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。
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
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
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)
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。
• 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
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)
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：
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。
{ 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
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。
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。
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
{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
原理：
fd=fo’-fS
中 放 fd=fI
PD
fI
f0 VCO uc(t) LF
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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：
•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：
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。