反馈控制电路基础知识

反馈控制电路基础知识

在通信系统、自动控制系统和电子仪器等设备中，为了实现某种功能，或改善某种性能指标，常采用反馈控制电路。反馈控制是指将系统中某一输出物理量（如信号振幅或频率或相位）的一部分或全部回送到输入端与输入物理量进行比较，从而控制输出物理量的过程。把系统的输出端和输入端所构成的闭合回路，称作反馈控制环路。反馈控制系统如图11.1所示。



1.1 自动振幅控制电路

在无线电通信系统中，有时需要接收近距离大功率电台的信号，有时需要接收远距离小功率电台的信号，又有时，即使是接收同一电台的信号，但由于接收机或发射机的移动，产生衰落，使得接收电波的场强有很大的变化。人们希望接收机解调出的信号不论是模拟的，或数字的，它的振幅应在一个较小的范围内变化，以便对信号进行正确的识别与处理。这就需要采用自动振幅控制电路，为了实现自动振幅控制，往往采用控制解调前各级增益来达到要求，所以这种自动振幅控制电路，就是人们常说的自动增益控制电路（AGC），它的电路原理方框如图11.2所示。



当电磁场场强较弱时，检波器输出的信号较小，通过滤波器，滤除低频信号，保留反映载波强弱的直流信号Ud，直流Ud与基准电压Eg比较，若小于Eg，直流比较放大器无控制信号Uc输出，这就使得高频放大器，混频器和中频放大器处于最大增益的工作状态。当电磁场场强较强时，滤波器输出直流信号Ud大于基准电压Eg，直流比较放大器输出控制信号Uc使高放、混频、中放的增益下降。当电磁场场强更强时，Ud更大，Uc更大，高放，混频，中放的增益下降得更多。如果没有AGC，在弱信号工作正常时，在强信号作用下，高放、混频、中放电路可能出现过载，使接收信号产生严重的非线性失真和各种干扰。反过来，若在强信号工作正常时，弱信号可能收不到，或湮没于一片噪声之中。

衡量AGC作用的技术指标是AGC控制范围，它定义为在一定的信噪比和非线性失真条件下，输入信号动态范围与输出信号动态范围的对数差。



改变高放、混频和中放增益的途径，通常有如下三种方法：



第三，分流控制法，将控制元件并接在信号的传输路径中，当AGC信号作用在控制元件上，使控制元件等效交流电阻下降，对信号进行分流，达到控制增益的目的。控制元件可以是二极管，三极管、场效应管，还可以是PIN二极管。AGC直流控制电压作为二极管的偏置，使二极管等效交流电阻改变，对信号进行分流。AGC直流控制电压作为三极管基极偏置，也可改变三极管集电极与发射极之间的等效交流电阻。场效应管处于可变电阻区工作，AGC直流控制电压作为场效应管的栅极偏置，可改变漏源之间的等效交流电阻。PIN二极管是由重掺杂P+材料——轻掺杂N材料——重掺杂N+材料顺序构成的二极管，中间的轻掺杂N材料区叫I层，也叫做本征层，由于该层多子即电子浓度低，经扩散后于形成一个很宽的耗尽层，所以PIN二极管中储存的载流子寿命较长，对高频信号呈现出惰性，通过它的高频电流可以大于直流电流。PIN二极管对高频电流呈现出线性电阻的作用，若增大直流偏置，即可减小其等效交流电阻。以上四种器件，都是随AGC控制信号增大，其等效交流电阻变小，从而实现分流作用，降低增益。

11.2 自动频率控制电路

在调频通信系统中，接收机本振信号与输入信号进行混频，产生中频信号，再通过中频限幅放大进入鉴频器解调，如图11.3所示。假若本振信号的频率发生漂移，或输入信号频率发生漂移（例如移动通信的多谱勒频移），都可能使中频调频信号的中心频率，偏离鉴频器S鉴频曲线中点对应的频率，甚至超出鉴频器的鉴频范围，产生严重的鉴频失真，以至解调不出调制信号。











11.3 自动相位控制——锁相

自动相位控制，是指一个自激振荡器的相位，受另一个基准振荡信号相位的控制，这里所说的相位含频率与初相。当这两个振荡信号频率达到相等，且相位差保持同步时，我们称之为“相位锁定”，自动相位控制过程即锁相过程。故常将自动相位控制称之为锁相（PLL）。锁相技术在现代通信系统、电子测量、自动控制等领域中获得广泛地应用。它比用自动频率控制技术进行频率跟踪、稳频等，在性能上优越得多，因为它没有AFC中存在的剩余频差。

