反馈控制电路最新课件

《反馈控制电路最新课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《反馈控制电路最新课件（30页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、反馈控制电路 最新第二十讲第二十讲 反馈控制电路反馈控制电路20.1 概述概述20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路20.3 自动频率控制电路自动频率控制电路20.4 锁相环路锁相环路反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新20.概述概述 放大电路、放大电路、振荡电路、振荡电路、调制电路和解调电调制电路和解调电路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统,但是这样组成的系统其性能不一定完善。如但是这样组成的系统其性能不一定完善。如,调调幅接收机中幅接收机中,天线上感生的有用信号的强度往往天线上感生的有用信号的强度往往由于电波传播衰落等原因有较大的起

2、伏变化由于电波传播衰落等原因有较大的起伏变化,导导致放大器输出信号时强时弱；又如致放大器输出信号时强时弱；又如,在通信系统在通信系统中中,收发两地的载频应保持严格同步收发两地的载频应保持严格同步,使输出中频使输出中频稳定稳定,而要做到这一点也比较困难。而要做到这一点也比较困难。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 所以所以,为了提高通信和电子系统的性能指标为了提高通信和电子系统的性能指标,或者实现某些特定的要求或者实现某些特定的要求,必须采用自动控制方必须采用自动控制方式。式。由此由此,各种类型的反馈控制电路便应运而生各种类型的反馈控制电路便应运而生了。了。根据控制对象参量的不同根据控制

3、对象参量的不同,反馈控制电路可反馈控制电路可分为以下三类：分为以下三类：自动增益控制（）自动增益控制（）,自动自动频率控制（）和自动相位控制（）。频率控制（）和自动相位控制（）。自动相位控制电路又称为锁相环路（）自动相位控制电路又称为锁相环路（）,是应用最广的一种反馈控制电路。是应用最广的一种反馈控制电路。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新反馈控制电路的基本原理反馈控制电路的基本原理图20-1 反馈控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 比较器的作用是将外加参考信号（）和比较器的作用是将外加参考信号（）和反馈信号（）进行比较反馈信号（）进行比较,输出二者的差值即误输出二

4、者的差值即误差信号（）差信号（）,然后经过控制信号发生器送出控然后经过控制信号发生器送出控制信号（）制信号（）,对可控器件的某一特性进行控制。对可控器件的某一特性进行控制。对于可控器件对于可控器件,或者是其输入输出特性受控制信号或者是其输入输出特性受控制信号（）的控制（如可控增益放大器）（）的控制（如可控增益放大器）,或者是在或者是在不加输入的情况下不加输入的情况下,本身输出信号的某一参量受控本身输出信号的某一参量受控制信号（）的控制（如压控振荡器）。而反制信号（）的控制（如压控振荡器）。而反馈网络的作用是在输出信号（）中提取所需馈网络的作用是在输出信号（）中提取所需要进行比较的分量要进行比较

5、的分量,并送入比较器。并送入比较器。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 根据输入比较信号参量的不同根据输入比较信号参量的不同,图中的比较图中的比较器可以是电压比较器、器可以是电压比较器、频率比较器（鉴频器）或频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）三种相位比较器（鉴相器）三种,所以对应的（）所以对应的（）和（）可以是电压、频率或相位参量。和（）可以是电压、频率或相位参量。误差误差信号（）和控制信号（）一般是电压。信号（）和控制信号（）一般是电压。可控器件的可控制特性一般是增益或频率可控器件的可控制特性一般是增益或频率,所以所以输出信号（）的量纲是电压、频率或相位。输出信号（）的量纲是

