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反饋控制電路基礎知識

反饋控制電路基礎知識

在通信系統、自動控制系統和電子儀器等設備中，為了實現某種功能，或改善某種性能指標，常采用反饋控制電路。反饋控制是指將系統中某一輸出物理量（如信號振幅或頻率或相位）的一部分或全部回送到輸入端與輸入物理量進行比較，從而控制輸出物理量的過程。把系統的輸出端和輸入端所構成的閉合回路，稱作反饋控制環路。反饋控制系統如圖11.1所示。



1.1 自動振幅控制電路

在無線電通信系統中，有時需要接收近距離大功率電臺的信號，有時需要接收遠距離小功率電臺的信號，又有時，即使是接收同一電臺的信號，但由于接收機或發射機的移動，產生衰落，使得接收電波的場強有很大的變化。人們希望接收機解調出的信號不論是模擬的，或數字的，它的振幅應在一個較小的范圍內變化，以便對信號進行正確的識別與處理。這就需要采用自動振幅控制電路，為了實現自動振幅控制，往往采用控制解調前各級增益來達到要求，所以這種自動振幅控制電路，就是人們常說的自動增益控制電路（AGC），它的電路原理方框如圖11.2所示。



當電磁場場強較弱時，檢波器輸出的信號較小，通過濾波器，濾除低頻信號，保留反映載波強弱的直流信號Ud，直流Ud與基準電壓Eg比較，若小于Eg，直流比較放大器無控制信號Uc輸出，這就使得高頻放大器，混頻器和中頻放大器處于最大增益的工作狀態。當電磁場場強較強時，濾波器輸出直流信號Ud大于基準電壓Eg，直流比較放大器輸出控制信號Uc使高放、混頻、中放的增益下降。當電磁場場強更強時，Ud更大，Uc更大，高放，混頻，中放的增益下降得更多。如果沒有AGC，在弱信號工作正常時，在強信號作用下，高放、混頻、中放電路可能出現過載，使接收信號產生嚴重的非線性失真和各種干擾。反過來，若在強信號工作正常時，弱信號可能收不到，或湮沒于一片噪聲之中。

衡量AGC作用的技術指標是AGC控制范圍，它定義為在一定的信噪比和非線性失真條件下，輸入信號動態范圍與輸出信號動態范圍的對數差。



改變高放、混頻和中放增益的途徑，通常有如下三種方法：



第三，分流控制法，將控制元件并接在信號的傳輸路徑中，當AGC信號作用在控制元件上，使控制元件等效交流電阻下降，對信號進行分流，達到控制增益的目的。控制元件可以是二極管，三極管、場效應管，還可以是PIN二極管。AGC直流控制電壓作為二極管的偏置，使二極管等效交流電阻改變，對信號進行分流。AGC直流控制電壓作為三極管基極偏置，也可改變三極管集電極與發射極之間的等效交流電阻。場效應管處于可變電阻區工作，AGC直流控制電壓作為場效應管的柵極偏置，可改變漏源之間的等效交流電阻。PIN二極管是由重摻雜P+材料——輕摻雜N材料——重摻雜N+材料順序構成的二極管，中間的輕摻雜N材料區叫I層，也叫做本征層，由于該層多子即電子濃度低，經擴散后于形成一個很寬的耗盡層，所以PIN二極管中儲存的載流子壽命較長，對高頻信號呈現出惰性，通過它的高頻電流可以大于直流電流。PIN二極管對高頻電流呈現出線性電阻的作用，若增大直流偏置，即可減小其等效交流電阻。以上四種器件，都是隨AGC控制信號增大，其等效交流電阻變小，從而實現分流作用，降低增益。

11.2 自動頻率控制電路

在調頻通信系統中，接收機本振信號與輸入信號進行混頻，產生中頻信號，再通過中頻限幅放大進入鑒頻器解調，如圖11.3所示。假若本振信號的頻率發生漂移，或輸入信號頻率發生漂移（例如移動通信的多譜勒頻移），都可能使中頻調頻信號的中心頻率，偏離鑒頻器S鑒頻曲線中點對應的頻率，甚至超出鑒頻器的鑒頻范圍，產生嚴重的鑒頻失真，以至解調不出調制信號。











11.3 自動相位控制——鎖相

自動相位控制，是指一個自激振蕩器的相位，受另一個基準振蕩信號相位的控制，這里所說的相位含頻率與初相。當這兩個振蕩信號頻率達到相等，且相位差保持同步時，我們稱之為“相位鎖定”，自動相位控制過程即鎖相過程。故常將自動相位控制稱之為鎖相（PLL）。鎖相技術在現代通信系統、電子測量、自動控制等領域中獲得廣泛地應用。它比用自動頻率控制技術進行頻率跟蹤、穩頻等，在性能上優越得多，因為它沒有AFC中存在的剩余頻差。

