第十二章 反馈控制电路
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第十二章 反馈控制电路. 主要内容. 12.1 概述 [2] 12.2 自动增益控制( AGC ) [1] 12.3 自动频率控制( AFC ) [2] 12.4 锁相环路的基本组成及数学模型 [2] 12.5 锁相环路的基本分析 [3] 12.6 锁相环路的应用 [1]. 重点和难点. 12.1 概述 12.2 自动增益控制( AGC ) 12.3 自动频率控制( AFC ) 12.4 锁相环路的基本组成及数学模型 12.5 锁相环路的基本分析 12.6 锁相环路的应用. 各种控制电路的作用、组成框图、实际应用、实际电路

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第十二章 反馈控制电路

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Presentation Transcript


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第十二章 反馈控制电路


6124288

主要内容

12.1 概述[2]

12.2 自动增益控制(AGC)[1]

12.3 自动频率控制(AFC) [2]

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型[2]

12.5 锁相环路的基本分析[3]

12.6 锁相环路的应用[1]


6124288

重点和难点

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

各种控制电路的作用、组成框图、实际应用、实际电路

掌握AGC电路中对放大器增益的控制方法。PLL(APC) 的组成框图及各种应用

AGC、APC中控制信号的变化方向与被控电路的相互关系


6124288

12.1 概述

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

闭环(自动)控制系统:反馈控制

  • 将受控物理量自动调整到预定值

     开环(自动)控制系统:前向控制

  • 程控(数控),智能化控制等

  • 如开、关机,自动录放,程序工作等


6124288

一、 常用的反馈控制方式

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

自动增益控制 AGC (AVC)

  • 反馈控制量为增益(或电平), 以控制放大器系统中某级(或几级)的增益大小

    自动频率控制 AFC

  • 反馈控制量为频率 ,以稳定频率

    自动相位控制 APC (PLL)

  • 反馈控制量为相位

  • PLL可实现调频、鉴频、混频、解调、频率合成等


12 1 p361

二、自动控制系统的模式(图12-1 p361)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用


6124288

三、分析方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

反馈控制电路均含有非线性电路,如:

  • AGC: 检波电路

  • AFC: 鉴频、混频电路

  • APC(PLL): 鉴相器、混频器

    故采用非线性电路分析方法,在一定条件下可近似为线性


12 2 agc

12.2 自动增益控制(AGC)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

一、 AGC目的与要求

  • 目的

    • 接收信号几 μV~几mV变化, 即信号强弱比为103~104

  • 变化原因

    • 距离不同、电台发射功率不同

    • 移动电台、短波信号衰落,强弱变化相对缓慢

  • 信号强弱变化大,若放大器增益固定,则造成

    • 使后级放大器偏离线性区, 信号失真,如电视信号的同步头被压缩或消去,使同步失控,严重时, 产生大信号阻塞(进入截止、饱和区)

    • 增加混频组合频率干扰和非线性失真


12 2 agc1

12.2 自动增益控制(AGC)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

一、 AGC目的与要求

  • 对AGC电路的具体要求

    • 增益控制范围大,如电视AGC:20~60dB

    • 保持系统良好的信噪比特性

    • 控制灵敏度高,如电视AGC:-3dB以内

    • 控制增益变化时,幅频、群时延特性不变,以减小信号失真

    • 控制特性受温度影响小


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二、带有AGC电路的调幅接收机系统框图

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

图12-2 p362

注意

  • 延迟式AGC控制(先中放,后高放)

  • 对于FM接收机

    • 鉴频前的限幅,要求中放增益高,以提供足够的驱动电压,故AGC一般只控制高放

    • 鉴频器的输出信号幅度仅与已调信号的频偏有关,而与输入信号幅度无关,故AGC电压一般取自中放的一部分信号


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

放大管电流控制法(图12-3 p363)


