8.3 8.3 捕捉性能捕捉性能捕捉：捕捉：失锁失锁 自身的反馈控制自身的反馈控制作用作用 锁定锁定分析依据：环路分析依据：环路非线性非线性微分方程微分方程本节内容：本节内容：定性定性的分析二阶环的的分析二阶环的捕捉过程捕捉过程、捕捉带捕捉带、 捕捉时间捕捉时间及影响捕捉性能的及影响捕捉性能的环路参数环路参数 定性分析二阶环捕捉过程要定性分析二阶环捕捉过程要抓住两点抓住两点： 正弦鉴相器的输出是一个正弦鉴相器的输出是一个差拍正弦差拍正弦信号，信号， 它的频率是输入信号与它的频率是输入信号与 VCO 的频率差的频率差 环路滤波器环路滤波器LF 是是低通滤波器低通滤波器 定性分析：定性分析：当当输入固有频差输入固有频差 为为不同值不同值时的捕捉情况时的捕捉情况 （1） 很大很大 分析捕捉过程时，假设输入信号频率分析捕捉过程时，假设输入信号频率 不变不变正弦鉴相器输出：正弦鉴相器输出：很大，很大， 频率很高频率很高环路滤波器是环路滤波器是RC低通低通滤除滤除 ，（2） 较小较小 正弦鉴相器输出：正弦鉴相器输出：0 ，不能捕捉不能捕捉小，小， 频率低，频率低，在在环路滤波器环路滤波器通带内通带内较小较小时的捕捉时的捕捉特征：特征：VCO的的频率变化频率变化：正弦波正弦波幅度幅度 大大在在 以正弦方式以正弦方式摆动的一周内摆动的一周内，一旦等于，一旦等于 ，环路即锁定环路即锁定 摆幅大摆幅大锁定锁定捕捉过程：捕捉过程：LFVCO 控制电压在正弦变化控制电压在正弦变化一周内就捕获一周内就捕获的现象称为的现象称为快捕快捕 定义：定义： 能实现快捕的能实现快捕的最大输入固有频差最大输入固有频差称为称为快捕带快捕带 快捕带快捕带与与环路的参数环路的参数关系如何关系如何？ 的的最大摆动幅度最大摆动幅度为为 由由快捕带的定义快捕带的定义, ,得得： 若若采用采用RC低通低通滤波器滤波器，它的传递函数为：，它的传递函数为：则则若满足若满足 , ,则有：则有：采用不同环路滤波器，采用不同环路滤波器，快捕带不同快捕带不同捕捉过程捕捉过程:LF并没有完全被衰减并没有完全被衰减结果如何结果如何?在在 上下摆动上下摆动，而，而 又是又是恒定恒定的的 正弦变化，正弦变化，不能快捕不能快捕:因为因为 , 频率较高频率较高 LF VCO 的的摆幅摆幅必定必定:较小较小（3 3） 间于上述两者之间间于上述两者之间0tVCO的频率变化的频率变化正弦正弦出现出现现象现象:VCO与输入信号的与输入信号的频差也将随时间摆动频差也将随时间摆动t=0时，时，频差频差为为t=t1 时，时，频差频差为为t=t2结果：结果： 、 是是不对称的正弦波不对称的正弦波大大 变化速率快变化速率快反之反之对应对应 为为 2 ， ，对应，对应 为为0 ， 小，小， 间间变化速率慢变化速率慢由于由于而且：而且：当当 0 使使 时时， 减小减小，当当 0 使使 时时， 增大增大，在在 0 和和 2 间间 变化变化速率不同速率不同鉴相器的输出鉴相器的输出 变为变为正半周长正半周长，负半周短负半周短的的不对称不对称正弦波正弦波不不对对称称波波谐波谐波被被LF滤除滤除基波基波被被LF衰减衰减正平均分量正平均分量通过通过LF使使VCO频率向频率向 牵引牵引新频差新频差初始频差初始频差由于由于频差减小频差减小，LF( (低通）对低通）对 的的通过能力增大，即通过能力增大，即产生一个产生一个更大的控制电压更大的控制电压 