6、电压、频率或相位。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 根据参考信号的不同状况根据参考信号的不同状况,反馈控制电路反馈控制电路的工作情况有两种：的工作情况有两种：参考信号（）不变参考信号（）不变,恒定为恒定为0。假假定电路已处于稳定状态定电路已处于稳定状态,输入信号（）恒输入信号（）恒定为定为0,输出信号（）恒定为输出信号（）恒定为0,误差信误差信号恒定为号恒定为0。现由于输入信号（）或可控器件本身现由于输入信号（）或可控器件本身的特性发生变化的特性发生变化,导致输出信号（）发生导致输出信号（）发生变化变化,产生一个增量产生一个增量,从而产生一个新的反从而产生一个新的反馈信号（）馈信号（

7、）,经与恒定的参考信号经与恒定的参考信号0比较比较,必然使误差信号发生变化必然使误差信号发生变化,产生一个增量产生一个增量。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 误差信号的变化将使可控器件的特性发生误差信号的变化将使可控器件的特性发生变化变化,从而使（）变化的方向与原来变化从而使（）变化的方向与原来变化的方向相反的方向相反,也就是使也就是使减小。减小。经过不断地经过不断地循环反馈循环反馈,最后环路达到新的稳定状态最后环路达到新的稳定状态,输出输出（）趋近于原稳定状态（）趋近于原稳定状态0。由此可见由此可见,反馈控制电路在这种工作情况反馈控制电路在这种工作情况下下,可以使输出信号可以使输出

8、信号y(t)稳定在一个预先规定的稳定在一个预先规定的参数上。参数上。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 .参考信号（）变化，由于（）变参考信号（）变化，由于（）变化化,无论输入信号（）或可控器件本身特性有无论输入信号（）或可控器件本身特性有无变化无变化,输出信号（）一般均要发生变化。从输出信号（）一般均要发生变化。从（）中提取所需分量并经反馈后与（）（）中提取所需分量并经反馈后与（）比较比较,如果二者变化规律不一致或不满足预先设置如果二者变化规律不一致或不满足预先设置的规律的规律,则将产生误差信号则将产生误差信号,使使（）向减小误（）向减小误差信号的方向变化差信号的方向变化,最后使（）

9、和（）的最后使（）和（）的变化趋于一致或满足预先设置的规律。变化趋于一致或满足预先设置的规律。由此可见由此可见,这种反馈控制电路可使输出信号这种反馈控制电路可使输出信号（）跟踪参考信号（）的变化。（）跟踪参考信号（）的变化。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 在通信系统中在通信系统中,由于受发射功率大小、由于受发射功率大小、收收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响发距离远近、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接收机所接收的信号强弱变化范围很大,信号最信号最强时与最弱时可相差几十分贝。因此强时与最弱时可相差几十分贝。因此,必须采用必须采用自动增益控制电路

10、自动增益控制电路,使接收机的增益随输入信号使接收机的增益随输入信号强弱而变化。强弱而变化。20.2 自动增益控制电路自动增益控制电路反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新20.2.1 工作原理工作原理电路组成框图电路组成框图 自动增益控制电路是一种在输入信号幅值自动增益控制电路是一种在输入信号幅值变化很大的情况下变化很大的情况下,通过调节可控增益放大器通过调节可控增益放大器的增益的增益,使输出信号幅值基本恒定或仅在较小使输出信号幅值基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路。范围内变化的一种电路。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新图20-2 AGC系统组成反馈控制电路 最新 设输入信号

11、振幅为设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为可控增益放大器增益为g（uc）,即其是控制即其是控制信号信号uc的函数的函数,则有：则有：Uy=Ag(uc)Ux反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 比较过程比较过程 在电路里,比较参量是信号电平,所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。反馈网络检测出输出信号振幅电平（平均电平或峰值电平）,滤去不需要的较高频率分量,然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较,产生一个误差信号。控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节,增益为1。若Ux减小而使Uy减小时,环路产生的控制信号uc将

12、使增益g增大,从而使Uy趋于增大。若Ux增大而使Uy增大时,环路产生的控制信号uc将使增益g减小,从而使Uy趋于减小。无论何种情况,通过环路不断地循环反馈,都应该使输出信号振幅Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 滤波器的作用滤波器的作用 环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路应具有低通传输特性环路应具有低通传输特性,这样才能保证仅对信这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时调幅信号时,为了使调幅波的有用

