[科普中国]-反馈控制环路-

反馈控制在现代电子工程中得到极为广泛的应用。在厂、矿的工业生产中利用反馈挖制可实现生产自动化,在放大电路中利用反馈控制可以稳定静态工作点和放大倍数,减少非线性失真,扩展频带以及改变输入电阻和输出电阻等等。凡是通过一定方式把系统中的某一输出量(例如电流、电压或其他物理量)的一部分或全部送回到系统的输人端,这种反送过程叫作反馈控制。把系统的输出端和系统的输人端所构成的闭合回路叫作反控制环路。为了达到对任一个物理量实现反馈控制,都应当具备二个重要的环节,这就是:(1)任一控制系统,其输出端与输入端相连,以构成闭合的反愦控制环路;(2)对受控制的输出物理量进行控制,必须形成能对受控制的物理量进行控制的误差信号。若具有以上两个重要环节,我们就可以对正弦信号的任物理量都能实现反馈控制。

类型振幅(幅值)反馈控制环路在各种通信系统以及在电子工程中,利用振幅反馈控制来改善系统及电路性能,是很普遍的事了。例如,负反馈放大器、接收机中的自动增益控制系统(AGC系统)等等。在那里,反愤控制的调节量是它们的输出信号的振幅,因此,我们叫作振幅反控制环路。

负反馈放大电路,如右图所示,输出信号的振幅量电压V。通过反馈网络(RF、RE1),反馈到放大电路的输入端,与原放大电路的输入信号的振幅量电压Vi相减,因此,放大电路放大的就是原输入信号振幅量与反馈信号振幅量(反馈电压以Vf表示)相减后的误差信号,也就是振幅误差信号(Vi-Vf)。显而易见,由于反馈控制的存在,输出信号振幅的任何变化都将影响到振幅误差信号的大小,该误差信号又经过放大,再去调节输出信号的振幅变化,以达到控制输出信号大小的目的,故称作振幅反馈控制环路。例如,当输入信号的振幅一定时,如果放大管参数(如电流放大系数β)的变化,使输出信号振幅突然增大,则反馈信号的振幅也增大,而误差信号振幅却减小了,经放大后使输出信号振幅趋于减小。这样,就减小了管子参数变化对输出信号振幅的影响,以达到稳定输出信号振幅的目的。由此可见,这种振幅反馈控制是通过反馈网络将输出与输入连成闭合回路,并利用误差来实现控制的。

频率反馈控制环路频率与相位在正弦信号三个特征量之中,并不象特征量振幅那样容易被人理解,这就是说,频率与相位是隐含在信号的正弦变化之中,所以把受控制的输出信号反馈至系统的输入端时,必须有一个鉴别装置,其作用就是能把输人信号与反馈控制信号的频率或相位鉴别出来,并加以比较而形成误差信号(误差电压),然后用频率或相位误差信号去控制一个频率受电压控制的振荡器,以达到控制输出频率或相位的目的。

频率反馈控制环路,如右图所示。它是由鉴频器、滤波电路和压控振荡器组成,并以正弦信号的频率作输出和输入的特征量,故这种反馈控制环路称作频率反馈控制环路。频率反馈控制环路中的鉴频器,能鉴别输入信号频率fi与反馈控制信号频率f0之间的频率误差(fi-f0),并形成与频率误差成比例的误差信号,以便根据特定需要进行一定的处理之后,可对压控振荡器的输出信号频率进行调整,以达到控制输出频率的目的。

频率反馈控制环路,当前应用的也较广泛。例如,自动频率微调系铳(AFC)、调频负反馈环路(FMFB)等等。

频率反馈控制环路的工作过程是,系统的输出信号频率f0,经反馈网络(反馈系数=1)送到该系统的输入端,与原输入信号频率fi相减,因此,形成了输入信号频率fi与反馈信号频率f0之间的频率误差(fi-f0),也就是频率误差信号。这样,由于反馈控制的存在,系统的输出信号频率的任何变化都将影响到与频率差成正比的误差信号的大小,该误差信号经过滤波电路处理后,再去调节压控振荡器的输出频率。例如,压控振荡管参数变化,可使其输出频率增大,则反馈信号频率也增大,而误差信号频率却减小了,经滤波电路处理后使输出频率趋于减小。这样,就减小了管子参数变化对输出信号频率的影响,以达到稳定输出信号频率的目的。也就是说,压控振荡器的输出信号频率趋向接近于输入信号的频率,但始终不能等于输入信号的频率,这是这种控制系统的缺点。

相位反馈控制环路这种控制环路是以信号的相位作为输入量和输出量的反馈系统,故称作相位反馈控制环路,简称锁相环路。它是利用相位误差信号来控制压控振荡器的频率,最终可使输出信号的相位锁定在输入信号的相位上。

相位反馈控制环路,如右图所示。它是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成。其中鉴相器能鉴别出输入信号相位和反馈信号相位之间的相位误差,并形成与相位误差成比例的误差信号。误差信号经过环路滤波器处理之后,即可对压控振荡器的出信号的相位进行调整,最终可使输出信号相位和输入信号相位保持一很小的差值(或者是零),即达到相位锁定。

相位反馈控制环略,当前应用极为广泛。例如,空间通信用的锁相接收机、解调技术、稳频技术等等。

相位反馈控制环路的工作过程是,系统的输出信号相位θ2,经反馈网络(反馈系数=1)输送到该系统的输入端,与原输入信号相位θ1相减,因而构成输入信号的相位θ1与反馈信号的相位θ2之间的相位误差(θ1-θ2),于是形成了与相位误差成比例的误差信号。这样,由于反馈的存在,输出信号相位的任何变化都将影响相位差以及误差信号,而误差信号又去调节压控振荡器的输出信号相位。例如,当压控振荡管参数变化时,可使它的相位增大,则反馈信号的相位也增大,但相位误差却减小,并使误差信号也随之减小,而该误差信号经环路滤波器后,再去调节压控振荡器的输出信号相位,使之锁定在输入信号相位上,从而达到压控振荡器的输出信号相位锁定或跟随输入信号相位变化而变化的目的。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所