反馈控制电路分类研究

摘 要： 在通讯和电子设备中，为了提高它们的性能或实现某些特定的要求，广泛采用各种类型的反馈控制电路。反馈控制电路是电子系统中的一种自动调节电路，其作用是反馈系统在受到扰动的情况下，系统通过自身的反馈控制调节作用，即利用反馈信号与输入信号进行比较，继而输出一个比较信号对系统的某些参数进行修正，使其达到预定的精度，从而提高系统的性能。根据需要比较和调节的参数不同，反馈电路可分为：自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制电路。

关键词： 自动增益电路 自动频率控制电路 负反馈解调器 自动相位控制电路

目前反馈电路在各个电子电路中都获得普遍的应用，所以人们把反馈控制电路按照不同的需要分成自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制电路。

一、自动增益电路（AGC）

1.自动增益电路的工作原理及分类

自动增益电路是使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是AGC检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号U0经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压UC。当输入信号Ui增大时，U0和UC亦随之增大。UC增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自動增益控制的目的。放大电路增益的控制方法有：①改变晶体管的直流工作状态，改变晶体管的电流放大系数β。②在放大器各级间插入电控衰减器。③用电控可变电阻作放大器负载等。AGC电路广泛用于各种接收机、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也称自动电平控制；用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。

AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC电压的方式减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式减小增益的方式叫反向AGC。正向AGC控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。

AGC——Automatic Gain Control的缩写。所有摄像机都有一个将来自CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄像机的自动增益控制（AGC）电路探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度获得清晰的图像。具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大。

2.自动增益电路的特点

自动增益电路是接收机中不可缺少的辅助电路，同时它在发射机和其他电子设备中也有广泛的应用。自动增益控制电路组成如图所示，图中可控制增益放大器用于放大输入信号U1，其增益是可变的，它的大小取决于控制电压Uc。通过环路的反馈控制作用，可使输入信号Ui幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化，这就是自动增益控制电路的作用。

二、自动频率控制电路（AFC）

1.自动频率控制电路的工作原理

在通讯和各个电子设备中，频率是否稳定直接影响系统性能的优劣，工程上常采用自动频率控制电路来自动调节振荡器的频率，使之稳定在某一预期的标准频率附近。

2.自动频率控制电路的应用

自动频率控制电路广泛用于接收机中，其中作自动频率微调电路和。如图是一个具有自动频率微调电路的调幅接收机框图。与普通的不同的是本级振荡器改为能进行调整频率的压控振荡器，同时增加了限幅鉴频器、放大器和低通滤波器，与混频器和中频放大器组成了一个自动频率控制电路。

正常情况下，外来调幅的载波频率ωc与压控振荡器的振荡频率ω。相差一个中频ωI，通过鉴相器输出一个电压经滤波放大使压控振荡器输出振荡频率ω。若因某一原因使ωc或ω。偏离额定值时，则差频ωI产生ΔωI的偏离，经限幅鉴频，将偏离与ωI的频率误差变换成误差电压，而后将电压通过窄带滤波和放大后作用到压控振荡器上，使压控振荡器的振荡频率产生变化，这样通过环路的作用最后调整到输入调幅信号的载频频率ωc与压控振荡器的振荡频率之差近于ωI。

3.调频负反馈解调器

对于调频接收系统来说，都要用调频解调器。由于噪声的存在，任何普通的调频解调器都有一个解调的门限值。当调频解调器的输入信噪比高于解调门限值时，调频波解调后的输出信噪比将有所提高，并且其值与输入信噪比成线形关系。当输入信噪比低于解调门限值时，调频波解调器解调后的输出信噪比不仅不会提高，反而会随着输入信噪比的减小而急剧下降，因此提高调频波解调器的输入信噪比十分重要。

如图是调频负反馈解调器的方框图。它与普通调频接收机中的鉴频器的区别是，它利用鉴频后经低通滤波器输出的解调信号反馈给VCO，使VCO的角频率按解调电压变化。解调电压就是输入调频波的调制电压。

其中ωc-ω0为中频放大器的中心频率，△ωm1-△ωm2为输给中频放大器的调频波的最大频率偏移。显然，中频信号仍为不失真的调频波，但其最大角频率偏移小于混频器输入调频波的最大角频率偏移。负反馈解调器的中频放大器的通带可以比普通鉴频器接收机的中频放大器的通带小。若维持混频器输入信噪比相同，则加到调频负反馈解调器的限幅鉴频器的输入信噪比就比普通接收机中限幅鉴频器的输入信噪比高。若维持限幅鉴频器输入信噪比相同，采用负反馈解调器时，则混频器输入端所需输入信噪比比普通接收机要低，可以认为是解调门限值降低。

三、自动相位控制电路（APC）

自动相位控制电路需要比较和调节的参量为相位。自动相位控制电路又称锁相环路，它用于锁定相位，是一种应用很广的反馈控制电路。利用锁相环路可以实现许多功能，尤其是利用锁相原理构成频率合成器，是现代通信系统的重要组成部分。

1.锁相环路基本原理

锁相環路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。

2.锁相环的工作原理

（1）压控振荡器的输出经过采集并分频；

（2）和基准信号同时输入鉴相器；

（3）鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；

（4）控制VCO，使它的频率改变；

（5）这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。

锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR和uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv=fR，环路锁定。环路进入锁定状态，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。

环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。

锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且具有频率跟踪特性，它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。

通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控制电路（AGC）、自动频率控制电路（AFC）和自动相位控制电路（APC），它们用来改善和提高整机的性能。自动增益控制电路用来稳定通信及电子设备输出电压的幅度。自动频率控制电路用于维持工作频率的稳定。自动相位控制电路又称锁相环路（PLL），是用于实现两个电信号相位的同步。

反馈控制系统实质上是一个负反馈系统，系统的环路增益越高，控制效果就越好，即被控参数的值越接近于基准量。通过广大学者的不断研究和学习，它的优点不断被人们熟识，目前反馈控制电路已广泛用于通信、仪器仪表等领域。

参考文献：

[1]胡宴如，耿苏燕.高频电子线路.

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