。,图6.4-1 直接合成法的原理框图。,图中，各部分的作用是：(1)晶体振荡器 产生高稳定度的标准信号频率，将它输送给谐波发生器。(2)谐波发生器 由倍频器组成，用来产生标准信号频率的各次谐波。(3)混频器 产生两个输入信号的和频、差频以及它们各次谐波的和频及差频。(4)滤波器 滤掉不需要的频率，而只让所需要的某一频率或某一个频率范围的信号通过。,由图6.4-1看出，从谐波发生器输出频率中取出两个频率，输入到混频器中，在混频器的输出端便存在这两个频率的和频或差频，再通过滤波器把不需要的频率滤掉，从而得到所需要的某一新频率。只要改变混频器的两个
23、输入频率，便可得到任意一个新频率输出。,图6.4-2所示的是直接合成法的一种方案。为了得到一个频率为 信号，具体做法如下：第一步：从谐波发生器的输出端取出4MHz信号，加到一个1/10的分频器上。在分频器的输出端得到0.4MHz的信号。第二步：从谐波发生器的输出端取出3MHz信号，与1/10分频器输出的0.4MHz信号同时加到混频器(1)中、在其输出端可以得到二者的和频3.4MHz。,第三步：把5MHz的信号与0.34MHz的信号同时加到混频器(2)中，在其输出端得到5.34MHz的和频信号，再经过滤波器及1/10分频器后，得到输出为0.534MHz信号。第四步：将7MHz和0.534MHz的
24、信号加到混频器(3)中，在其输出端得到7.534MHz的和频信号，经过滤波器后，在输出端得到频率稳定度与晶体振荡器相同的7.534MHz的信号。,图6.4-2 直接合成法方案,直接合成法的优点是比较可靠、稳定。但是它也有一定的缺点，一是由于采用了大量的混频器、滤波器，造成整个设备体积庞大，成本较高。二是由于混频器存在许多组合频率，容易产生组合频率干扰，从而影响频率的稳定性。,2锁相环路法 锁相环路法是频率间接合成的方法。它是将压控振荡器的输出频率与石英晶体振荡器输出的标准频率同时送到鉴相器中进行比较。当压控振荡器因某种原因发生频率漂移时，其相位也相应地发生漂移，这时鉴相器使输出一个大小与相位偏
25、移成正比的比较电压，经过滤波器取出其中缓慢变化的直流电压，再去控制压控振荡器，使其振荡频率重新回到初始值上来，并且具有与石英晶体振荡器相同的频率稳定度。,图6.4-3所示的是锁相环路法的一个方案，通过该系统可以得到一系列的稳定频率。具体方法如下：,由晶体振荡器产生一个标准频率，通过谐波发生器后变成一系列具有同样频率稳定度的谐波频率，再将压控振荡器的信号与这一组谐波信号中的某一个频率信号同时加到混频器中，在其输出端得到二者的和频及差频，然后通过带通滤波器把不需要的频率滤掉，将所需要的信号频率加到鉴相器中，再从一组谐波信号中选出一个与它频率相同的谐波信号送到鉴相器进行比较，将这两,个信导的相差转换
26、成一个电压值，经过低通滤波器滤掉高频取出直流电压，加到压控振荡器中的电压控制元件上，控制压控振荡器的频率。当压控振荡器频率发生漂移时，其相位也相应地产生了偏移，通过鉴相器的比较，把压控振荡器的频率拉回到初始值上来。,图6.4-3 锁相环路法频率合成器,图6.4-4锁相环路法频率合成器举例,6.4.3 锁相环的应用 因锁相环具有良好的窄带滤波特性和跟踪滤波特性，能实现频率准确跟踪，并且易于集成，集成锁相环体积小，成本低，可靠性高，功能多，所以锁相环应用十分方便，得到广泛应用。,1锁相倍频 实现VCO输出瞬时频率锁定在输入信号频率的n次谐波上的环路称为锁相倍频器。它只要在基本锁相环路的反馈支路中插
27、入n分频器，即可实现n倍频，框图如图6.4-5所示。,图6.4-5锁相倍频器,环路锁定时 即可实现，可以证明所有线性环路的公式都适用于锁相倍频。,2锁相分频 凡是能实现VCO输出频率锁定在编入信号频率的n次分谐波上的环路称为锁相分频。只要在基本环路的反馈支路上插入一个倍频器n即可实现n次分频，如图6.4-6所示。,图6.4-6锁相分频器,环路锁定时 即可实现，可以证明所有线性环路的公式都适用于锁相分频。,3锁相混频 锁相混频电路的组成方框如图6.4-7所示，在反馈通道中插入混频器和中频放大器。,图6.4-7 锁相混频电路,锁相混频电路特别适宜于 的场合。因为用普通混频器对这两个信号进行混频时，
28、输出的和频 和差频 均十分靠近，要取出其中任意一个组合分量，滤除另一个组合分量，对混频器输出滤波器的要求都十分刻薄，特别当 和 在一定范围内变化时，尤其难以实现，而利用上述锁相混频电路进行混频则是十分方便的。,4锁相调频调相若载波跟踪型如图6.4-8所示，环路只跟踪中心频率，所以要求环路滤波器带宽做得足够窄，即带宽低于调制频率的下限。说明调制信号不参与反馈，则即可实现锁相调频。若控制VCO的信号取调制信号的微分，即实现载波跟踪型调相，这种调频调相的调制频率下限受到限制，使调制指数不宜做得太大。,图6.4-8载波跟踪型锁相调频框图,5锁相鉴频鉴相,对于载波跟踪型实现窄带调频、调相信号的解调，如框图6.4-9所示。为调频(或调相)信号，含有强的载被分量，在反馈环内只有载波中心频率参与反馈，因此鉴相器输出信号经低通滤波后即可反映调制信号(或调制信号的积分信号)。,图6.4-9锁相鉴频鉴相器,6锁相同步检波 因标准调幅波载波分量强，所以锁相环路采用载波跟踪型，实现提取出调幅波中载波分量做为参考信号，再用乘积型同步检波即可实现。如框图6.4-10所示。,图6.4-10锁相同步检波,Byebye,
