1、第7章 反馈控制电路自动增益控制电路（AGC）自动频率控制电路（AFC）自动相位控制电路锁相环路频率合成器实用电路举例内内容容提提要要为什么引入反馈控制电路为什么引入反馈控制电路 放大器、振荡器、调制器和解调器等功能电路可组成完整的放大器、振荡器、调制器和解调器等功能电路可组成完整的通信系统通信系统,但系统性能不一定完善。但系统性能不一定完善。如如,在在AMAM接收机中接收机中,天线接收信号的强度往往由于电波传播天线接收信号的强度往往由于电波传播原因会有较大的起伏变化原因会有较大的起伏变化,导致放大器输出信号时强时弱不导致放大器输出信号时强时弱不规则变化规则变化,有时造成阻塞。有时造成阻塞。如
2、如,在通信系统中在通信系统中,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,使输使输出中频稳定出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。而要做到这一点也比较困难。7.1 自动增益控制(AGC)7.1.1、AGC电路的工作原理与指标性能 1 电路组成框图当输入信号变化时，保证输出信号幅度基本恒定。包括：能够产生一个随输入信号大小而变化的控制电压，即AGC电压 (）；利用AGC电压去控制某些级的增益，实现AGC。组成具有AGC电路的接收机框图设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为g（uc）,即g 是控制信号uc的函数,则有：Uy=g(uc)Ux 2.2.误差信号提取
3、过程误差信号提取过程在AGC电路中,误差信号提取电路采用电压比较器。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得到Uy与恒定的参考电平UR比较,产生一个误差信号Ue。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将使增益g(uc)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(uc)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。3.滤波器的作用 环路中的低通滤波器是非常重
4、要的。由于发射功率变化环路中的低通滤波器是非常重要的。由于发射功率变化,距离远近距离远近变化变化,电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的,因此整因此整个环路应具有低通传输特性个环路应具有低通传输特性,这样才能保证仅对信号电平的缓慢变这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用化有控制作用。恰当选择环路的频率响应特性和上限截止频率恰当选择环路的频率响应特性和上限截止频率,使环路对高于截止使环路对高于截止频率的调制信号的变化无响应频率的调制信号的变化无响应,而仅对低于截止频率的缓慢变化的而仅对低于截止频率的缓慢变化的信号才有控制作用。信号才有控制作
5、用。环路截止频率必须低于调制信号的最低频率，才不会出现反调制。环路截止频率必须低于调制信号的最低频率，才不会出现反调制。环路带宽取决于低通滤波器的截止频率。环路带宽取决于低通滤波器的截止频率。4.控制过程说明输出信号振幅Uy与控制电压uc的关系其中：若低通滤波器对于直流信号的传递函数 H(S)=1,当误差信号ue0时,根据图7-1可得：UR 和Uy0、x0之间的关系:当输入信号振幅 ，且保持恒定，环路经自身调节后达到新的平衡状态，这时的误差电压为：-(1)又因为：-(2)比较（1），（2）可知，且 ，说明AGC电路是有电平误差的控制电路。5.动态范围 AGC电路的目的是利用电压误差信号u ue
6、 e去消除输出信号振幅U Uy y与理想电压振幅U Uy0y0之间的电压误差。电路达到平衡状态后,仍会有电压误差存在,从对AGC电路的实际要求考虑,一方面希望输出信号振幅的变化越小越好,即与理想电压振幅 的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅 的变化越大越好,设 是AGC电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比（输出动态范围）为AGC电路容许的输入信号振幅的最大值与最小值之比（输入动态范围）比值 越大,表明AGC电路输入动态范围越大,而输出动态范围越小,则AGC性能越佳。这就要求可控增益放大器的增益控制倍数Ag尽可能大。Ag也可称为增益动态范围,通常用分贝数表示。6.6.响应时间特性响