13、幅值变化不会为了使调幅波的有用幅值变化不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消（此现被自动增益控制电路的控制作用所抵消（此现象称为反调制）象称为反调制）,必须恰当选择环路的频率响应必须恰当选择环路的频率响应特性特性,使对高于某一频率的调制信号的变化无响使对高于某一频率的调制信号的变化无响应应,而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 控制过程说明控制过程说明 设输出信号振幅设输出信号振幅Uy与控制电压与控制电压uc的关系为的关系为:Uy=U

14、y0+kcuc=Uy0+Uy 又有又有:Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx 其中其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc 又有又有 Uy0=Ag(0)Ux0反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 式中的式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出是控制信号为零时所对应的输出信号振幅信号振幅,Ux0和和g（）是相应的输入信号振（）是相应的输入信号振幅和放大器增益幅和放大器增益,c和和皆为常数。皆为常数。若低通滤波器对于直流信号的传递函数为若低通滤波器对于直流信号的传递函数为,当误差信号当误差信号ue时时,写出写出UR和和Uy0、x0之间的之间的关系关系:UR=k2k3Uy0=k2k

15、3Ag(0)Ux0 当输入信号振幅当输入信号振幅UxUx0且保持恒定时且保持恒定时,环路环路经自身调节后达到新的平衡状态经自身调节后达到新的平衡状态,这时的误差电这时的误差电压压反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 u e=kb(R-k2k3y)又又 U y=Ag()+kck1u eUx 从以上两式可知从以上两式可知,u e0,否则将有否则将有Ux=Ux0,与条件不符合。同时也说明与条件不符合。同时也说明U yy0,即即电路是有电平误差的控制电路。式中，电路是有电平误差的控制电路。式中，k2、k3和和kb均为比例系数。均为比例系数。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新20.3 自动

16、频率控制电路自动频率控制电路 20.3.1 工作原理工作原理 自动频率控制（）电路由频率比较自动频率控制（）电路由频率比较器、器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成。低通滤波器和可控频率器件三部分组成。图20-3 AFC控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 电路的控制参量是频率。频率比较电路的控制参量是频率。频率比较器通常有两种器通常有两种,一种是鉴频器一种是鉴频器,另一种是混频另一种是混频鉴频器。在前一种情况鉴频器。在前一种情况,鉴频器的中心角频率鉴频器的中心角频率0起参考信号起参考信号r的作用。在后一种情况的作用。在后一种情况,本振本振信号信号(角频率为角频率为L)先与输

17、出信号先与输出信号(角频率为角频率为y)进行混频进行混频,然后再进行鉴频。然后再进行鉴频。参考信号参考信号r=0+L。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 频率比较器输出的误差信号频率比较器输出的误差信号ue是电压信号是电压信号,送入低通滤波器后取出缓变控制信号送入低通滤波器后取出缓变控制信号uc。可控。可控频率器件通常是压控振荡器（）频率器件通常是压控振荡器（）,其输其输出振荡角频率可写成出振荡角频率可写成:y(t)=y0+kcuc(t)其中其中y0是控制信号是控制信号uc(t)=0时的振荡角频时的振荡角频率率,称为称为的固有振荡角频率的固有振荡角频率,c是压控灵是压控灵敏度。敏度。反

18、馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 当频率比较器是鉴频器时当频率比较器是鉴频器时,输出误差电压为：输出误差电压为：ue=kb(0-y)=kb(r-y)若输出信号角频率若输出信号角频率y与鉴频器中心角频率与鉴频器中心角频率0不相等时不相等时,误差电压误差电压ue,经低通滤波器后送出控经低通滤波器后送出控制电压制电压uc,调节的振荡角频率调节的振荡角频率,使之稳定在使之稳定在0上。上。kb是鉴频灵敏度。是鉴频灵敏度。当频率比较器是混频当频率比较器是混频鉴频器时鉴频器时,其中混频其中混频器输出差频器输出差频d=y-L,而鉴频器输出误差电压为而鉴频器输出误差电压为:ue=kb(0-d)=kb(0

