第八章 无线电技术中的反馈控制电路讲解Word下载.docx

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（1）参考信号r0保持不变，输出信号y发生了变化。

在反馈控制系统中，总是使输出信号y进一步变化的方向与原来的变化方向相反，也就是要减小y的变化量。

y的变化减小将使得比较器输出的误差信号减小。

从而达到稳定输出y0的目的。

显然，整个调整过程是自动进行的。

（2）参考信号r0发生了变化。

系统调整的结果使得误差信号e的变化很小，此时输出信号y与参考信号r同方向的变化，也就是输出信号将随着参考信号的变化而变化。

总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出信号变化，只引起小的误差信号变化。

2实现上述目的，需满足如下条件：

（1）是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致。

（2）二是从误差信号到反馈信号的整个通路（含可控特性设备、反馈环节和比较器）的增益要高。

3反馈控制系统的特点

（1）误差检测。

控制信号产生和误差信号校正全部都是自动完成的。

（2）系统是根据误差信号的变化而进行调整的，而不管误差信号是由哪种原因产生的。

（3）系统的合理设计能够减小误差信号的变化，但不可能完全消除。

8.1.2反馈控制系统的基本分析

1.反馈控制系统的传递函数及数学模型

反馈控制系统可以分为线性系统与非线性系统。

设参考信号r（t）的拉氏变换为R（s），输出信号y（t）的拉氏变换为Y（s），则反馈控制系统的传输特性表示为：

T（s）为反馈控制系统的闭环传输函数。

⑴比较器

其输出的误差信号e通常与参考信号r和反馈信号f的差值成比例，即：

e=Acp（r-f）

式中Acp是一个比例常数，它的量纲应满足不同系统的要求。

对于AGC系统，Acp是一个无量纲的常数。

对于AFC系统中，r是参考信号的频率值，f是反馈信号频率值，e是反映这两个频率差的电平值，所以Acp就不再是一个常数，

下面分析Acp为常数的情况。

将e=Acp（r-f）式写成拉氏变换式：

E（s）=Acp[R（s）-F（s）]

⑵可控特性设备

可控特性设备的典型特性如图8.3所示。

压控振荡器是在误差电压的控制下产生相应的频率变化。

与比较器一样可控特性设备的变化关系并不一定是线性关系，为简化分析，假定它是线性关系，即：

y=Ace

将上成拉氏变换式：

Y（s）=AcE（s）

⑶反馈环节

反馈环节的作用是将输出信号y的信号形式变换为比较器需要的信号形式。

反馈环节的另一重要作用是按需要的规律传递输出信号。

通常，反馈环节是一个具有所需特性的线性无源网络。

如在PLL中它是一个低通滤波器。

它的传递函数为:

