反饋控制電路分類研究

摘 要： 在通訊和電子設備中，為了提高它們的性能或實現某些特定的要求，廣泛采用各種類型的反饋控制電路。反饋控制電路是電子系統中的一種自動調節電路，其作用是反饋系統在受到擾動的情況下，系統通過自身的反饋控制調節作用，即利用反饋信號與輸入信號進行比較，繼而輸出一個比較信號對系統的某些參數進行修正，使其達到預定的精度，從而提高系統的性能。根據需要比較和調節的參數不同，反饋電路可分為：自動增益控制電路、自動頻率控制電路和自動相位控制電路。

關鍵詞： 自動增益電路 自動頻率控制電路 負反饋解調器 自動相位控制電路

目前反饋電路在各個電子電路中都獲得普遍的應用，所以人們把反饋控制電路按照不同的需要分成自動增益控制電路、自動頻率控制電路和自動相位控制電路。

一、自動增益電路（AGC）

1.自動增益電路的工作原理及分類

自動增益電路是使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制方法。實現這種功能的電路簡稱AGC環。AGC環是閉環電子電路，是一個負反饋系統，它可以分成增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變。控制電壓形成電路的基本部件是AGC檢波器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號U0經檢波并經濾波器濾除低頻調制分量和噪聲后，產生用以控制增益受控放大器的電壓UC。當輸入信號Ui增大時，U0和UC亦隨之增大。UC增大使放大電路的增益下降，從而使輸出信號的變化量顯著小于輸入信號的變化量，達到自動增益控制的目的。放大電路增益的控制方法有：①改變晶體管的直流工作狀態，改變晶體管的電流放大系數β。②在放大器各級間插入電控衰減器。③用電控可變電阻作放大器負載等。AGC電路廣泛用于各種接收機、錄音機和測量儀器中，它常被用來使系統的輸出電平保持在一定范圍內，因而也稱自動電平控制；用于話音放大器或收音機時，稱為自動音量控制。

AGC有兩種控制方式：一種是利用增加AGC電壓的方式減小增益的方式叫正向AGC，一種是利用減小AGC電壓的方式減小增益的方式叫反向AGC。正向AGC控制能力強，所需控制功率大被控放大級工作點變動范圍大，放大器兩端阻抗變化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范圍也小。

AGC——Automatic Gain Control的縮寫。所有攝像機都有一個將來自CCD的信號放大到可以使用水準的視頻放大器，其放大量即增益，等效于有較高的靈敏度，可使其在微光下靈敏，然而在亮光照的環境中放大器將過載，使視頻信號畸變。為此，需利用攝像機的自動增益控制（AGC）電路探測視頻信號的電平，適時地開關AGC，從而使攝像機能夠在較大的光照范圍內工作，此即動態范圍，即在低照度時自動增加攝像機的靈敏度，從而提高圖像信號的強度獲得清晰的圖像。具有AGC功能的攝像機，在低照度時的靈敏度會有所提高，但此時的噪點也會比較明顯。這是由于信號和噪聲被同時放大。

2.自動增益電路的特點

自動增益電路是接收機中不可缺少的輔助電路，同時它在發射機和其他電子設備中也有廣泛的應用。自動增益控制電路組成如圖所示，圖中可控制增益放大器用于放大輸入信號U1，其增益是可變的，它的大小取決于控制電壓Uc。通過環路的反饋控制作用，可使輸入信號Ui幅度增大或減小時，輸出信號幅度保持恒定或僅在很小的范圍內變化，這就是自動增益控制電路的作用。

二、自動頻率控制電路（AFC）

1.自動頻率控制電路的工作原理

在通訊和各個電子設備中，頻率是否穩定直接影響系統性能的優劣，工程上常采用自動頻率控制電路來自動調節振蕩器的頻率，使之穩定在某一預期的標準頻率附近。

2.自動頻率控制電路的應用

自動頻率控制電路廣泛用于接收機中，其中作自動頻率微調電路和。如圖是一個具有自動頻率微調電路的調幅接收機框圖。與普通的不同的是本級振蕩器改為能進行調整頻率的壓控振蕩器，同時增加了限幅鑒頻器、放大器和低通濾波器，與混頻器和中頻放大器組成了一個自動頻率控制電路。

