第8章 反馈控制电路

反馈控制电路必须有误差元件和执行元件两个不可缺少的部 分组成。误差元件用来将实际输出信号与参考信号进行量的比 较，产生一误差信号输出；执行元件受误差信号的控制，调节 输出信号，使之与参考信号之间接近或恢复到预定的数值。
参考信号 u r(t) 比较器 反馈 信号 u f(t)
输入信号 u i (t) 误差信号 u e(t) 控制信号 发生器 控制信号 u c(t) 可控 器件 输出信号 u o (t)
反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系统受 到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达 到所需的精度，或按照一定的规律变化。 在通信、电子设备中，为了提高它们的性能或实现某些特定 的要求，广泛采用各种类型的反馈控制电路。
参考信号
误差元件
误差 信号
执行元件
输出信号
反馈控制电路基本组成框图
在超外差接收机中，用混频器将高频输入信号变换成一个固 定中频信号，再进行放大。但在实际电路中常常会出现本机振 荡频率不稳的情况，使中频信号频率偏离固定中频，造成中频 放大电路工作在失谐状态，因而增益下降，接收灵敏度降低， 严重时甚至丢失信号。为此，可在接收机中采用自动频率控制 电路(AFC:Automatic Frequency Control)，使混频器输出的 中频尽可能接近固定的中频值。它也可以用在发射机或其它电 子设备中,自动调整其输出信号频率，使其保持基本不变。
反向AGC控制电路 若-VC改为VC，则变 为正向AGC控制电路
具有AGC电路的接收机组成框图
8.2 自动频率控制电路 8.2.1 自动频率控制电路的作用
频率源是通信和电子系统的心脏，频率源性能的好坏，直接 影响到系统的性能。频率源的频率经常受各种因素的影响而发生 变化，偏离了标称的数值。此时需要采取一些稳定频率的措施。
d e ( t ) lim 0 t dt
用锁相技术稳频，被控振荡和基准振荡之间，只有 剩余相位差，而没有频差。而AFC系统却总有一定的频 差，所以实际的稳频系统大多采用锁相技术。 锁相技术在电子学和通信技术中的应用十分广泛。 利用锁相环路可以实现许多功能，尤其是利用锁相原 理可以获得频率合成器。 近年来，由于无线电通信技术的迅速发展，对振荡信 号源的要求也不断提高。不但要求它的频率稳定度和准 确度高，而且要求能方便地改换频率。我们知道，石英 晶体振荡器的频率稳定度和准确度是很高的，但改换频 率不方便，只宜用于固定频率；LC振荡器改换频率方便， 但频率稳定度和准确度又不够高。能不能设法将这两种 振荡器的特点结合起来，兼有频率稳定度与准确度高， 而且改换频率方便的优点呢？近年来获得迅速发展的频 率合成技术，就能满足上述要求。
8.1.3 自动增益控制电路 一、产生AGC电压的简单电路 在简单AGC电路里，参考 电平Ur＝0。这样,只要输入 信号振幅Ui增加，AGC的作 用就会使增益Kv减小，从而 使输出信号振幅Uo减小。
mi U i max U i min 输入动态范围 U o max U o min 输出动态范围 mo
简单AGC的特性曲线 增益动 态范围
优点：线路简单，在实用电路中不需要电压比较器；缺点： 一有外来信号，AGC立即起作用，接收机增益就受控制而减小。 所以简单AGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。
二、产生AGC电压的延迟电路
在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电 压Ur，它对应的输入信号振幅Uimin。由于Ui>Uimin之后 才开始起控制作用，故称为延迟AGC。这里“延迟”二 字不是指时间上的延迟。 由于延迟电压的存在，信号检波器必然要与AGC检波 器分开，否则延迟电压会加到信号检波器上，使外来 小信号时不能检波，而大信号时又产生非线性失真。
8.2.3 应用
调频通信机的AFC系统方框图 这个自动频率微调电路（简称AFC电路）是以固定中频fI作为 鉴频器的中心频率,亦作为AFC系统的标准频率。
8.3锁相环的基本原理 8.3.1 工作原理
锁相环的基本构成
锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PD: Phase Detector)、环路滤波器(LF:Loop Filter)和电 压控制振荡器(VCO:Voltage Controlled Oscillator) 三个基本部件组成。
2、锁相鉴频
四、锁相混频电路 8.4 频率合成器 8.4.1 频率合成器及其技术指标(自学) 8.4.2 频率合成器的类型(自学) 一、直接式频率合成器（DS） 二、间接式频率合成器（IS） 三、直接数字式频率合成器（DDS） 8.4.3 锁相频率合成器 8.4.4 集成锁相环频率合成器(了解)
内容提要
8.1.5 放大器增益控制 实现放大器增益的控制，可以有多种方法。 控制晶体管发射极电流(或集 电极电流)实现增益控制的方法 是通过改变各级管子的工作点来 实现的。 当IC=IC0时，功率增益AP最大，偏离IC0以后，AP都要 减小，因此，只要用AGC电压改变晶体管的基极偏臵电 压，使IC发生变化，晶体管的功率增益就发生变化。 晶体管的受控方式分为正向和反向两大类。IC 减小 使增益减小的称为反向AGC；IC增大使增益减小的称为 正向AGC。应用较多的是正向AGC。 为了改进增益的控制效果，有专门设计的AGC管子出售。
8.2.2 工作原理
自动频率控制电路的组成
频率比较器通常有两种：一是鉴频器，二是混频－鉴 频器。在鉴频器中的中心频率ω0就起ωr的作用，而在 混频－鉴频器，本振信号角频率ωL与输出信号角频率 ωY混频，然后再进行鉴频，参考信号角频率ωr=ω0+ ω L。 当ωY＝ωr时，频率比较器无输出，可控频率器件输 出频率不变，环路锁定；当ωY不等于ωr时，频率比较 器输出误差电压ue，它正比于ωY－ωr，将ue送入滤波 器后取出缓变控制信号uc。
8.1 自动增益控制电路 8.1.1 自动增益控制电路的作用 自动增益控制(AGC:Automatic Grain Control)是接 收机的重要辅助电路之一，电路的作用是当输入信号变 化很大时，使接收机输出电压保持恒定或基本不变。 在通信、导航、遥测遥控等无线电系统中，由于受发 射功率大小、收发距离远近、电波传播衰落等各种因素 的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大，信号 强度的变化可以从几微伏至几毫伏，相差几十分贝百度文库 接收机的输出电平取决于输入信号电平及接收机的增 益。而接收机的输入信号的电平通常有很大的差异，若 接收机的增益恒定不变，则输出电平必然有很大差异。 因此我们希望接收器的增益不是恒定不变的，而是随接 收信号的强弱而变化：信号强时增益低，信号弱时增益 高，这样就能正常接收。
第8章 反馈控制电路
8.1 自动增益控制电路 8.1.1 自动增益控制电路的作用 8.1.2 工作原理 8.1.3 自动增益控制电路 8.1.4 AGC的性能指标(自学) 8.1.5 放大器增益控制 8.2 自动频率控制电路 8.2.1 自动频率控制电路的作用 8.2.2 工作原理 8.2.3 应用 8.3 锁相环的基本原理 8.3.1 工作原理 8.3.2 锁相环工作过程的定性分析
可控频率器件通常是压控振荡器(VCO),其输出振荡 y y 0 kcuc 角频率可写成 uc控制VCO，调节VCO的振荡角频率，使之稳定在鉴 频器中心频率ω0 上。
自动频率控制电路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。因而达到最后稳定状态时，两个频率不能完全相 等，必须有剩余频差Δω=|ωY－ωr|存在。
一、锁定状态 三、失锁状态 二、跟踪过程 四、捕获过程
8.3.3 AFC与PLL的比较
8.3.4 锁相环路的重要特性 8.3.5 集成锁相环(了解) 8.3.6 锁相环路的应用 一、锁相环路的调频与解调
1、锁相调频
二、AM信号的锁相同步检波器 三、锁相倍频器与锁相分频器
1、可变分频锁相倍频电路 2、可变倍频锁相分频电路
8.1.4 一、动态范围
AGC的性能指标(自学)
AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅 与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。 AGC的动态范围是在给定输出信号变化范围内，允 许输入信号振幅的变化范围。 AGC的动态范围越大， 性能越好。 二、响应时间 AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实 现对输出信号振幅变化的限制,而增益变化又取决于 输入信号振幅的变化,所以要求AGC电路的反应既要 能跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调 制现象,这就是响应时间特性。
ur (t ) Ur sin[rt r (t )] 方法一 若参考信号是未调载波时,则θr(t)=θr=常数。 uo (t ) Uo cos[ot o (t )] 两信号之间的瞬时相差为
两信号之间的瞬时频差为
d e ( t ) d ( t ) r 0 0 dt dt
反馈 网络
反馈控制系统的组成 根据输入比较器的信号参量的不同，图中的比较器 可以是电压比较器、频率比较器(鉴频器)、相位比较 器(鉴相器)三种，所以对应的输入可以是电压、频率 或相位参量。可控器件的可控特性一般是增益、频率 或相位，所以输出信号的量纲是电压、频率或相位。
根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路可以分为以 下三类： 自动增益控制电路(AGC:Automatic Gain Control)：需要比 较和调节的参量为电压和电流，它主要用于接收机中，以维持 整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。 自动频率控制电路(AFC: Automatic Frequency Control)： 需要比较和调节的参量为频率，用于维持电子设备的工作频率 稳定。 自动相位控制电路(APC: Automatic Phase Control)又称 锁相环路(PLL:Phase Locked Loop)：需要比较和调节的参量 为相位。锁相环路是使一个自激振荡器所产生的振荡的相位， 与外来基准振荡的相位保持一定的关系，称为相位锁定。由 于相位锁定，而使自激振荡器的振荡频率与基准振荡的频率 保持确定关系，从而达到稳定自激振荡频率的目的。
8.1.2
工作原理
自动增益控制电路框图
Uo Kv (uc )Ui
反馈网络检测出输出信号电平，滤除不需要的较高频 率分量，进行适当放大后与恒定的参考电平比较，产生 一个误差信号，并通过控制信号发生器去控制可控增益 放大器的增益。
当ui减小而使输出uo减小时，环路产生的控制信号 uc使增益KV增加，从而使uo趋于增大； 当ui增大而使输出uo增大时，环路产生的控制信号 uc使增益KV减小，从而使uo趋于减小。 通过环路的反馈控制作用，可使输入信号幅度增大 或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围 内变化，这就是自动增益控制作用。
鉴相器产生对应于两个信号相位差θe(t)的误差电压ud(t)。 环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声， 以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。VCO受控制电 压uC(t)的控制，使其频率向参考信号的频率靠近，于是二者 的频差越来越小，直至频差消除而被锁定。
锁相环的工作原理可简述如下：首先鉴相器把输出 信号和参考信号的相位进行比较，产生一个反映两信 号相位差大小的误差电压，经过环路滤波器的过滤得 到控制电压。调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢， 直至最后二者频率相等而相位同步实现锁定。锁定后 二者之间的相位差表现为一固定的稳态值。
三、前臵AGC、后臵AGC与基带AGC(自学) 前臵AGC是指AGC处于解调以前,由高频（或中频） 信号中提取检测信号,通过检波和直流放大,控制高频 （或中频）放大器的增益。 后臵AGC是从解调后提取检测信号来控制高频（或 中频）放大器的增益。 基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。 基带AGC可以用数字处理的方法完成，这将成为AGC电 路的一个发展方向。