6124288

三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

反向AGC(OP段)增益G随Ic正比变化,即 Ic↓ -> G↓,Ic↑ -> G↑

优点 

  • Ic小,节省功率

    缺点

  • 信号过小时,Ic下降过快,放大器进入非线性区


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

左图为反向AGC控制,VAGC为负电压

输出↑→ VAGC负向↑→ib(ic)↓→G↓,输出↓→ VAGC负向↓→ib(ic) ↑→G↑

右图为正向AGC控制,VAGC为正电压

输出↑→ VAGC正向↑→ib(ic)↑→G↓,输出↓→ VAGC正向↓→ib(ic) ↓→G↑


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

放大管集电极电压控制法

  • R较大时, ic↑时Vcc经R后Vcc'下降较快,

  • VAGC正向↑ → ib(Vbe↑) → ic ↑ → VR↑ → Vcc' ↓ → G ↓


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

放大管负载控制法

  • 通过VAGC控制负载变化来改变增益(图12-6 p365)

  • VAGC正向↑→VD的正向内阻↓→G↓

  • VAGC正向↓→ VD的正向内阻↑→G↑

  • VAGC负向时,VD的反向内阻很大,对G影响很小


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

差动电路增益控制法

  • 图12-7 p365

  • 采用分流方式

    控制增益

  • 控制范围80dB


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三、控制放大器增益的方法

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

双栅场MOS效应管增益控制

  • 图12-8 p365


6124288

四、AGC电路举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

广播接收机中的AGC电路(图12-9 p366)


6124288

四、AGC电路举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

广播接收机中的AGC电路(图12-9 p366)


6124288

四、AGC电路举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

AGC方式高线性调幅(图12-10 p367)


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四、AGC电路举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

AGC方式高线性功放(图12-11 p367) 


12 3 afc

12.3 自动频率控制(AFC)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

使振荡器频率自动锁定到预定的频率上

一、 AFC原理框图(图12-12 p368)


12 3 afc1

12.3 自动频率控制(AFC)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

鉴频器(比较器)

  • f0(VCO输出),fs(标准频率)

  • f0 = fs:比较器无输出

  • f0 ≠ fs:有正比于f0 -fs的输出,经LPF输出vc去控制VCO,当| f0 -fs|减少到△f时,自动微调过程停止, 输出频率稳定在fs±△f

    LPF

  • 按系统要求, 从鉴频器输出的误差信号中滤出控制信号vc

    受控元件(可变电抗元件)

    受控振荡器 VCO

    闭环系统满足负反馈 (图12-13 p368)


12 3 afc2

12.3 自动频率控制(AFC)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

闭环系统满足负反馈 (图12-13 p368)

右图:振荡器控制特性曲线

  • A: 理想,无频差   B: 实际,有固有频差△f

  • C: △ f p捕捉带宽    D: △fH同步带宽(临界情况)


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二、AFC系统应用框图举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

调幅接收机AFC系统(图12-14 p369)


6124288

二、AFC系统应用框图举例

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

彩电接收机AFC系统(图12-15 p369)


6124288

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

APC的主要发展和应用:PLL技术

一、 锁相环路的基本组成(图12-16 p370)

  • AFC: 频率有差系统。稳定点M处,存在固有频差 (其大小由系统性能决定)

  • PLL: 频率无差系统。稳定点M处,存在固有相差 (其大小由系统性能决定)


12 17 p371

二、鉴相器数学模型(图12-17 p371)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

由正交乘积型鉴相器P322 (10-28)


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三、环路滤波器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

一般为LPF:抑制各种组合频率、干扰、噪声。  (表12-1 p371)均为LPF


6124288

三、环路滤波器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

传输函数通式

环路滤波器的数学模型(图12-18 p372)


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四、压控振荡器(受控调频振荡器)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用


12 20 p373

五、 锁相环路的数学模型(图12-20 p373)

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用


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12.5 锁相环路的基本分析

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

一、 线性化后的环路模型

  • 图12-21 p375


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一、 线性化后的环路模型

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用


6124288

一、 线性化后的环路模型

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用


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二、一阶、二阶锁相环 [F(s)不同]

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

一阶锁相环(无实用价值,分析用)