VCO频偏更大频偏更大 更更向向 方向牵引方向牵引环路滤波器输出的环路滤波器输出的控制电压控制电压逐渐逐渐变大变大 直到直到 能够摆动到能够摆动到 时，时，环路就可通过环路就可通过快捕快捕过程过程到达锁定到达锁定 鉴相器输出的鉴相器输出的差拍信号差拍信号的的频率频率逐渐逐渐降低降低 捕捉过程使捕捉过程使:归纳归纳:（1）二阶环捕捉过程二阶环捕捉过程频率牵引频率牵引时间长时间长快快捕捕相位锁定相位锁定时间短时间短捕捉时间捕捉时间主要是指主要是指频率牵引的时间频率牵引的时间（2）二阶环的二阶环的频率牵引频率牵引作用主要由作用主要由环路滤波器引起环路滤波器引起环路滤波器的环路滤波器的作用作用衰减衰减 中的中的交流分量交流分量积累积累 中的中的直流分量直流分量，不断牵引，不断牵引VCO直至锁定直至锁定推论推论一阶环只有快捕一阶环只有快捕，没有频率牵引，没有频率牵引（3）环路滤波器及环路增益对环路滤波器及环路增益对捕捉性能捕捉性能影响很大影响很大推论：推论：捕捉带捕捉带总是总是小于小于同步带同步带整个整个同步过程同步过程的特征：的特征：环路环路始终处于锁定始终处于锁定状态状态捕捉过程捕捉过程的特征：的特征：环路环路一直处于失锁一直处于失锁状态状态鉴相器输出是鉴相器输出是直流直流：LF增益最大增益最大鉴相器输出鉴相器输出交流交流：LF增益增益控制电压是控制电压是直流直流控制电压是控制电压是交流交流测量测量同步带同步带时，缓慢增大时，缓慢增大 ，结果？结果？测量测量捕捉带捕捉带时，不断减小时，不断减小 结果？结果？控制控制VCO使使 ，锁定边缘锁定边缘控制控制VCO，但不够大，但不够大，无法使无法使 ，没有捕获没有捕获捕获捕获同步跟踪同步跟踪捕捉捕捉继续减小继续减小因此，因此，捕捉带捕捉带 一定小于一定小于同步带同步带捕捉带捕捉带当当 减小到减小到 点点小小 点，点，最大最大同步同步：当当 增大到增大到捕捉捕捉：捕捉时间捕捉时间与与环路参数环路参数的关系的关系与环路的带宽与环路的带宽 的的立方立方成正比成正比 与输入固有频差与输入固有频差 的的平方平方成正比成正比缩短缩短捕捉时间的思路：捕捉时间的思路：（1）扩展环路带宽扩展环路带宽( )改变增益改变增益改变时间常数改变时间常数（2）减小输入频差减小输入频差方法？方法？缩短捕捉时间缩短捕捉时间实例实例 1：频率合成器频率合成器原理图原理图当当N变化变化时，环路失锁时，环路失锁需重新捕获需重新捕获锁定锁定改进方法：改进方法： 将反映分频比将反映分频比N的的频率控制值频率控制值D/A变换变换，得模拟电压，得模拟电压粗调粗调VCO，使使VCO频率向频率向减小频差减小频差方向移动方向移动锁相环的锁相环的细调细调和和外电路外电路粗调粗调相结合相结合锁定时进入鉴相器锁定时进入鉴相器两信号两信号频率相等：频率相等：频率合成器例频率合成器例 2：增添一鉴频器增添一鉴频器鉴频器功能鉴频器功能将两个输入信号将两个输入信号的的频率差频率差变为变为电压电压环路锁定时环路锁定时 两信号频率相等，两信号频率相等，鉴频器鉴频器输出电压为输出电压为 0进一步改进：进一步改进：采用新器件采用新器件鉴频鉴相器鉴频鉴相器代替代替鉴相器鉴相器N变化变化失锁失锁 鉴频器输出电压对鉴频器输出电压对VCO 粗调粗调 VCO频率向减小频差方向移动频率向减小频差方向移动 重新捕获重新捕获锁定锁定。