chapter环路捕获性能实用学习教案

1、会计学1chapter环路捕获环路捕获(bhu)性能实用性能实用第一页，共22页。3. 自捕获(bhu)与辅助捕获(bhu) 环路(hun l)依靠自身的控制作用而捕获的方式称为自捕获 借助于辅助电路实现捕获的方式(fngsh)称为辅助捕获 自捕获的缺点：捕获速度慢、捕获范围小、可靠性差 通过改变环路参数的方法改善捕获性能时会严重影响环路的跟踪性能 实现时一般采用辅助捕获方法改善环路的捕获性能第1页/共22页第二页，共22页。4. 捕获(bhu)性能的分析方法 不满足(mnz)线性近似条件，不能采用线性分析法，只能对非线性微分方程展开讨论 常用的分析方法有：1) 相平面法（相轨迹法或相图法）

2、图解分析方法。根据非线性微分方程得到 关系图可分析一、二阶环路的动态过程，取得稳定性、时间响应等有关(yugun)信息2) 准线性法 将PD输出的差拍电压信号近似为一直流信号与正弦信号之和进行讨论。此方法适合于任何阶次的环路，且阶次越高分析结果越精确)()(ttee第2页/共22页第三页，共22页。第二节第二节 PLL的捕获的捕获(bhu)过程与过程与捕获捕获(bhu)特性特性1. 二阶环捕获过程(guchng)的描述 对采用无源比例(bl)积分滤波器的二阶环)(sin)()()(1tpKFtptpee对输入固定频率信号12111)()(pppFtpo；得到相轨迹方程)sin(1)cos1 (

3、1121eoeeeeKKdd定义环路高频总增益为1212KKKKodH第3页/共22页第四页，共22页。则环路(hun l)的相轨迹方程)sin(1)cos1(1211eHoeeHeeHKKddK强调两点：(1)因方程中含有 与 ，因此相轨迹以 为周期。所以研究捕获特性时，只研究 间的相图即可；(2)在 的横轴某些点上，因方程中出现 项，所以这些点在相轨迹上的斜率是不确定的，将这些点称为奇点，他们对应着环路(hun l)的稳定和非稳定平衡点。在稳定平衡点，所有的相轨迹走向都会聚或收敛于该点；对非稳定平衡点，所有的相轨迹都背向该点发散出去ecosesin2e0e0/0第4页/共22页第五页，共2

4、2页。非理想二阶环一个(y )周期内的相图如下第5页/共22页第六页，共22页。由图可知：稳定平衡点：令 得 非稳定平衡点：令 得 随着固有频差的增加，两个奇点逐渐靠近；当 时，两个奇点将(din jing)重合而消失，此时环路不能通过捕获而锁定，因此 是维持环路锁定的必要条件，故环路同步带 非线性环路的稳态剩余相差：nKoe2arcsin0/0/22dtddtdee；nKoe2arcsin0/0/22dtddtdee；KoKoKHKoearcsin)(2) 当瞬时(shn sh)频差很大时，相轨迹近似于正弦曲线第6页/共22页第七页，共22页。2. 二阶环的捕获(bhu)过程捕获过程： 捕获

5、得起始阶段，环路的频差较大，在输入固定频率信号和VCO反馈的调频信号的作用下，鉴相器的输出为差拍电压(diny)，差拍电压(diny)中的直流分量不为零，通过环路滤波器的积分作用，使控制电压(diny)中的直流分量不断增加，从而不断牵引VCO输出平均频率向输入信号的频率靠近，使得平均频差不断减小； 当平均频差减小到进入快捕带后，频率捕获结束，开始相位捕获过程。此过程中，瞬时相差的变化不超过 ，最终趋于稳态值，使得误差电压(diny)和控制电压(diny)都为直流信号，提供一个固定的频偏，输出频率被最终锁定在输入信号的频率上，捕获过程结束。 捕获过程中各个信号的变化如P80图4-2所示2第7页/

6、共22页第八页，共22页。3. 二阶环的捕获过程(guchng)的特性(1)二阶环中存在环路滤波器，在捕获过程中，环路滤波器对差拍电压中的交流分量进行按比例衰减，同时对其中的直流分量进行积分，故二阶环的牵引模型(mxng)如图4-3所示(2)当 时，环路滤波器对直流分量的积分作用使得环路输出的平均频率向输入信号频率靠拢(3) 在相位捕获过程中，频差不为零，仍然在减小；由于一阶环的捕获过程中相差不会超过 ，所以一阶环只有相位捕获(4)二阶环的捕获过程是一个牵引过程，而一阶环的捕获是一个渐近稳定过程(5)当 时，一阶环和二阶一型环都不能锁定，出现稳定的差拍状态，而理论上理想二阶环能够通过理想积分作

7、用而锁定po2po第8页/共22页第九页，共22页。第三节第三节 捕获捕获(bhu)带与捕获带与捕获(bhu)时间时间 捕获带：保证(bozhng)环路能够通过捕获作用而锁定时所允许的最 大固有频差快捕带：保证环路仅有相位(xingwi)捕获过程时所允许的最大固有 频差捕获时间 = 频率捕获时间 + 快捕时间 频率捕获时间 第9页/共22页第十页，共22页。1. 二阶环的快捕带与快捕时间(shjin)快捕带： L = c = K 2 / 1 = 2 n 最大快捕时间(shjin)： ( 采用正弦鉴相器时 ) TLmax 101 /( K 2 ) = 5/( n )高频总增益： KH = K 2

