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第6章 反馈控制电路

第6章 反馈控制电路. 内 容 提 要. 自动增益控制（ AGC ） AGC 电路的作用与组成 AGC 电压的产生 实现 AGC 的方法 自动频率控制（ AFC ） AFC 的工作原理 AFC 的应用 锁相环路 锁相环路的基本工作原理 锁相环路的性能分析 集成锁相环路及其应用. 6.1 自动增益控制( AGC). 1、 AGC 电路的作用与组成 (1) 作用 当输入信号变化时，保证输出信号幅度基本恒定。包括： ① 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（± U AGC） ；

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第6章 反馈控制电路

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  1. 第6章 反馈控制电路 内 容 提 要 • 自动增益控制（AGC） • AGC电路的作用与组成 • AGC电压的产生 • 实现AGC的方法 • 自动频率控制（AFC） • AFC的工作原理 • AFC的应用 • 锁相环路 • 锁相环路的基本工作原理 • 锁相环路的性能分析 • 集成锁相环路及其应用

  2. 6.1 自动增益控制(AGC) 1、AGC电路的作用与组成 (1) 作用 当输入信号变化时，保证输出信号幅度基本恒定。包括： ①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（±UAGC）； ②利用AGC电压去控制某些级的增益，实现AGC。 (2) 组成——具有AGC电路的接收机框图

  3. 6.1 自动增益控制(AGC) 2、AGC电压的产生 (1) 平均值式AGC电路 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。 

  4. 6.1 自动增益控制(AGC) 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

  5. 6.1 自动增益控制(AGC) (3) 改变放大器的负反馈深度 3、实现AGC的方法 (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。

  6. 6.2 自动频率控制（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 • 组成 • 工作原理 • AFC的应用

  7. AFC——电路组成 • 作用：自动控制振荡器频率稳定 • 组成：鉴相器、低通滤波器和压控振荡器 • 标准频率fr；输出频率fo；误差电压uD(t) ；直流控制电压uC(t)。

  8. AFC——工作原理 压控振荡器的输出频率fo与标准频率fr在鉴频器中 进行比较，当fo=fr时，鉴频器无输出，压控振荡 器不受影响；当fo≠fr时，鉴频器即有误差电压输 出，其大小正比于(fo－fr)，经低通滤波器滤除交 流成分后，输出的直流控制电压uc(t)，加到压控 振荡器上，迫使压控振荡器的振荡频率fo与fr接近， 而后在新的振荡频率基础上，再经历上述同样的 过程，使误差频率进一步减小，如此循环下去， 最后fo和fr的误差减小到某一最小值△f时，自动 微调过程停止，环路进入锁定状态。

  9. 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。

  10. AFC应用—调频发射机 • 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(fr－fc)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。

  11. 6.3之一: 锁相环路的基本原理 • 组成框图 • 工作原理 • 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后得到控制电压去控制VCO的振荡频率，直至环路进入“锁定”状态。

  12. 6.3之二: 锁相环路的性能分析 本讲内容： • 鉴相器的电路模型 • 环路滤波器的电路模型 • 压控振荡器的电路模型 • 锁相环的相位模型及环路方程 • 捕捉过程 • 跟踪过程 • 锁相环的基本特性

  13. 鉴相器的电路模型 1.鉴相器的输出电压是ui(t)和uo(t)相位差的函数。 2.典型的乘积型鉴相器中，鉴相器的低频分量输出为： 鉴相器框图 鉴相器电路模型 分析 3. 乘积型鉴相器具有正弦规律的鉴相特性。

  14. 环路滤波器的电路模型 • 常见环路滤波器的形式 微分方程 ： • 环路滤波器电路模型 其中，AF(p)为传递函数。

  15. 压控振荡器的电路模型 • 压控振荡器的特性可用调频特性来表示 • 压控振荡器的电路模型 在一定范围内ωo与 uc(t) 几乎成线性关系 有： A0为VCO的压控灵敏度。 P=d/dt为微分算子

  16. 锁相环的相位模型及环路方程 • 锁相环的相位模型 • 环路方程 瞬时频差 控制频差 固有频差

  17. 捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程 • Δωi较小→ud(t) 能顺利通过LF得到uC(t) →控制VCO→环路锁定 • Δωi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 • Δωi很大→ ud(t) 不能通过LF产生uC(t) →VCO不受控→环路失锁 • 捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离ωr的最大值。 • 捕捉时间(τP)——环路由失锁状态进入锁定状态所需的时间