11.3.1 鎖相環的組成及工作過程

最基本的鎖相環由鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成，如圖11.4所示。



當輸入信號與輸出信號的頻率不相等時，兩信號間存在相位差，即相角差 ，鑒相器將此相位差轉換為誤差電壓ud(t)，此電壓通過環路（低通）濾波器，濾除高頻分量，輸出控制電壓uc(t) 。 uc(t)控制壓控振蕩器使其振蕩頻率接近輸入信號頻率，通過環路的快速地循環調節，最終使輸出信號與輸入信號的頻率相等，相位差保持恒定，此種工作狀態叫環路鎖定狀態。

在鎖定狀態下，若輸入信號頻率在一定范圍內變化，環路使輸出信號的頻率跟隨輸入信號頻率變化，這種工作狀態叫跟蹤狀態。

原在鎖定狀態下，若輸入信號頻率變化超出一定范圍，超出了環路的調節能力，使壓控振蕩器回復到原先的自由振蕩狀態，輸出頻率 不再跟蹤輸入信號頻率 的變化而保持不變，此工作狀態稱失鎖狀態。

在失鎖狀態下，當輸入信號頻率回調到環路所能控制的頻率時，環路從開始調節到鎖定的過程叫捕捉過程，該過程所用的時間稱捕捉時間。

11.3.2 環路部件

如果將輸入、輸出兩信號，經過放大限幅處理，使之成為矩形方波信號，鑒相器仍可用模擬相乘器，或者用邏輯與門、邏輯異或門、異或非門，這些都可以實現鑒相功能。對于數字信號，更多地使用異或門進行鑒相。相對于與門，異或門輸出信號速率大于與門輸出速率一倍，更有利于后續環路濾波器濾除高頻分量，提取相差信號。



2.環路濾波器

環路濾波器，就是低通濾波器，它有如下幾種形式。

（1）RC積分型濾波器。

RC積分型濾波器如圖11.7



(3) 有源比例積分濾波器

有源比例積分濾波器如圖11.8所示。其傳遞函數為

3、壓控振蕩器（VCO）

實質上是調頻振蕩器，或稱電壓—頻率變換器，它的輸出頻率受控于uc(t) ， uc(t)反映輸入信號與輸出信號之間的相位差



VCO瞬時相位為:



11.3.3 鎖相環的相位模型與環路基本方程

鎖相環的相位模型，是指相位變化信息在鎖相環中傳遞的方框圖。所謂相位變化信息，指的是扣除不受環路調節控制作用的固有相位





由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器構成的鎖相環相位模型如圖11.11所示。







此狀態稱之為相位鎖定，或者稱環路鎖定。相位鎖定的特征是輸入、輸出兩信號的頻率相等。相位差恒定（常數的導數為零），使得控制電壓為定值uc(t) 。

上面分析的是輸入信號為頻率不變的正弦簡諧信號，假若輸入信號是調頻或調相的調角信號，或者說，是一個頻率可變的信號。若環路原先處于鎖定狀態，且鎖定在輸入信號的中心頻率上，當輸入信號頻率發生變化，通過環路控制作用，使環路重新進入鎖定狀態，這種動態過程稱為環路的跟蹤過程。

11.3.4 一階環路的圖解分析法

在上述的二階鎖相環中，去掉環路濾波器，即成為一階鎖相環。一階鎖相環雖無多少實用價值，但是對分析環路的許多特性，是具有重要意義的。

由式(11.33)可得：一階鎖相環路的基本方程



我們取自變量 為橫坐標，取因變量 為縱坐標。這樣構成的平面稱為相平面。按一階鎖相環路基本方程繪出的圖，如圖11.12所示。圖上的點，稱相點。相點移動的軌跡所形成的圖形稱相圖。注意相點軌跡是具有方向性的曲線。





11.3.5 捕捉帶與同步帶，

若環路原本處于失鎖狀態，由于環路的調節作用，最終進入鎖定狀態，這一過程，稱環路捕捉過程，環路能捕捉的最大起始頻差范圍稱捕捉帶或捕捉范圍，記作Δfo 。若環路原本處于鎖定狀態，由于溫度或電源電壓的變化，使VCO輸出頻率變化，或者輸入信號頻率變化，通過環路自動相位控制作用，使VCO相位（頻率）不斷跟蹤輸入信號的相位（頻率），這個過程稱跟蹤過程，或同步過程，或保持過程。

環路所能跟蹤的最大頻率范圍稱同步帶，或同步范圍或鎖定范圍，記作Δfh。



測定捕捉帶與同步帶的電路方框如圖11.13所示。



圖中：OSC是正弦波信號發生器，作為PLL的輸入信號源

f是數字頻率計，測PLL輸入信號頻率

U是數字萬用表，置于直流電壓檔，測VCO控制電壓（含VCO偏置

電壓）。

SR是示波器，X端、Y端分別連接輸入、輸出信號用于觀察李沙育

圖形。

若輸入、輸出信號頻率相等（鎖定）則出現穩定的單孔橢圓，或圓或直線段等。若輸入、輸出信號頻率不相等，則出現多孔橢圓，或橫網、豎網、斜網等圖形，從而判斷鎖定與失鎖。還可以根據橢圓長軸的傾斜程度，確定輸入、輸出信號之間相位差。

