反馈控制系统

一、模拟锁相环路的构成
（一）APLL的构成（如图）：
目标信号
ud(t) 鉴相器 环路滤波器
uc(t)
压控振荡器
u(t) PD
LF
VCO
输出
u0(t)
各部分的功能：
• PD：检测捕者与被捕者之间的相位差，以控制电压的形式去
调节VCO实现频率同步和相位锁定。
• LF：传递相位误差信息，滤除PD输出的高次谐波分量和噪声， 输出控制电压。
动，实现了跟踪。见图(C)
S
o
Ⅰ e(t)
Ⅱ
S
o’=S
Ⅰ e Ⅱ
S
Ⅰ e(t) o Ⅱ
(a)
(b)
(C)
四、模拟锁相环路的基本方程和锁定概念
（一）模拟锁相环路的基本方程：
由数学模型可得：
1(t)
e(t) U d sine (t) ud(t) F(P) uC(t)
Ko/P
2(t)
2(t)
2
(t)
U
d
2(t)
2(t)
（ 1 ）锁定后：由于瞬时频率误差为0；
则V=S，即VCO信号与目标信号频率同步(输入与输出同步)。
（ 2 ）锁定后： pe (t) 0
Lim
t
e
(t)
e
常数。e---APLL剩余相位误差。
（ 3 ）锁定后：由于e=常数；
Lim
t
ud
(t
)
Ud
sine
Ud (0)
Lim
t
uc (t)
F(0)Ud Sine
UC (0)
F(0)---LF的直流传输函数。
•即ud(t)、uc(t)均与时间无关，即成为直流电压。
pe (t) Kd KoSine (t) F ( p) V （4）锁定后：K d K 0 F (0)Sin e V
固有频差 为有限制
e
arcSin
V
K d K0 F (0)
第八章 反馈控制系统
第一节 概述 第二节 自动增益控制（AGC）电路 第三节 自动频率控制（AFC）电路 第四节 模拟锁相环路（APLL） 第五节 APLL电路及应用 第六节 数字锁相环路（DPLL）
第一节 概述
（一）、反馈控制系统的构成：
•由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。
{ 1.以滤波器为主的直接频率合成技术 2.锁相频率合成技术
•数字频率合成器的优点：
•体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。
1.单环数字频率合成器:
组成框图如图： 晶振
PD fr
LF
f0
VCO
f0’
1/N •设要求移动电台频道识别能力为100Hz，则基准频率fr和鉴 相器的工作频率取为100Hz；
•已知VCO输出频率f0为33.9999MHz，可求得分频系数N。 因为环路所定后：f0/ N= fr •所以：N= f0/ fr=（ 33.9999 ）106/100=30000 39999 •由f0=Nfr可知，改变分频系数N可改变输出频率f0。 •频道间隔f0（亦称步长）为fr = 100Hz
• VCO：在控制电压的的作用下，实现频率同步和相位锁定。
二、模拟锁相环路的工作原理
用旋转矢量说明：旋转矢量Ⅰ--目标信号；旋转矢量Ⅱ--vco信号。
•捕捉前：So两矢量间相位差e(t)随时间t增长。图（a）
•锁定后：o为o’， o’= S两矢量间相位差e为常数。图（b）
•锁定后: 当目标信号频率S（t）变动时，VCO频率e(t) 随之变
{低频型（f<1MHz） 高频型（130MHz） 超高频型(f>30MHz)
二、APLL 的应用
（一）锁相接收机（电路框图如图）
fs:接收的目标信号频率；fs fd:经混频后的差频，即 中频信号fI;
混频
fo’=Nfo
锁相目的：使fdfI
N倍频
Baidu Nhomakorabea
原理：
fd=fo’-fS
中 放 fd=fI
PD
fI
f0 VCO uc(t) LF
•同步带：把在环路锁定状态下，能维持锁定所允许的最大固 有频差的 2 倍称为跟踪带或同步带。 （用H表示）。
由 e
arcSin
V
Kd K0F (0)
arcSin
V
KV
可知;
当V 增大到V KV时 :
•上式无解，即环路不存在锁定的e,；