7、应时间特性 对AGC电路响应时间长度的要求取决于输入信号 的类型和特点,根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定,主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽,则响应时间越短,但容易出现反调制现象。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,而增益的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。例例7.1 某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB,输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB,需要多少级AG
8、C电路才能满足要求？解：需要三级AGC电路。7.1.2 AGC 电路的类型1.简单 AGC 电路 （参考电平UR）无论输入信号振幅Ux大小如何,AGC的作用都会使增益g减小,从而使输出信号振幅Uy减小。简单电路的优点是线路简单,在实用电路中不需要电压比较器；缺点是对微弱信号的接收很不利,简单AGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。2.延迟 AGC 电路在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电平UR。对应的输入信号振幅即为Ux0,（Uxmin）xmax与xmax区间即为所容许的输入信号的动态范围,ymin与ymax 区间即为对应的输出信号的动态范围。这种AGC电路由于需要延迟到xxmax
9、之后才开始控制作用,1、晶体管收音机中的简单AGC电路 7.1.3 实用电路介绍分析：中频信号电压经检波后，除得到所需音频信号之外，还得到一个平均直流分量。音频信号由RL2两端取出。平均直流分量(反映了输入信号的幅度)从C3两端取出，经低通后，作为AGC电压，加到中放管上去控制中放的增益。V1、R7和C4组成AGC检波电路，运放A为直流放大器，UREF为延迟电平。当输入信号较小时，AGC不起作用。当输入信号较大时,AGC将起作用。可见，该AGC电路具有延迟功能。(2)延迟式AGC电路(3)改变放大器的负反馈深度7.1.4 增益控制电路(AGC)实现AGC的方法（可控增益放大器是AGC电路的关键
10、部件）(1)改变发射极电流IE 正向AGC 反向AGC(2)改变放大器负载由于放大器的增益与负载密切相关，因此通过改变负载就可以控制放大器的增益。通过控制负反馈的深度来控制放大器的增益。具有AGC功能的三极管是特制的三极管，管子的（y参数为yfe）随静态发射极电流IE的改变而迅速变化，2SC398的 的特性曲线。由图可以看出，若取f=100HZ，当 小于5mA的范围内变化时，随 的减小而降低，称反向AGC；当 在大于5mA的范围内变化时，随 的增大而降低，称正向AGC。该管正向AGC的线性范围大于反向AGC，故该管称为正向AGC管。（a）正向AGC（b）反向AGC（a），当Uc IIE yfe
11、时,放大器增益降低。（b），当Uc IIE yfe时,放大器增益降低。反向AGC的优点是工作电流较小，对晶体管安全工作有利，但工作范围较窄，而正向AGC正好相反。7.2 自动频率控制电路（AFC）调幅接收机中的AFC系统具有AFC电路的调频发射机AFC的工作原理AFC的应用n组成n工作原理AFC电路组成作用：自动控制振荡器频率稳定组成：频率误差信号提取、低通滤波器和可控频率器件标准频率fr；输出频率fo；误差电压ue(t)；直流控制电压uC(t)。AFC电路的控制参量是频率,可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,压控振荡器的输出角频率为：鉴频器的中心角频率0起参考角频率r的作用，输出误差电压
12、为:若输出信号角频率y与鉴频器中心角频率0不相等时,误差电压ue,经低通滤波器后送出控制电压uc,调节VCO的振荡角频率,使之稳定在0上。kb是鉴频灵敏度。鉴频器和压控振荡器均是非线性器件，但在一定条件下，可工作在近似线性状态，则：b与c均可视为常数。AFC工作原理 混频鉴频器本振信号本振信号(角频率为角频率为L L)先与输出信号先与输出信号(角频率为角频率为y y)进行混频进行混频,输输出差频出差频:d d=y y-L L,然后再进行鉴频。参考角频率然后再进行鉴频。参考角频率r r=0 0+L L。鉴频器输出误差电压为。鉴频器输出误差电压为:u ue e=k=kb b(0 0-d d)=k)