R和C是壓控振蕩VCO的定時電阻和定時電容，它們共同確定VCO的固有振蕩頻率。

測試的方法是：首先，將信號發生器的頻率，由低往高緩慢調整，觀察李沙育圖形為失鎖狀態。直流數字電壓表示值為U0。當頻率升高到f 1時，李沙育圖形為一個橢圓，即為鎖定狀態。U的示值下跳為U1，再緩慢升高信號發生器頻率，李沙育圖形仍為橢圓，但長軸傾斜角發生變化，U的示值上升。不斷升高信號發生器頻率，達f 2時，李沙育圖形由單孔橢圓變成不穩定的網形，即由鎖定變成失鎖，U的示值由U2跳回至U0 。此時繼續升高信號發生器頻率，環路仍處于失鎖狀態，的表示值不變。

然后，將信號發生器的頻率由高往低緩慢回調，當頻率降為f 3時，環路由失鎖變為鎖定，U的示值跳到U3，再繼續降低信號發生器頻率，環路仍處于鎖定狀態，U的示值不斷下降。當信號發生器頻率達到f 4時，環路由鎖定變為失鎖，U的示值由U4再度跳回到失鎖時示值U0 。繼續降低信號發生器頻率，環路仍處于失鎖狀態，直流數字電壓表示值不變。將測試記錄數據繪成圖形，如圖11.14所示。

11.4 鎖相環的應用

鎖相環分模擬鎖相環（APLL）和數字鎖相環（DPLL）兩種。它們主要差別在于鑒相器，APLL用模擬乘法器構成鑒相器，而DPLL用門電路，比如用異或門構成鑒相器。APLL對輸入、輸出信號振幅的大小沒有嚴格的要求，只要振幅穩定即可。而DPLL，卻要求輸入輸出信號的振幅要符合門電路對高電平、低電平的要求，同時也要振幅穩定。此外，對信號進行混頻、倍頻一般采用模擬方法，對信號進行分頻一般采用數字的方法。

由于集成電路技術的進步，集成鎖相環品種越來越多，應用范圍越來越寬，現代通信技術越來越依賴于鎖相環。

11.4.1 調頻波鎖相解調電路





11.4.2 調相波的鎖相解調電路

若調相波的調相指數較小，例如mp＜2，屬于窄帶調相，信號中就有一定能量的載波（中心頻率 ）。若鎖相環選用窄帶鎖相環，所謂窄帶，指同步帶和捕捉帶都窄。實用中，壓控振蕩器采用帶部分接入的變容二極管構成的LC振蕩器。環路濾波器采用較大的積分時間常數，濾除輸入信號中的調制分量。那么VCO只能跟蹤調相波的中心頻率，這種鎖相環稱載波跟蹤型鎖相環。如圖11.16所示

11.4.3 普通調幅波的解調電路

普通調幅波（AM）含有攜帶調制信號的上、下邊帶，還含有較強的載波分量，假若采用窄帶跟蹤環，便可以從AM信號中提取載波，再經過90°的相移，便可用作同步檢波的相干信號。該解調電路如圖11.17所示。





11.5 鎖相頻率合成器

鎖相頻率合成器，有使用模擬鎖相環的，也有使用數字鎖相環的。這兩種鎖相環的物理過程和基本原理是一致的，只是波形和數學表達上有差異，本教材不進行過多討論。頻率合成即是利用一個頻率高度穩定的信號源，例如石英晶體振蕩器產生一個參考頻率，再通過分頻器、鎖相環等，產生一系列的與參考頻率一樣穩定的新的頻率源。下面分別舉三種例子，介紹頻率合成器。

11.5.1 基本數字頻率合成器

最基本的數字頻率合成器，是可以實現有理數分頻的頻率合成器，如圖11.21所示。

圖中參考分頻器和程序分頻器是由帶預置數的減法或加法計數式分頻器組成。環路一旦鎖定，鑒相器兩輸入端的信號頻率必定相等。于是可導出頻率合成器輸出頻率f 0，



現在舉一個實例：某傳真機用1850Hz和1650Hz的FSK信號，代表1和0的二進制數據發送信息。給定1024KHz石英晶體，用頻率合成實現此功能。先求取1850和1650的最大公約數為50，則



用頻率合成器構成的FSK信號發生器如圖11.22所示，圖中1024KHz晶振及2048分頻用CC4060 14位二進制串行計數/分頻器實現。10分頻用CC4017十進制計數/分頻器實現。37/33程序分頻器用CC14526可預置數4位二進制1/N計數器兩片級聯構成，37/33程序分頻器也可用CC4024 7位二進制串行計數/分頻器一片，外加邏輯門及D觸發器構成。鎖相環用CC4046。