锁相技术第4章

1、第四章 环路捕获性能,4.1 捕获的基本概念,2. 相位捕获与频率捕获 相位捕获：在捕获过程中， 没有 的越变。,如一阶环： , 只有压控振荡器一个固有积分环节 ，捕获过程中，在2的周期内环路锁定，所以一阶环只有相位捕获，没有频率捕获。,频率捕获：环路中至少有两个积分环节， VCO有一个积分环节， 。,二阶环既有频率捕获又有相位捕获,3. 自捕获与辅助捕获（捕获方法）,自捕获：依靠环路自身的控制能力达到捕获锁定。,辅助捕获：借助于辅助电路实现捕获锁定。,环路的跟踪性能和捕获性能对环路参数的要求是矛盾的。因此，为发挥环路的跟踪性能，一般要牺牲环路的捕获性能，捕获过程借助于辅助捕获电路来完成。,工

2、程上常用的近似分析方法： 相平面法： 图解分析二阶非线性微分方程。 准线性法：适用于任何阶次的环路，对于高阶环的分析更精确。,捕获过程的特点： 将在大范围内变化, 甚至有多个2周期跳越。 鉴相特性为非线性。 动态方程为非线性微分方程。,4. 捕获性能的分析方法,4.2 捕获过程与捕获特性,一、一阶锁相环路的捕获,如果输入固定频率的信号：,按照相轨迹方程可以建立瞬时频差 和瞬时相差 之间的关系图 称为“相平面图”。,讨论：,1. 曲线上任意一点为相点 ，它反映了环路工作状态的变化过程。,2. 上半平面 ，意味着 随时间的增长而增长，即相点向右移动。而下半平面的相点向左移动。,3. 每个2 周期内

3、和横轴有两个交点，交点处：,稳定平衡点,不稳定平衡点,时的动态方程图解,4. 稳态相差 一般认为相差接近A点环路就进入到了锁定状态。,5.当 时， 环路动态方程无解，不能进入锁定状态。,当 时，环路为临界锁定状态。,6. 、 、 的关系,一阶锁相环的可调参数只有K,二、二阶锁相环路的捕获 以无源比例积分滤波器为例分析环路的捕获过程,当输入固定频率信号时：,再将上式两边除以 , 得相轨迹方程,讨论：,1. 相平面图是由相轨迹簇构成的，不同的起始频差有就不同的相轨迹。,2. 相轨迹是有方向的曲线 上半平面： 下半平面：,3. 当起始频差比较大时，相轨迹近似正弦波，但在每个 周期后，会向横轴靠近。（

4、靠近锁定点）,4. 当 时，起始频差 ，环路刚好进入相位捕获。,5. 平衡点的条件：,当n=0时的稳态相差为：,6. 相轨迹图中没有明显的时间信息，但隐含着 和 随时间变化的信息，根据相轨迹图可以得到 和 随时间变化的关系图。,三、捕获过程的定性分析,输入信号：固定频率信号,不超越,靠近,4.3 捕获带与捕获时间,捕获带和捕获时间的精确分析。必须严格求解环路的非线性微分方程，很困难。目前一些学者采用准线性近似法来分析捕获带和捕获时间，其结果在工程上有适用价值。,一、二阶环的快捕带与快捕时间 快捕带 ：保证环路只有相位捕获的最大固有频差,对于无源比例积分滤波器二阶环，从相平面图的分析中可知：当

5、时，环路刚好进入相位捕获。,具有正弦鉴相特性的二阶环的最大快捕时间,二、二阶环的捕获带与捕获时间,快捕时间 ：相位捕获过程所需的时间,作为粗略工程估算,捕获带 ：保证环路必然进入锁定的最大固有频差,使用准线性近似法得到的捕获带的计算公式：,K是环路总增益,适用范围：具有正弦鉴相特性的环路； 环路滤波器可以任意阶次的。,捕获带：,捕获时间：,P85 （4-19）,2. 无源比例积分滤波器二阶环的捕获带和捕获时间,时,捕获时间：,捕获带：,P85 （4-20）,捕获带：,P85计算举例,3. RC积分滤波器二阶环的捕获带,1/=,P85 4-17）,P85 4-18）,具有环路滤波器传递函数F(s

6、)=(1+st2)(1+st1)的二阶环路, 其参量为: n=100 rads, K=2105 rad2, fo=600 Hz。计算 wH,wL,TL max, wp和Tp值。解:,而可见wowL, woK, 满足(4-16)式和(4-19)式的近似条件。因此利用(4-16)式和(4-19)式, 可算得,4.4 辅助捕获方法,问题的提出：,1. 环路依靠自身的捕获进入锁定，使得 长， 窄。另外可能出现假锁定现象（锁定在不稳定平衡点）。,3. 改善环路捕获性能和提高环路跟踪性能是矛盾的。,解决的办法：,1. 牺牲环路的捕获性能，提高环路的跟踪性能。依靠辅助捕获电路提高环路的捕获性能。（原则）,2

7、. 辅助捕获分为辅助频率捕获和辅助相位捕获。,相位捕获：一般依靠环路自身实现 ，在高要求的数字通信系统中，设置辅助相位捕获装置。,辅助频率捕获的方法,一、起始频差控制P87,减小初始频差法,P87图4-5具有交流检波器和扫描发生器的锁相环方框图,工作原理,起始频差较大时，PD输出差拍波，交流检波器将差拍波变换成直流电压并放大到一定值，触发扫描信号发生器工作，使其输出锯齿波电压，该电压加到VCO上，使VCO输出频率随之摆动，一旦使频差进入快捕带之内，环路快捕入锁。 锁定后PD输出直流电压，扫描发生器不工作。,辅助鉴频法,二、辅助鉴频 P89,P89图4-10具有模拟鉴频环路的锁相环方框图,初始频

8、差大时，PD输出差拍波，经LF后加到VCO上的直流电压很小，环路频率牵引很慢。此时鉴频器将起显著作用，它输出误差电压将频差向减小的方向牵引。 当频差被减小到快捕带之内，PD输出信号起显著作用，并使环路快捕入锁。 环路锁定后，频差为零，鉴频器输出为零。,工作原理：,三、变带宽,原则：在捕获过程中增大环路的带宽，以扩大捕获带，锁定后，减小环路带宽，以保证环路的跟踪性能。,实现方法一：,失锁时，“S”接 环路带宽变大，实现宽带捕获。,锁定时，“S”接 环路带宽变小，保证环路跟踪和对噪声的过滤性能。,P91图4-13具有开关环路滤波器的锁相环方框图,方法二：具有非线性环路滤波器的锁相环方框图,无源比例积分滤波器,失锁时：差拍电压 使 和 交替导通，滤波器串臂等效电阻变小，带宽加大。,锁定时： 很小，由于E的偏置，使得 和 截止，串臂等效电阻近似为 ,带宽恢复原定值。,P90图4-12具有非线性环路滤波器的锁相环方框图,四、变增益,原则：捕获过程中，提高环路的增益K，以增大捕