13、=kb b(0 0+L L)-)-y y=k=kb b(r r-y y)若差频若差频d d与与0 0不相等时不相等时,误差电压误差电压u ue e0,0,经低通滤波器后送出经低通滤波器后送出控制电压控制电压u uc c,调节调节VCOVCO的振荡角频率的振荡角频率y y,使之与使之与L L的差值的差值d d稳稳定在定在0 0上。若上。若L L是变化的是变化的,则则y y将跟随将跟随L L变化变化,保持其差频保持其差频d d基本不变。这时基本不变。这时,L 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 i,而输出而输出信号角频率信号角频率y y跟随跟随i i变化变化,从而实现了频率跟踪。
14、从而实现了频率跟踪。7.2.2 AFC电路的主要性能指标1.暂态和稳态响应根据图7-10,可求得AFC电路的闭环传递函数为：所以：即：得：由此得到输出信号角频率的拉氏变换式为：对该式求拉氏反变换,即可得到AFC电路的时域响应,包括暂态响应和稳态响应。2.跟踪特性根据图7-10,可求得AFC电路的误差传递函数如下：由此：可进一步求得AFC电路中误差角频率e的时域稳态误差值如下：增大kb和kc,即提高鉴频灵敏度和压控灵敏度是减小稳态误差、改善跟踪性能的重要途径。增大环路的直流总增益也是减小时域稳态误差的重要方法。例例7.3.7.3.设在图7-10所示AFC电路中,当t0时,y=i=1,若输入信号角
15、频率i在t=0时刻由角频率1变为另一角频率2,增量为,求输出信号角频率的时域响应y(t)的变化量y(t)和稳态误差值e。解：由题意可知,这是一个频率跟踪电路,此处的频率误差信号提取电路应是混频鉴频器,r=0+i，其中0是常数。所以,在t=0时,r的增量也是,其拉氏变换式为r(s)=/s。设低通滤波器为一简单RC无源网络,如下图所示,其传递函数：代入 得：拉氏反变换,可得到：式中:等号右端第一项是稳态响应,第二项是暂态响应。可见暂态响应是由于低通滤波器而引起的,其衰减系数与低通滤波器的时间常数RC成反比。当输入信号角频率增加了,输出信号角频率即使达到稳态后也才增了 ,误差为 。所以,AFC电路是
16、有频率误差的频率控制电路。同时,从式中可知,增大 和 ,即提高鉴频灵敏度和压控灵敏度是减小稳态误差、改善跟踪性能的重要途径。时域稳态误差值：i(t)和y(t)的变化曲线。7.2.3 AFC应用调幅接收机 混频器输出的中频信号经中频放大器放大后，除送到包络检波器外，还送到限幅鉴频器进行鉴频。鉴频器中心频率调在fI上，它可将偏离中频的频率误差变换成电压，该电压通过处理后加到VCO上，VCO振荡频率发生变化，使偏离中频的频率误差减小，直至达到要求。晶体振荡器提供标准频率fr，调频振荡器的中心频率为fc；鉴频器的中心频率调在(frfc)上。由于fr稳定度很高，当fc发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变
17、化，使限幅鉴频器输出电压发生变化，经滤波器后的误差电压加到调频振荡器上，调节其振荡频率使之中心频率稳定。7.2.3 AFC应用调频发射机 7.3 锁相环路的基本原理7.3.1锁相环路的基本原理ui(t)和VCO的uo(t)在PD中进行比较，PD输出的误差电压ud(t)是二者相位差的函数。如果两者频率相同，相位差恒定，则经LF后无输出；如果两者频率不同，则经LF后得到控制电压uc(t)去控制VCO的振荡频率，直至环路进入“锁定”状态。2.工作原理1.锁相环路的基本组成 7.3.2 锁相环路的数学模型1.鉴相器（PD）1)正弦波鉴相器的数学模型设输入信号为：压控振荡器的输出信号为：以 为参考相位，
18、的瞬时相位：则：经乘法器相乘后，其输出为:是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率之差，称为固有频差其中：低通滤波器（LPF）滤除高频分量，则鉴相器输出 2）鉴相器线性化的数学模型 当 时，则：鉴相器特性曲线近似为直线，与 成正比。若对它进行拉式变换，便可得到频域内的鉴相特性：鉴相器线性化数字模型（时域）鉴相器线性化数字模型（频域）2.环路滤波器（LF）1）RC积分滤波器 令电路幅频特性相频特性 2）RC比例积分器 RC比例积分滤波器的传递函数：电路幅频特性相频特性RCRC比例积分滤波器的比例特性和相位超前比例积分滤波器的比例特性和相位超前特性对锁相环的稳定性和捕捉性能有着极特性对锁相环的稳定
19、性和捕捉性能有着极为有利的作用，所以这种滤波器在锁相环为有利的作用，所以这种滤波器在锁相环路中得到广泛应用路中得到广泛应用 3）有源比例积分滤波器这种滤波器实际上是一种具有负反馈的高增益直流放大器。电路“”号表示输入与输出之间具有反相关系幅频特性相频特性 有源比例积分滤波器和无源RC比例积分滤波器的区别1)有源比例积分滤波器的直流增益为H（0）=A，且A1比无源比例积分滤波器的直流增益H（0）=1大。2)有源比例积分滤波器的上限角频率为1/A1，而RC比例积分滤波器的上限角频率为1/（1+2）1/1，如果两者的1相等，则由于A1，有源比例积分滤波器的带宽较小，这对滤除噪声是有利。3)无源RC比