11.3.1 锁相环的组成及工作过程

最基本的锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成，如图11.4所示。



当输入信号与输出信号的频率不相等时，两信号间存在相位差，即相角差 ，鉴相器将此相位差转换为误差电压ud(t)，此电压通过环路（低通）滤波器，滤除高频分量，输出控制电压uc(t) 。 uc(t)控制压控振荡器使其振荡频率接近输入信号频率，通过环路的快速地循环调节，最终使输出信号与输入信号的频率相等，相位差保持恒定，此种工作状态叫环路锁定状态。

在锁定状态下，若输入信号频率在一定范围内变化，环路使输出信号的频率跟随输入信号频率变化，这种工作状态叫跟踪状态。

原在锁定状态下，若输入信号频率变化超出一定范围，超出了环路的调节能力，使压控振荡器回复到原先的自由振荡状态，输出频率 不再跟踪输入信号频率 的变化而保持不变，此工作状态称失锁状态。

在失锁状态下，当输入信号频率回调到环路所能控制的频率时，环路从开始调节到锁定的过程叫捕捉过程，该过程所用的时间称捕捉时间。

11.3.2 环路部件

如果将输入、输出两信号，经过放大限幅处理，使之成为矩形方波信号，鉴相器仍可用模拟相乘器，或者用逻辑与门、逻辑异或门、异或非门，这些都可以实现鉴相功能。对于数字信号，更多地使用异或门进行鉴相。相对于与门，异或门输出信号速率大于与门输出速率一倍，更有利于后续环路滤波器滤除高频分量，提取相差信号。



2.环路滤波器

环路滤波器，就是低通滤波器，它有如下几种形式。

（1）RC积分型滤波器。

RC积分型滤波器如图11.7



(3) 有源比例积分滤波器

有源比例积分滤波器如图11.8所示。其传递函数为

3、压控振荡器（VCO）

实质上是调频振荡器，或称电压—频率变换器，它的输出频率受控于uc(t) ， uc(t)反映输入信号与输出信号之间的相位差



VCO瞬时相位为:



11.3.3 锁相环的相位模型与环路基本方程

锁相环的相位模型，是指相位变化信息在锁相环中传递的方框图。所谓相位变化信息，指的是扣除不受环路调节控制作用的固有相位





由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成的锁相环相位模型如图11.11所示。







此状态称之为相位锁定，或者称环路锁定。相位锁定的特征是输入、输出两信号的频率相等。相位差恒定（常数的导数为零），使得控制电压为定值uc(t) 。

上面分析的是输入信号为频率不变的正弦简谐信号，假若输入信号是调频或调相的调角信号，或者说，是一个频率可变的信号。若环路原先处于锁定状态，且锁定在输入信号的中心频率上，当输入信号频率发生变化，通过环路控制作用，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的跟踪过程。

11.3.4 一阶环路的图解分析法

在上述的二阶锁相环中，去掉环路滤波器，即成为一阶锁相环。一阶锁相环虽无多少实用价值，但是对分析环路的许多特性，是具有重要意义的。

由式(11.33)可得：一阶锁相环路的基本方程



我们取自变量 为横坐标，取因变量 为纵坐标。这样构成的平面称为相平面。按一阶锁相环路基本方程绘出的图，如图11.12所示。图上的点，称相点。相点移动的轨迹所形成的图形称相图。注意相点轨迹是具有方向性的曲线。





11.3.5 捕捉带与同步带，

若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程，环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作Δfo 。若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使VCO输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步过程，或保持过程。

环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，或同步范围或锁定范围，记作Δfh。



测定捕捉带与同步带的电路方框如图11.13所示。



图中：OSC是正弦波信号发生器，作为PLL的输入信号源

f是数字频率计，测PLL输入信号频率

U是数字万用表，置于直流电压档，测VCO控制电压（含VCO偏置

电压）。

SR是示波器，X端、Y端分别连接输入、输出信号用于观察李沙育

图形。

若输入、输出信号频率相等（锁定）则出现稳定的单孔椭圆，或圆或直线段等。若输入、输出信号频率不相等，则出现多孔椭圆，或横网、竖网、斜网等图形，从而判断锁定与失锁。还可以根据椭圆长轴的倾斜程度，确定输入、输出信号之间相位差。