  • 无环路滤波器,F(s)=1,则传输函数为s的一阶函数

    二阶锁相环(实用)

  • F(s)为比例滤波器等,则传输函数为s的二阶函数,故性能 优于一阶锁相环

  • 但三阶以上,环路稳定性下降


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12.6 锁相环路的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

锁相环路的主要特点

  • 良好的跟踪特性

  • 环路锁定后无频差

    • 即输出信号与参考信号频率相同

    • 且稳态相差为常数(较小或零)

  • 良好的窄带滤波特性

    • 设计良好的二阶、三阶环,环路通带很窄

    • f0为几十MHz时,B可达几十Hz~几Hz

  • 易于集成化


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一、频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

PLL应用,载波跟踪型环路

数字式锁相频率合成器 (图12-22 p378)


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一、频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

MC145146构成的频率合成器(图12-23 p379)


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一、频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

带前置固定分频的锁相频率合成器 (图12-24 p380)


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一、频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

带混频的锁相频率合成器 (图12-25 p380)


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

载波跟踪型环路

  • 窄带跟踪,用于载波提取

    • 环路滤波器的通带很窄,输入已调信号的调制成分不能通过

    • VCO的输出能跟踪输入已调信号中载频的飘移,以获得较好的相干解调效果


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

载波跟踪型环路

  • 例1:锁相鉴相

  • 调相信号相干解调(图12-31 p384)


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

载波跟踪型环路

  • 例2:调幅信号的同步检波(图12-32 p384)


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

载波跟踪型环路

  • 例3:锁相调频 (图12-29 p383)


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

载波跟踪型环路

  • 例4:锁相接收机 (图13-15 p404)


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

调制跟踪型环路

  • 宽带跟踪,用于鉴频等

    • 环路滤波器的通带较宽 (fH >vΩ引起的频率变化部分),已调信号的调制成分可以通过

    • VCO的输出能跟踪输入已调信号中的瞬时 频率变化


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

调制跟踪型环路

  • 例1:锁相鉴频(图12-30 p383)

    • 要求环路滤波器的带宽>vΩ引起的频率变化部分, 使VCO能跟踪调频信号中反映调制规律变化的 瞬时频率,则环路滤波器输出调制信号电压


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二、锁相环路跟踪特性的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

调制跟踪型环路

  • 例2:锁相混频 (图12-28 p383)


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三、锁相环路在工业生产上的应用

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

图12-33 p385


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四、直接式数字频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

DDS工作原理(相位相加)

  • 储器中信号样点示意图(图12-26 p381)

    • 或为方波、三角波等波形


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四、直接式数字频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

设抽样频率为 16MHz

  • 取32 个样值,间隔为Δφ

  • 取16 个样值,间隔为2Δφ

  • 取8 个样值,间隔为4Δφ

改变抽样频率

可改变输出频率


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四、直接式数字频率合成器

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

直接式数字频率合成器组成例 AD9850 (图12-27 p382)

  • fc =125MHz、N=32时, fr =0.0291Hz(输出频点分辨率)

  • DDS的缺点:噪声较大,输出信号较小时,信噪比较低


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小结

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

12.1 概述[2]

  • 常用的反馈控制方式 AGC、 AFC 、APC

    12.2 自动增益控制(AGC)[1]

  • 控制放大器增益的方法

    • 放大管电流控制法、放大管负载控制法等

    • 正、反向AGC电路

      12.3 自动频率控制(AFC) [2]

  • 系统框图和原理


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小结

12.1 概述

12.2 自动增益控制(AGC)

12.3 自动频率控制(AFC)

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型

12.5 锁相环路的基本分析

12.6 锁相环路的应用

12.4 锁相环路的基本组成及数学模型[2]

  • 系统框图和环路方程基本原理

    12.5 锁相环路的基本分析[3]

  • 一阶和二阶环的基本概念

    12.6 锁相环路的应用[1]

  • 频率合成器(载波跟踪型环路)

  • 其它载波跟踪型环路和调制跟踪型环路应用


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