20、例积分滤波器的高频增益为：有源比例积分滤波器的高频增益为：有源比例积分滤波器的高频增益可调范围较大4)有源比例积分滤波器可实现理想积分。对于有源比例积分滤波器，如果适当提高放大器增益，使1/A10，理想积分滤波器的频率特性关系式为:幅频特性曲线相频特性曲线由图可见，理想积分滤波器的直流增益很大，。当频率升高，高于 以后，高频增益渐近于 。相频特性具有从 开始的超前特性，因此理想积分滤波器又称有源超前网络。5)有源比例积分滤波器的缺点是放大器将对锁相环路引入噪声，所以必须选用低噪声放大器来做有源比例积分滤波器。综上所述，有源比例积分滤波器既能积累缓变信号，又能平滑狭窄脉冲，同时对误差信号还可进行
21、放大，使环路只需很小的相差就可以产生较大的控制电压，从而加快环路的跟踪速度，减小了捕捉时间。总体来说，环路滤波器的选用取决于环路的应用。工程实际中常用RC比例积分滤波器和有源比例积分滤波器，而在锁相频率合成器中又常选用理想积分滤波器。3.压控振荡器电路模型 1.功能：产生频率随控制电压uc(t)而变化的振荡电压uo(t)。2.调频特性：压控振荡器的特性可用调频特性来表示。3.电路模型 令：由输出相位与输出频率的积分关系可得为VCO的压控灵敏度,单位是rad/sV 7.3.3锁相环路的捕捉与跟踪锁相环路根据初始状态的不同有两种自动调节过程1)捕捉过程:由失锁进入锁定的过程.能够由失锁进入锁定的最
22、大输入固有频差称为环路捕捉带，常用 表示2)跟踪状态:环路初始状态是锁定的,因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），常用 表示一般来说,捕捉带与同步带不相等，捕捉带小于同步带。(a)由低向高变化 (b)由高向低变化捕捉带与同步带 锁相环的相位模型及环路方程锁相环的相位模型瞬时频差控制频差固有频差环路方程捕捉过程环路由失锁进入锁定的过程a.i 较小ud(t)能顺利通过LF得到uC(t)控制VCO环路锁定捕捉带(p)环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离r的最大值。捕捉时间(P)环路由失锁状
23、态进入锁定状态所需的时间b.i较大 ud(t)通过LF有较大衰减 uC(t)较小经频率牵引过程时间长环路锁定c.i很大 ud(t)不能通过LF产生uC(t)VCO不受控环路失锁 跟踪过程环路维持锁定的过程能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|i|，称为锁相环路的跟踪带或同步带。跟踪过程（同步过程）跟踪带（同步带）跟踪带（同步带）和环路滤波器的带宽及压控振荡器的频率控制范围有关。如果输入信号频率i 或VCO振荡频率o 发生变化，则VCO振荡频率o跟踪i 而变化，维持o=i 的锁定状态，称为跟踪过程或同步过程。锁相环的基本特性环路锁定后，输出信号与输入信号频率相等，没有剩余频差（有微小固定相差）良
24、好的窄带特性锁定后没有频差自动跟踪特性环路相当于一个高频窄带滤波器，只让输入信号频率附近的频率成份通过环路在锁定时，输出信号频率和相位能在一定范围内跟踪输入信号频率和相位的变化 7.3.4:锁相环路的应用1.锁相环路的主要特点(1)具有良好的跟踪特性；(2)具有良好的窄带滤波特性(3)锁定状态无剩余频差；(4)易于集成化 2.锁相环路的应用举例：倍频电路框图当反馈环路是分频器时倍频电路当反馈环路是倍频器时分频电路当反馈环路是混频器和中频放大器时混频电路1)锁相倍频、分频与混频 2)锁相分频电路锁相分频电路在原理上与锁相倍频电路相似，区别在于锁相环路的反馈通道中用N倍频器代替前 图中的N分频器。
25、3）锁相混频电路在锁相环路的反馈通道中插入混频器和中频放大器组成的。4）：锁相调频和鉴频电路 锁相环调频锁相环使VCO的中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加至VCO上，从而实现调频当输入调频波的频率发生变化时，经PD和LF后将得到一个与输入信号的频率变化相同的控制电压，即实现鉴频锁相环鉴频 5）：调幅波的同步检波原理框图工作原理在对DSB及SSB调幅信号解调的同步检波器中，必须有一与载波信号同频同相的同步参考信号。图中用载波跟踪锁相环路，在VCO输出端经900移相后而得到该信号。6）：锁相接收机原理框图工作原理通过锁相环VCO产生本振频率，实现对输入信号频率的跟踪，保证输出中频信号频率相
