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转载:电路中的反馈

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思行合一|  楼主 | 2011-7-25 22:10 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
反馈在电子系统中处处可见,举足轻重,而又千变万化。下面,本文将从数字系统,模拟系统,通信系统,信号处理各举一例,阐述反馈在电子电路中独特而又重要的基础性作用。

一.        数字电路——反馈是时序逻辑的基础
数字电路可以分为组合逻辑和时序逻辑两大部分。最早的数字电路以组合逻辑制胜。而随着大规模集成电路的发展,时序逻辑——尤其是统一时钟的时序逻辑——逐渐成为了数字芯片的基础架构。时序逻辑就是通过时钟控制的逻辑。但并不是说随意将一个输入端接入时钟信号就变成了时序逻辑,而是要通过时钟信号控制时序器件。时序器件主要指D触发器(D-Flip Flop)和锁存器(Latch)。那么,一个组合电路是如何组成时序器件的呢?时序器件要求在时钟起某种变化时更改值,而在时钟未发生变化时保留原来的值。而让电路具有储存原来值功能,有两种途径,一个不断刷新门电容,另一个就是反馈,前者适合构成大规模的存储器,是RAM的基础结构,而后者便是触发器和锁存器的基础。
锁存器的基础结构如图所示:

其功能是S端置1时输出置位,R端置1时输出清零,S和R都为0时保持原来的值。也就是说,当S或R两个输入端其中之一由1变为0时,输出保留原值。而不是输出确定的0或者1,这在组合逻辑中是无法实现的,因为组合逻辑的输出必须随着输入改变。输入确定则输出确定,与自己的历史(原来的值)无关。可以说,在这个矛盾上,反馈起了决定性作用,正由于有一根连线将输出Q与输入端连接起来,才有了保留原值的能力。
锁存器如果输入为正逻辑,锁存器用与门实现;如果输入为负逻辑,则可用或门实现。一般,一般采用下图的交叉模式表示,这就是我们所熟悉的RS锁存器:

那么,有了存储的能力,再加入钟控端,就构成了完整的钟控锁存器。如下图所示:

时序元件中的另一类——D触发器实际可以看作是背靠背安放的锁存器,锁存器和触发器作为基础时序元件,遵从时钟的控制,通过时序元件划分组合逻辑,构成了现代数字系统的基础结构。
有了时序逻辑,进一步又衍生了状态机,状态机可以根据输入和历史的状态决定未来的状态,因而使得数字电路具有了序列执行能力。比如CPU,其基础结构即是一个通过存储器存储状态码的状态机的演绎,它与状态机的不同是既遵循存储器中的编码跳转状态,但又通过执行的结果修改存储器中的状态编码。它并不能够主动工作,而是由主板提供时钟,自身再经过倍频后形成主频时钟,从而统领一切时序逻辑。完成取指、译码、读取执行、写回等操作,因而,时序逻辑使得它按照我们的指令序列进行工作。
因此,我们可以说,多亏了反馈。微观上讲,反馈把与非门的输出与输入连接了起来,构成了锁存器,宏观上讲,将组合逻辑用反馈连接起来,演化成了时序逻辑,因此,可以讲,反馈是时序数字逻辑的基石。

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沙发
思行合一|  楼主 | 2011-7-25 22:10 | 只看该作者
二.        模拟电路——反馈是放大的基础
模拟电路的重要应用即放大,而作为普通的三极管,即使是同一规格的器件之间放大倍数也不可能做到完全一致。且三极管是温度敏感的器件,温度变化后,静态工作点、结电阻和放大性能皆会发生改变。因此,采用开环状态进行放大很难控制放大倍数,因而不易应用。
真正应用到实际电路中的往往是带反馈环节的放大电路。当放大器工作在深度负反馈状态时,其放大倍数与自身的性能基本无关,而与反馈回路有关。从而使得放大变得可控。通常,可以用电压或者电流当作反馈量,构成了电压负反馈电路和电流负反馈电路。比例如下图所描述的电压并联负反馈电路。

根据虚短虚断原理,理想运放的两输入端电压相等,电流为0,因此可以得到电压放大倍数:

由于反馈放大电路的可控性,可以让输出与多个输入建立精确的关系,从而又构成了能运算加法,减法,甚至指数,对数等等的运算放大电路。比如,一个建议的积分器就可以通过在反馈中加入电容元件实现。如下图所示:

通过计算机对它的瞬时响应仿真,得到输出波形如下图所示,其中红色代表节点6处信号源的电压值,蓝色代表节点2处的电压值,可见输出节点2处是对原方波信号的积分。

由以上两例可以看出,反馈在放大电路中起到了举足轻重的角色,“自从有了反馈,模拟电路的面貌便焕然一新了。”

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板凳
思行合一|  楼主 | 2011-7-25 22:10 | 只看该作者
三.        通信系统——反馈是锁相环的基础
锁相环由于能精确跟踪输入信号的频率,在载波同步、频率合成、分频倍频等方面获得了广泛的应用。锁相环的基础结构是一个由相位检波器,环路滤波器,压控振荡器组成的反馈环路。如图所示:
锁相环的工作原理就是一个通过误差反馈逐步修正自己的输出使之与输入相匹配的过程。其跟踪过程简述如下:鉴相器将Ui的相位与当前的输出Uo相位做差,得到UD,经环路滤波器过滤掉高频分量后,作为一个电压值Uc控制压控振荡器产生一个新的振荡信号Uo,Uo继续和Ui的相位进行对比,使得Uc的相位变化逐渐追随Ui的相位变化,通过不断的捕捉过程,其相位的变化关系趋于同步,Uo的频率逐渐与Ui相同, 最后,Uo的频率与Ui相等,相位与Ui相差维持一个常量,压控振荡也就获得了一个稳定的Uc,从而使得压控振荡器的输出Uo趋于稳定。锁相环进入锁定状态。
本文不再对锁相环具体的牵引和锁定过程作过多分析,在此只是说明,反馈环路有一种通过反馈信号促使受控电路逐渐修正自己的行为,从而达到满意的输出的作用。
另外值得一提的是,如果在反馈回路上添加二分频环节,则输出将得到Ui的二倍频信号,也就是说,通过反馈各种特殊的“错误”信息,会得到与之相反的输出。是不是很有趣呢?

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地板
思行合一|  楼主 | 2011-7-25 22:10 | 只看该作者
四.        信号处理——反馈是IIR数字滤波器的基础
滤波器是电子系统中相当常用的子系统。它用于保留或阻止信号的某些频率分量。经典的数字滤波器主要分为FIR数字滤波器和IIR数字滤波器两大类型。IIR数字滤波器由于具有模拟原型,且设计公式闭合。因此获得了广泛应用。
IIR滤波器为反馈型滤波器,其输出与当前输入和系统过去的状态都有关。这使得它可以在更少的阶数和系统复杂度下实现幅度特性指标,为了阐明这一点,我们列写IIR数字滤波器时域递归表达式:

从时域上看,IIR的系统的y[n]不仅由输入序列x确定,同时还需要过去的状态y确定。新的输出是对旧的输出的迭代和修正,这正体现了其反馈的特点。若将上式进行z变换,便得到z域系统函数式:

从z域系统函数式上看,它含有分母。也可以说它在z>0的z平面内具有极点。因此,我们可以通过调节 和 的值调节零点和极点的位置。与此不同的是,FIR数字滤波器没有 一项,因此其z域系统函数也就没有分母项。其只有零点可调。由于极点具有对幅频响应特性的控制能力,因此 IIR滤波器可以较FIR滤波器在较低阶数的情况下获得更满意的幅度衰减。从而大大降低了电路复杂度。当然,它也较FIR滤波器有相位的非线性缺点。总之,通过反馈,使得滤波器的幅度特性指标更加容易逼近。使得电路实现变得更加简便。

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思行合一|  楼主 | 2011-7-25 22:10 | 只看该作者
反馈在电路中的例子仍不胜枚举。正反馈振荡电路通过噪声的选频和反馈放大从而实现了振荡;闭环控制系统较开环更加稳定、收敛和精确;最后,让我们总结反馈的几个重要贡献:
1.        它使得电路系统有能力检查自己“所作所为”的效果,从而逐步完善自己的行为。
2.        它使得电路系统有能力**以前的状态,从而完成复杂的序列活动或状态转换。
3.        它使得系统收敛和可控。
其实,我们的大脑就是一个通过历史经验和现实情况决定行为并接收行为带来的反馈的机器。我们自身也因而更清晰的认识了这个世界,让我们用自己脑袋的反馈去分析电路的反馈吧。

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-自己人| | 2011-7-26 12:17 | 只看该作者
说的非常对啊

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