8、 / 1 描述了环路在极限(jxin)情况下能够提供的最小控制频差值第10页/共22页第十一页，共22页。2. 二阶环的捕获(bhu)带与捕获(bhu)时间)0()2(Re2jFjFKpp对采用正弦鉴相器的环路，使用准线性方法求得捕获(bhu)带的一般形式（1）二阶环的捕获带）二阶环的捕获带 采用有源比例积分采用有源比例积分(jfn)滤波器的二阶环滤波器的二阶环 p = 采用无源比例积分采用无源比例积分(jfn)滤波器的二阶环滤波器的二阶环 p K ( 2 2 / 1 ) = 2( Kn n2/2 ) 2 ( Kn) 采用采用RC积分积分(jfn)滤波器的二阶环滤波器的二阶环 p 1.68 (

9、 K/ 1 ) 2.37 ( Kn ) 第11页/共22页第十二页，共22页。（2）二阶环的捕获时间）二阶环的捕获时间 捕获时间可近似为频差从捕获时间可近似为频差从o下降到下降到L所需时间所需时间 在满足条件在满足条件K o L 时，利用准线性近似法可求得时，利用准线性近似法可求得 理想二阶环理想二阶环 Tp o2 / ( 2n3 ) 采用无源采用无源(w yun)比例积分滤波器的二阶环比例积分滤波器的二阶环 Tp o2 / ( K2 2 / 12 )第12页/共22页第十三页，共22页。（3） H p的分析的分析(fnx)通常(tngchng)，在环路中有： H p L 和 Tp TLmax

10、 H在获取时，环路总是锁定的，此时(c sh)的PD输出为直流电压，LF对直流的衰减最小，当o增大导致e()增加时，正弦鉴相器输出的最大误差直流电压为Ud，加到VCO上的最大控制电压为Ud F(j0) ，同步带为 H = Ud KoF(j0) = K p在获取时，环路总是处于捕获状态即失锁状态，此时的PD输出为一差拍电压，其中既含有直流分量又含有交流分量，由于LF对交流分量的衰减较大，因此当o = H时，实际加到VCO上的控制电压小于Ud F(j0) ，故VCO的瞬时频偏小于o ，环路不能锁定，必须进一步减小o ，所以有 H p第13页/共22页第十四页，共22页。第四节第四节 辅助辅助(fz

11、h)捕获方法捕获方法p = 2( Kn) T p o2 / ( 2n3) 加大n和可以(ky)扩大环路的捕获带和缩短捕获时间 减小起始频差o可以(ky)缩短捕获时间 加大n和会增加环路的等效带宽BL，使环路的滤噪性能和窄带跟踪性能下降 BL = n（1 + 4 2） / 8第14页/共22页第十五页，共22页。 减小环路的起始(q sh)频差，使之尽快落入快捕带内 使用两种不同的带宽和/或增益：捕获(bhu)时具有较大的带宽和/或增益，锁定后具有较小的带宽和/或增益通常的设计原则： 优先考虑(kol)环路的跟踪性能和滤噪性能，对捕获性能的改善则采用辅助捕获的方法来实现这两类方法都是频率辅助捕获

12、方法辅助捕获的基本思想：第15页/共22页第十六页，共22页。1. 人工(rngng)电调法基本原理： 采用手动的方法，在起始频差较大时给VCO提供一个相应的直流调谐电压(diny)，改变其振荡频率，以减小起始频差输入信号输出信号调谐控制电压鉴相器环路滤波器压控振荡器机械或电子开关电阻分压器第16页/共22页第十七页，共22页。2. 自动(zdng)扫描法基本原理：在环路尚未锁定时给VCO加一个周期性的扫描电压，使VCO的输出频率在足够宽的频率范围内摆动，当频率锁定后，扫描发生器停止工作，环路通过(tnggu)自身控制作用而快捕锁定实际作用：在加入扫描电压后，在捕获阶段，环路中VCO的平均输出

13、频率增加(zngji)而平均频差减小，即扫描电压的加入提供了附加的控制电压，加快了环路的频率牵引作用第17页/共22页第十八页，共22页。设扫描低压为us (t) ，捕获过程中的瞬时(shn sh)频差为v，VCO的输出频率为v，则： v = o +Kouc + Ko us = o + Ko ( uc + us ) = v + Ko us v = i v = o Ko ( uc + us )如果输入的扫描电压在一个周期内的均值不为零，则有sovcsoovuKuuK)(sovcsoovuKuuK)( 可见，扫描电压的加入可使得(sh de)在捕获阶段环路中VCO输出的平均频率增加而平均频差减小，

14、加速环路的频率牵引作用第18页/共22页第十九页，共22页。3. 辅助(fzh)鉴频法基本原理：利用附加的鉴频器，在鉴相器输出误差电压较小时提供额外的误差电压信号(xnho)以加大控制电压优点：利用鉴频器的宽带特性可以(ky)扩大频率捕获范围，提高捕获速度缺点：鉴频器的工作门限较高，不适用于信噪比较低的环境输入信号输出信号调谐控制鉴相器辅助鉴频器V C OV C O粗调网络压 控振荡器环 路滤波器 当频差较小时，鉴相器的输出起主要作用 当频差较大时，鉴频器的输出起主要作用第19页/共22页第二十页，共22页。4. 变带宽(di kun)法基本原理：在捕获过程中，使得环路有较大的带宽，以扩大捕获带，在锁定后使环路的带宽变窄，保证