26、对稳定。7.4 7.4 频率合成器频率合成器 1.定义：频率合成是利用一个（或几个）高准确度和高稳定度的基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。这些离散频率的频率准确度和稳定度都与基准频率相同，而且能在很短的时间内，由某一频率切换到另一频率。2.分类 1)直接式频率合成器.2)锁相频率合成器.3)直接数字频率合成器。3.频率合成器的主要技术指标频率范围频率合成器的工作频率范围频率间隔相邻频率之间的最小间隔，又称分辨力频率转换时间从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间频率稳定度与准确度稳定度在一定时间内频率偏差标称频率的程度准确度实际工作频率与标称频
27、率之间的偏差频谱纯度输出信号接的正弦波的程度 7.4.2直接频率合成器电路特点：基准频率 由晶体振荡器提供。输出频率:3.由谐波发生器提供基准频率的直接频率合成器电路特点：(1)晶振通过分频和谐波发生器产生0-9MHz的 10个基准频率；(2)是 单刀10掷开关,各有10个结点，分别接到谐波发生器的10个输出端；(3)改变 和 的位置可以得到，输出频 率范围为10.0-99.9MHz，频率间隔为100KHz。直接式频率合成器的优缺点直接频率合成能实现快速频率切换、很高的频率分辨率、低的相位噪声和很高的输出频率，所以这一方法沿用了很久。但是，直接频率合成需要很多振荡器、倍频器、混频器、带通滤波器
28、和分频器等硬件电路，而且其输出频率中难免包含大量由混频和倍频产生的无用寄生频率，这是使模拟直接频率合成器的主要缺点。7.4.3锁相频率合成器(1)基准频率产生器产生的 送给鉴相器作为参考输入频率。(2)VCO的输出信号先通过程序分频器进行N次分频后,再送给鉴相器与参考输入信号进行相位比较。环路锁定后，VCO输出频率 。(3)分频比N由输入的数字信号控制。可以采用并行输入、串行输入和四位数据总线输入的任一种的数字信号控制方式。特点：中规模锁相环频率合成器MC145106构成的锁相频率合成器收/发共有89对频率，其间隔5kHz。利用该芯片构成的民用波段收/发信机频率合成器共计可以产生268个具有相
29、同频率稳定度的不同的频率信号。7.4.4直接数字频率合成（DDS）基本原理直接数字频率合成（DDS）的性能特点：(1)工作频率范围宽 通常取组成：由相位累加器（N位全加器和N位寄存器组成）、波形存储器（ROM）、数模转换器（D/A）、低通滤波器和参考时钟等组成。(2)频率分辨力极高(3)频率转换时间极短 DDS为开环系统，转换时间可达纳秒级。(4)频率变换时相位连续(5)能实现正交输出；能实现任意波形输出；能实现数字调频、调相。(6)相位噪声低，但谐波分量多。7.5 实用电路举例74HC/HCT4046A的内部电原理框图如图(b)所示74HC/HCT4046A为锁相环电路，内有一个压控振荡器（
30、VCO）、三个不同的相位比较器（PC1、PC2、PC3，带一个公用信号输入放大器及一个公用比较器输入）。信号输入能直接耦合到大电压信号，或间接耦合（通过电容）到小电压信号。自偏置输入电路使小电压信号保持在输入放大器线性区域。ADF4106与MAX2620组成的VHF波段锁相频率合成器 AD9953组成的直接数字频率合成器总体方案系统框图 本章小结AGCAGC电电路路是是接接收收机机的的重重要要辅辅助助电电路路之之一一，它它使使接接收收机机的的输输出出信号在输入信号变化时能基本稳定，故得到广泛的应用。信号在输入信号变化时能基本稳定，故得到广泛的应用。自自动动频频率率控控制制(AFC)(AFC)也
31、也称称自自动动频频率率微微调调，是是用用来来控控制制振振荡荡器器的振荡频率以提高频率稳定度的振荡频率以提高频率稳定度 。锁锁相相环环路路是是利利用用相相位位的的调调节节，以以消消除除频频率率误误差差的的自自动动控控制制系系统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。在在锁锁相相环环路路中中，由由失失锁锁进进入入锁锁定定的的过过程程称称为为捕捕捉捉过过程程；环环路路通通过过自自身身的的调调节节来来维维持持锁锁定定的的，称称为为跟跟踪踪过过程程。捕捕捉捉特特性性可可用捕捉带来描述，跟踪特性可用同步带来描述。用捕捉带来描述，跟踪特性可用同步带来描述。锁锁相相频频率率合合成成是是用用锁锁相相技技术术间间接接合合成成高高稳稳定定度度频频率率的的合合成成方方法，它由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。法，它由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。