•能维持锁定所允许的最大固有频差Vmax=KV； •据跟踪带定义为：
Sin
e
(t)
F
(
p)
Ko P
•则环路输入相位和输出相位之间都存在着动态平衡关系。
即：
e
(t
)
2
(t
)
e
(t
)
U
d
Sin
e
(t
)
F
(
p)
Ko P
1(t)
•此式是APLL的动态相位平衡方程。
（三）模拟锁相环路的锁定特征
1(t)
e(t) U d sine (t) ud(t) F(P) uC(t)
Ko/P
Uo
比较器
发生器
放大器
直流 放大器
低通 滤波器
电平 检测器
反馈网络
第四节 模拟锁相环路（APL）
• 锁相环路的功能： 实现频率同步（频差为 0）和相位跟踪（相差为一很小的常
数）。 •锁相技术：是一种从噪声中主动捕捉目标信号的技术。
信号和噪声有本质区别：
•信号有一定的频率、相位变化规律； •噪声虽然其频谱处于频带内，但是随机、离散、无规律的； •PLL正是根据它们这种本质区别来捕捉提取信号的。
arcSin V
KV
KV---APPL的环路锁定增益。
•显见，KV或V e ，而e 越小，跟踪效果越好。
五、模拟锁相环路两种调节过程
（一）跟踪过程：（锁定——再次锁定） 环路锁定后： 若输入信号频率发生变化，而使瞬时相位变化——产生控制电 压——控制VCO，跟踪输入信号频率——再次锁定。 •对锁定的APLL，锁定的动态平衡有一定极限。
本章小结
1. 反馈系统的构成及分类 2. APLL电路的构成、原理、数学模型、基本方程、锁定特
征、两种调节过程（同步带、捕捉带）线性分析及其应 用分析 3.锁相环的应用:如，锁相接收机、频率合成技术
H= Vmax= KV= KdKoF(0)
（二）环路的捕捉过程 ---环路由失锁进入锁定的过程
•环路失锁时：VCO与目标信号频率间存在频差V=S-V ， 1）若V很小：ud(t)=sine (t)频率较低容易通过LF，产生控制 电压uc(t)，VOC输出一调频波V(t)在0(t)上下摆动。由于V 很小，很容易摆动到s，使环路进入锁定状态。
ud(t)
•将fd、fI 加至 PD进行鉴相，利用差拍电压uc(t)去控制VCO。 锁定时，输出振荡的N倍频 f0’ ( =Nf0)- fs = fd= fI 完全同步。
•接收机本振频率可通过改变N来调整，达到切换接收目标信号频 率的目的。
（五）数字频率合成系统
•频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测量领 域已得到广泛应用。 •具其组成原理，可分为两类：
2）若V过大：ud(t)频率较大不能通过LF，产生不了控制电 压uc(t)，环路无法捕捉到S、一直处于失锁。 •存在着一个保证环路由失锁经捕捉而进入锁定的最大允许值 Vmax, 称为捕捉带（用p表示）。
第五节 APLL电路及其应用
一、集成锁相环路： •将PD、VCO、放大器等集成在一块芯片上，各部件之间不连 接或部分连接，以便于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电 路，具有灵活、功能强等特点。 •按最高工作频率不同，集成锁相环分为：
参考 信号 Xr(t)
反馈 信号 Xf(t)
比较器
输入
误差
控制
信号
信号
信号
Xi(t)
Xd(t) 控制信号 发生器
Xc(t)
可控器件
输出 信号
X0(t)
反馈网络
（二）、反馈控制电路的分类
• 据反馈控制的对象分为：
自动增益控制（AGC）— 用于稳定输出信号电压的幅度。
自动频率控制（AFC）— 用于控制目标信号的频率，使其与通 道中心频率一致，以获得谐频增益。
自动相位控制（APC）— 用于实现振荡信号与目标信号的频率 和相位的跟踪。亦称锁相环路(PLL)。
•据环路内部是模拟电路还是数字电路可细分为： 模锁相环（APLL） 数字锁相环（DPLL）。
第二节 自动增益控制电路
一、AGC电路的组成框图：
比较参量
为电压
ui
UR
电压 ud 控制信号 uc 可控增益