  18. 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|Δωi| ，称为锁相环路的跟踪带或同步带。 • 跟踪过程（同步过程） • 如果输入信号频率ωi或VCO振荡频率ωo发生变化，则VCO振荡频率ωo跟踪ωi而变化，维持ωo =ωi的锁定状态，称为跟踪过程或同步过程。 • 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。

  19. 锁相环的基本特性 • 良好的窄带特性 • 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） • 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 • 锁定后没有频差 • 自动跟踪特性 • 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

  20. 6.3 之三: 集成锁相环路及其应用 本 讲 内 容 • 集成锁相环路简介 • 锁相环的应用 • 锁相倍频、分频与混频 • 锁相调频与鉴频 • 调幅波的同频检波 • 彩色电视机色副载波的提取 • 锁相接收机 • 频率合成 • 主要技术指标 • 锁相频率合成器

  21. 集成锁相环简介 • 集成锁相环按其内部电路结构可分为 模拟锁相环和数字锁相环 • 集成锁相环按其用途可分为 通用型和专用型 • 集成锁相环按其工作频率可分为 低频（1MHz以下）、高频（1~30MHz）和超高频（30MHz以上） • 几种通用的集成锁相环  L565（低频）、L562（高频）和L564（超高频）

  22. 应用之一：锁相倍频、分频与混频 • 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

  23. 应用之二：锁相调频和鉴频 锁相环调频 锁相环鉴频 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

  24. 应用之三：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 。

  25. 应用之四：彩色电视色副载波的提取 • 原理框图 • 工作原理 • 在彩色电视中，为了重现彩色，接收端必须要有与发送端完全相同的色副载波。而其中的色同步信号是其产生的基准。图中利用锁相环使VCO产生的色副载波，根据锁相环的工作特点，该信号的频率和相位受输入端色同步信号的控制。

  26. 应用之五：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对稳定。

  27. 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率之间的偏差 • 频谱纯度——输出信号接的正弦波的程度

  28. 单环式锁相频率合成器 由晶体振荡器产生标准频率源fs，经参考分频器R分频后，得到 参考频率fr = fs /R送到鉴相器的一输入端，VCO输出频率fo经N分 频后送到鉴相器的二输入端 。环路锁定时有fr=fo /N，因此VCO 输出信号频率为fo = N fS /R= N fr 。即输出信号频率fo为输入参考 信号频率fr的N倍，改变N(分频系数)就可得到不同频率的输出。

  29. 频率合成器实例 由CD4046组成的频率合成器：

  30. 单环式频率合成器存在的问题 • 减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的 。要减小输出频率间隔，就必须减小输入参考频率fr。因环路滤波器的带宽必须小于参考频率，因而环路滤波器的带宽也要压缩。环路的捕捉时间或跟踪时间就要加长，即频率合成器的频率转换时间加大。 • 锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原来的1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比N的变化范围将很大，导致环路增益也大幅度的变化，从而影响到环路的动态工作性能。 • 可编程分频器的分频比的数目决定了合成器输出信道的数目，而程序分频的输入频率就是合成器的输出频率。由于可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。

  31. 多环式锁相频率合成器 上图为三环频率合成器组成框图。它由三个锁相环路 组成。环路A和B为单环频率合成器，环C为混频环。

  32. 吞脉冲程序分频器 工作原理：设计数开始时模式控制输出1，双模前置分频器和两计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满A个脉冲后模式控制电路输出低电平0，辅助计数器停止计数，同时使双模前置分频器分频比变为P 然后继续工作， 主计数器也继续 计数满N个脉冲 后，使模式控制 电路重新恢复高 电平、双模前置 分频器恢复(P+1) 分频比，各部件 进入第二个计数 周期。

  33. 吞脉冲频率合成器 • 上图是用吞脉冲程序分频器构成的吞脉冲频率合成器，其输出信号频率为：f0=(PN+A)fr 可见： fo提高了P倍，而频率间隔仍保持为fr 。

  34. 用MC145146构成的吞脉冲频率合成器

  35. 本章小结 • AGC电路是接收机的重要辅助电路之一，它使接收机的输出信号在输入信号变化时能基本稳定，故得到广泛的应用。 • 自动频率控制(AFC)也称自动频率微调，是用来控制振荡器的振荡频率以提高频率稳定度 。 • 锁相环路是利用相位的调节，以消除频率误差的自动控制系统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。 • 在锁相环路中，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；环路通过自身的调节来维持锁定的，称为跟踪过程。捕捉特性可用捕捉带来描述，跟踪特性可用同步带来描述。 • 锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率的合成方法，它由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。

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