R和C是压控振荡VCO的定时电阻和定时电容，它们共同确定VCO的固有振荡频率。

测试的方法是：首先，将信号发生器的频率，由低往高缓慢调整，观察李沙育图形为失锁状态。直流数字电压表示值为U0。当频率升高到f 1时，李沙育图形为一个椭圆，即为锁定状态。U的示值下跳为U1，再缓慢升高信号发生器频率，李沙育图形仍为椭圆，但长轴倾斜角发生变化，U的示值上升。不断升高信号发生器频率，达f 2时，李沙育图形由单孔椭圆变成不稳定的网形，即由锁定变成失锁，U的示值由U2跳回至U0 。此时继续升高信号发生器频率，环路仍处于失锁状态，的表示值不变。

然后，将信号发生器的频率由高往低缓慢回调，当频率降为f 3时，环路由失锁变为锁定，U的示值跳到U3，再继续降低信号发生器频率，环路仍处于锁定状态，U的示值不断下降。当信号发生器频率达到f 4时，环路由锁定变为失锁，U的示值由U4再度跳回到失锁时示值U0 。继续降低信号发生器频率，环路仍处于失锁状态，直流数字电压表示值不变。将测试记录数据绘成图形，如图11.14所示。

11.4 锁相环的应用

锁相环分模拟锁相环（APLL）和数字锁相环（DPLL）两种。它们主要差别在于鉴相器，APLL用模拟乘法器构成鉴相器，而DPLL用门电路，比如用异或门构成鉴相器。APLL对输入、输出信号振幅的大小没有严格的要求，只要振幅稳定即可。而DPLL，却要求输入输出信号的振幅要符合门电路对高电平、低电平的要求，同时也要振幅稳定。此外，对信号进行混频、倍频一般采用模拟方法，对信号进行分频一般采用数字的方法。

由于集成电路技术的进步，集成锁相环品种越来越多，应用范围越来越宽，现代通信技术越来越依赖于锁相环。

11.4.1 调频波锁相解调电路





11.4.2 调相波的锁相解调电路

若调相波的调相指数较小，例如mp＜2，属于窄带调相，信号中就有一定能量的载波（中心频率 ）。若锁相环选用窄带锁相环，所谓窄带，指同步带和捕捉带都窄。实用中，压控振荡器采用带部分接入的变容二极管构成的LC振荡器。环路滤波器采用较大的积分时间常数，滤除输入信号中的调制分量。那么VCO只能跟踪调相波的中心频率，这种锁相环称载波跟踪型锁相环。如图11.16所示

11.4.3 普通调幅波的解调电路

普通调幅波（AM）含有携带调制信号的上、下边带，还含有较强的载波分量，假若采用窄带跟踪环，便可以从AM信号中提取载波，再经过90°的相移，便可用作同步检波的相干信号。该解调电路如图11.17所示。





11.5 锁相频率合成器

锁相频率合成器，有使用模拟锁相环的，也有使用数字锁相环的。这两种锁相环的物理过程和基本原理是一致的，只是波形和数学表达上有差异，本教材不进行过多讨论。频率合成即是利用一个频率高度稳定的信号源，例如石英晶体振荡器产生一个参考频率，再通过分频器、锁相环等，产生一系列的与参考频率一样稳定的新的频率源。下面分别举三种例子，介绍频率合成器。

11.5.1 基本数字频率合成器

最基本的数字频率合成器，是可以实现有理数分频的频率合成器，如图11.21所示。

图中参考分频器和程序分频器是由带预置数的减法或加法计数式分频器组成。环路一旦锁定，鉴相器两输入端的信号频率必定相等。于是可导出频率合成器输出频率f 0，



现在举一个实例：某传真机用1850Hz和1650Hz的FSK信号，代表1和0的二进制数据发送信息。给定1024KHz石英晶体，用频率合成实现此功能。先求取1850和1650的最大公约数为50，则



用频率合成器构成的FSK信号发生器如图11.22所示，图中1024KHz晶振及2048分频用CC4060 14位二进制串行计数/分频器实现。10分频用CC4017十进制计数/分频器实现。37/33程序分频器用CC14526可预置数4位二进制1/N计数器两片级联构成，37/33程序分频器也可用CC4024 7位二进制串行计数/分频器一片，外加逻辑门及D触发器构成。锁相环用CC4046。