正常情況下，外來調幅的載波頻率ωc與壓控振蕩器的振蕩頻率ω。相差一個中頻ωI，通過鑒相器輸出一個電壓經濾波放大使壓控振蕩器輸出振蕩頻率ω。若因某一原因使ωc或ω。偏離額定值時，則差頻ωI產生ΔωI的偏離，經限幅鑒頻，將偏離與ωI的頻率誤差變換成誤差電壓，而后將電壓通過窄帶濾波和放大后作用到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的振蕩頻率產生變化，這樣通過環路的作用最后調整到輸入調幅信號的載頻頻率ωc與壓控振蕩器的振蕩頻率之差近于ωI。

3.調頻負反饋解調器

對于調頻接收系統來說，都要用調頻解調器。由于噪聲的存在，任何普通的調頻解調器都有一個解調的門限值。當調頻解調器的輸入信噪比高于解調門限值時，調頻波解調后的輸出信噪比將有所提高，并且其值與輸入信噪比成線形關系。當輸入信噪比低于解調門限值時，調頻波解調器解調后的輸出信噪比不僅不會提高，反而會隨著輸入信噪比的減小而急劇下降，因此提高調頻波解調器的輸入信噪比十分重要。

如圖是調頻負反饋解調器的方框圖。它與普通調頻接收機中的鑒頻器的區別是，它利用鑒頻后經低通濾波器輸出的解調信號反饋給VCO，使VCO的角頻率按解調電壓變化。解調電壓就是輸入調頻波的調制電壓。

其中ωc-ω0為中頻放大器的中心頻率，△ωm1-△ωm2為輸給中頻放大器的調頻波的最大頻率偏移。顯然，中頻信號仍為不失真的調頻波，但其最大角頻率偏移小于混頻器輸入調頻波的最大角頻率偏移。負反饋解調器的中頻放大器的通帶可以比普通鑒頻器接收機的中頻放大器的通帶小。若維持混頻器輸入信噪比相同，則加到調頻負反饋解調器的限幅鑒頻器的輸入信噪比就比普通接收機中限幅鑒頻器的輸入信噪比高。若維持限幅鑒頻器輸入信噪比相同，采用負反饋解調器時，則混頻器輸入端所需輸入信噪比比普通接收機要低，可以認為是解調門限值降低。

三、自動相位控制電路（APC）

自動相位控制電路需要比較和調節的參量為相位。自動相位控制電路又稱鎖相環路，它用于鎖定相位，是一種應用很廣的反饋控制電路。利用鎖相環路可以實現許多功能，尤其是利用鎖相原理構成頻率合成器，是現代通信系統的重要組成部分。

1.鎖相環路基本原理

鎖相環路是一種反饋電路，鎖相環的英文全稱是Phase-Locked Loop，簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。

在數據采集系統中，鎖相環是一種非常有用的同步技術，因為通過鎖相環，可以使得不同的數據采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數據采集。鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。

2.鎖相環的工作原理

（1）壓控振蕩器的輸出經過采集并分頻；

（2）和基準信號同時輸入鑒相器；

（3）鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓；

（4）控制VCO，使它的頻率改變；

（5）這樣經過一個很短的時間，VCO的輸出就會穩定于某一期望值。

鎖相環可用來實現輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準（參考）輸入信號時，環路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為fR的參考信號輸入時，uR和uv同時加到鑒相器進行鑒相。如果fR和fv相差不大，鑒相器對uR和uv進行鑒相的結果，輸出一個與uR和uv的相位差成正比的誤差電壓ud，再經過環路濾波器濾去ud中的高頻成分，輸出一個控制電壓uc，uc將使壓控振蕩器的頻率fv（和相位）發生變化，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使fv=fR，環路鎖定。環路進入鎖定狀態，壓控振蕩器的輸出信號與環路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩態相位差，而沒有頻差存在。這時我們就稱環路已被鎖定。

環路的鎖定狀態是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環路所處的狀態稱為跟蹤狀態。

鎖相環路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步，而且具有頻率跟蹤特性，它在電子技術的各個領域中都有著廣泛的應用。

通信與電子設備中廣泛采用的反饋控制電路有自動增益控制電路（AGC）、自動頻率控制電路（AFC）和自動相位控制電路（APC），它們用來改善和提高整機的性能。自動增益控制電路用來穩定通信及電子設備輸出電壓的幅度。自動頻率控制電路用于維持工作頻率的穩定。自動相位控制電路又稱鎖相環路（PLL），是用于實現兩個電信號相位的同步。

反饋控制系統實質上是一個負反饋系統，系統的環路增益越高，控制效果就越好，即被控參數的值越接近于基準量。通過廣大學者的不斷研究和學習，它的優點不斷被人們熟識，目前反饋控制電路已廣泛用于通信、儀器儀表等領域。

參考文獻：

[1]胡宴如，耿蘇燕.高頻電子線路.