19、+L)-y=kb(r-y)反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 这时这时,L可以看成是输入信号角频率可以看成是输入信号角频率i,而而输出信号角频率输出信号角频率y跟随跟随i变化变化,从而实现了频率从而实现了频率跟踪。跟踪。鉴频器和压控振荡器均是非线性器件鉴频器和压控振荡器均是非线性器件,但在但在一定条件下一定条件下,可工作在近似线性状态可工作在近似线性状态,则则p与与c均可视为常数。均可视为常数。若差频若差频d与与0不相等时不相等时,误差电压误差电压ue0,经低经低通滤波器后送出控制电压通滤波器后送出控制电压uc,调节的振荡调节的振荡角频率角频率y,使之与使之与L的差值的差值d稳定在稳定

20、在0上。若上。若L是变化的是变化的,则则y将跟随将跟随L变化变化,保持其差频保持其差频d基基本不变。本不变。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新20.4 锁相环路锁相环路 电路有剩余频率误差存在电路有剩余频率误差存在,即频差不即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。可能为零。这是一个不可克服的缺点。锁相环路也是一种以消除频率误差为目的锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位的反馈控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平所以当电路达到平衡状态之后衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在虽然有剩余相位误差

21、存在,但频率但频率误差可以降低到零误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。踪和相位跟踪。反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 20.4.1基本原理基本原理 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。被控参量是相位。振荡器三部分组成。被控参量是相位。设旋转矢量设旋转矢量 和和 分别表示鉴相器输入参考分别表示鉴相器输入参考信号信号ui（）和压控振荡器输出信号（）和压控振荡器输出信号uy（）（）,它它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为i（）、（）、y（）和（）和i（）、（）、y

22、（）。显然（）。显然,只有当只有当两个旋转矢量以相同角速度（即两个旋转矢量以相同角速度（即iy）旋转时）旋转时,它们之间的相位差才能保持恒定值。它们之间的相位差才能保持恒定值。iUyU反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新图20-4 PLL控制系统组成反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新图20-5 跟踪原理反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 鉴相器将此恒定相位差变换成对应的直流电鉴相器将此恒定相位差变换成对应的直流电压压,去控制的振荡角频率去控制的振荡角频率y,使其稳定地振使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率荡在与输入参考信号相同的角频率i上。这种情上。这种情况称之为锁

23、定。反之况称之为锁定。反之,两者角频率不相等两者角频率不相等,相位差相位差不恒定不恒定,则称为失锁。若某种因素使则称为失锁。若某种因素使y偏离了偏离了i,比如说比如说,yi,则则 比比 旋转得慢一些旋转得慢一些,瞬时相瞬时相位差位差i（）（）y（）将随时间增大（）将随时间增大,则鉴则鉴相器产生的误差电压也相应变化。该误差电压通相器产生的误差电压也相应变化。该误差电压通过环路滤波器（实际上是一个低通滤波器）后过环路滤波器（实际上是一个低通滤波器）后,作作为控制电压调整的振荡角频率为控制电压调整的振荡角频率,使其增大使其增大,因而瞬时相位差也将减小。因而瞬时相位差也将减小。YUiU反馈控制反馈控制电路电路反馈控制电路 最新 经过不断地循环反馈经过不断地循环反馈,矢量的旋转角速矢量的旋转角速度逐渐加快度逐渐加快,直到与直到与 旋转角速度相同旋转角速度相同,重新重新实现实现yi,这时环路再次锁定这时环路再次锁定,瞬时相位差瞬时相位差0为恒值为恒值,鉴相器输出恒定的误差电压。鉴相器输出恒定的误差电压。YUiU反馈控制反馈控制电路电路