称H（s）为反馈传递函数。

根据上面各基本部件的功能和数学模型可以得到整个反馈控制系统的数学模型。

如图所示。

由反馈控制系统的数学模型，可得：

上式又称为反馈控制系统的闭环传递函数

开环传递函数是指反馈信号F（s）与误差信号E（s）之比

正向传递函数是指输出信号Y（s）与误差信号E（s）之比。

误差传递函数是指误差信号E（s）与参考信号R（s）之比。

2反馈控制系统的基本特性的分析

⑴反馈控制系统的瞬态与稳态响应

设反馈控制系统正向传递函数为Ac，反馈传递函数为Ｈ（s），参考信号为R（s），则系统的输出信号Y（s）为：

上式表示的是一个微分方程式，从线性系统分析知，其输出信号的时间函数Y（t）将包含有稳态部分和瞬态部分。

⑵反馈控制系统的跟踪特性

反馈控制系统的跟踪特性是指误差函数e与参考信号r的关系。

误差传递函数复频域表示式如下所示所示：

当给定参考信号r时，求出其拉氏变换并代入上式式求出E（s），再对其进行逆变换就可得误差信号e随时间变化的函数式。

误差信号e的变化既决定于系统的参数Acp、Ac和H（s），也决定于参数信号的形式。

1）对于同一个系统，当参考信号不同时，误差信号形式也是不同的。

2）误差信号随时间变化的情况，反映了参考信号变化和系统是怎样跟随变化的。

例如：

当参考信号是阶约变化时，即由一个稳态值变化到另一个稳态值时，误差信号在开始时较大，而当控制过程结束系统达到稳态时，误差信号将变得很小，近似为零。

3）对于不同的系统变化的过程是不一样的，它可能是单调减小，也可能是振荡减小。

4）误差信号的时间函数当反映了系统在跟踪过程中有没有起伏以及起伏的大小，或者误差信号减小到某一规定值所需时间（即跟踪速度）

（3）稳态特性

稳态误差：

系统稳定后误差信号的大小，利用拉氏变换的终值定理和误差传递函数可求得稳态误差值es

es愈小，说明系统的跟踪误差愈小，跟踪特性愈好。

（4）反馈控制系统的频率响应

反馈控制系统在正弦信号作用下的稳态响应称为频率响应。

可以用jω代替传递函数中的s来得到。

这样系统的闭环频率响应为：

此时，反馈控制系统等效为一个滤波器，T（jω）可以用幅频特性和相频特性表示。

若参考信号的频谱函数为R（jω），那么经过反馈控制系统后，它的不同频率分量的幅度和相位都将发生变化。

由上式可以看出，反馈环节的频率响应H（jω）对反馈控制系统的频率响应起决定性的作用。

可以利用改变H（jω）的方法调整整个系统的频率响应。

（5）误差频率响应

按同样方法可得误差频率响应，其表达式：

它表示误差信号的频谱函数与参考信号频谱函数的关系。

（5）反馈控制系统的稳定性

反馈控制系统的稳定性：

在外来扰动的作用下，环路脱离原来的稳定状态，经瞬变过程后能回到原来的稳定状态的能力。

若一个线性电路的传递函数T（s）的全部极点（亦即特征方程的根）位于复平面的左半平面内，则它的瞬态响应按指数规律衰减（不论是振荡的或是非振荡的）。

此时，环路是稳定的。

否则环路瞬态响应为等幅振荡或为指数增长振荡，是不稳定的。

根据环路的特征方程:

1+AcpAcH（s）=0

由此得出全部特征根位于复平面的左半平面内是环路稳定工作的充要条件。

（6）反馈控制系统的控制范围

上述分析，是基于比较器和可控特性设备及反馈环节具有线性特性。

这个假定只可能在一定的范围内成立，任何一个实际的反馈控制系统都有一个能够正常工作的范围。

8.2.0自动增益控制电路提出

由于受发射功率大小、收发距离远近、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，其相差可达几十分贝。

如果接收机增益不变，则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞,而信号太弱时又可能被丢失。

因此，必须采用自动增益控制电路，使接收机的增益随输入信号强弱而变化。

8.2.1工作原理

1电路组成框图如图所示

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，通过调节可控增益放大器的增益，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。

2工作原理

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Ａg（uc），即其是控制信号uc的函数，则有：

Uy=Ag（uc）Ux

（1）控制过程

反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。

电平检测器检测出输出信号振幅电平Uy（平均电平或峰值电平），滤去不需要的较高频率分量，再经直流放大后，在电压比较器与恒定的参考电平UR比较产生一个误差信号ue。

环路中，控制信号发生器可看作是一个比例环节，设其增益为ｋ1，则：

若Ux↓→Uy↓→控制信号uc将使Ａg↑→Uy↑；

若Ux↑→Uy↑→控制信号uc将使Ａg↓→Uy↓；

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。

2滤波器的作用

由于发射功率、距离远近的变化，电波传播衰落等引起信号强度的变化是比较缓慢的，所以整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化有控制作用。

说明：

当输入为调幅信号时，要求对此频率的调制信号的变化无响应，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。

3控制过程说明

设输出信号振幅Uy与控制电压uc的关系为:

Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy

由于:

Uy=Ag（uc）Ux=［Ag（0）+kguc］Ux，其中：

Ag（uc）=Ag（0）+kguc

故：

Uy0=Ag（0）Ux0

式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出信号振幅，Ux0和Ａg（0）是相应的输入信号振幅和放大器增益，ｋc和ｋｇ皆为常数，均为线性控制。

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ue＝０时，UR和Uy0、Ｕx0之间的关系为：

UR=k2k3Uy0=k2k3Ag（0）Ux0

当输入信号振幅Ux≠Ux0且保持恒定时，环路经自身调节后达到新的平衡状态,这时的误差电压：

ue∞=kb（ＵR-k2k3Ｕy∞）

又：

Uy∞=［Ag（０）+kck1ue∞］Ux

A）从以上两式可知，ue∞≠0，否则与上述UR表达式比较，将有Ux=Ux0，与条件不符合。

B）同时也有Uy∞≠Ｕy0，即AGC电路是有电平误差的控制电路。

式中，k2、k3和kb均为比例系数。

8.2.2主要性能指标

AGC电路的主要性能指标有两个:

一是动态范围,二是响应时间。

１.动态范围

（1）对自动增益控制电路要求

输入信号允许变化范围大→AGC电路的动态范围越宽,性能越好

输出信号振幅Uy与理想电压振幅Uy0误差电压小

设ｍo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），即：

设ｍi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），即：

故定义动态范围：

a）ｍi↑→m0↓→ng↑→表明AGC电路输入动态范围越大，而输出动态范围越小→AGC电路动态范围越大→AGC电路性能越佳b；

b）当Ux=Uxmin时，Ag=Agmax；

Ux=Uxmin时，Ag=Agmax

２响应时间

（1）定义：

AGC电路从输出端通过反馈网络产生比较信号,进而与UR进行比较产生误差信号ue、控制信号uc控制增益Ag，从而稳定输出，整个完成控制过程中跟得上输入振幅变化速度，又不产生反调现象称响应时间特性。

（2）影响其性能的因素

主要影响因素为：

低通滤波器带宽↑→控制所需时间↓→反调现象易出现

例题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AGC电路才能满足要求？

解：

例题2：

在图示AGC电路方框图中,ux和ug分别是输入和输出信号，参考信号UR=1V，可控增益放大器的增益Ag（uc）=1+0.3uc，即理想的要求是增益为1。

若输入信号振幅Ux变化范围为±

1.5dB时，要求输出信号振幅Uy变化范围限制在±

0.05dB以内,试求直流放大器增益k1的最小值应是多少