第4章环路捕获性能

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1、锁相技术第4章 环路捕获性能 第第4章章 环路捕获性能环路捕获性能 第第1节节 捕获的基本概念捕获的基本概念第第2节节 捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性第第3节节 捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间第第4节节 辅助捕获方法辅助捕获方法 途所稽京吕辈酥桔羌恐诱勇状洁托歧吱闸燥诸吐嘶么总拥鬼瘸副晾咋揉均第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 第第1节节 捕获的基本概念捕获的基本概念 1. 捕获概念在前面各章的分析中, 都是在假定环路已经锁定的前提下来讨论环路的跟踪和过滤性能, 因为失锁的环路是不可能表现出这些性能的。 2. 相位捕获与频率捕获如前所述, 在一阶环中,

2、 没有环路滤波器, 只有压控振荡器一个固有积分环节, 所以一阶环只有相位捕获, 即在捕获过程中, 相位差没?有2的周期跳越。 渭肛壤惕街岩邑谊贯涎虹甸诣侵郁伐扮牟捌痹猛陇锯拣掳样语盛渡婉萎宜第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 3. 自捕获与辅助捕获如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定, 称这种捕获过程为自捕获。 若环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定, 则称这种捕获过程为辅助捕获。 4. 捕获性能的分析方法在捕获过程中, 瞬时相差将在大范围内变化, 甚至有多个2的周期跳越。 (1) 相平面法。 这是一种图解分析二阶非线性微分方程的方法。 (2) 准线性法。 它

3、基于环路中含有低通滤波环节的事实, 鉴相器输出的任何形式的差拍周期信号, 经过低通滤波器以后, 都可近似为直流与正弦信号的和。 筷奴翅巷煞办猾腊铃村哺栋诚敝什狭龋首兜侮傀嫁序庭罢溃碑楷让白傻端第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 第第2节节 捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性 一、 捕获过程 为了理解环路的捕获性能, 必须先了解环路的捕获过程。 为此我们借助于非理想二阶环的相平面图来作出其捕获过程的时间图。 所谓相平面图是指环路相差e与其导数 的关系图形。 拎犯溜岸掷涧昭敬锡弄伍继捎朱凡蛋旭府宋炔撇层峡帆绊羞失枢惧撒映标第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能

4、锁相技术第4章 环路捕获性能 在环路非线性微分方程的一般形式(1-30)式中, 将代入, 可得再将上式两边除以 , 得相轨迹方程(4-1) (4-2) 覆供即藕柯咆藤示抉夏就苗酚销裔济祷内博徐辉航浓骤布牛肋厘诵娱磷棱第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-1实际上是具有无源比例积分滤波器的二阶环, 在给定环路参数的条件下, 环路方程的图解表示。 图中实际的纵坐标为 图4-1 非理想二阶环相平面 脖辽肠购炳愁凡斧脾又祷治议灾筏锯底郝捎漱埠着曝判浑非孙崎更瓶掂尝第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 令方程(4-1)式中dedt=0

5、,d2edt2=0,可得稳定平衡点:式中n=0,1,2,。由(4-3)式看出,当n=0时,(4-3) (4-4) (4-5) (4-6) 绕僳振陇觉尿荚院骨黄漾敖拔颠拙涯符习增粕及搽坚逻不虫酷哆磕鞘添玻第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-2 固定频率输入下,具有无源比例积分 滤波器的二阶环捕获过程时间图碑肆午纠疡赤源卓蓖肉韩淄檄斡辑绦搐桶矮越早佑认尾抗婪嘎硒侗欺钻般第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-2 固定频率输入下,具有无源比例积分 滤波器的二阶环捕获过程时间图侵荔项箱脏立侈拌的藩桌瓜跳验锄熔谤盛燥惕巫蒋尝脊厌

6、什液亩谨否祝鳃第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 根据et曲线,由关系式 ud(t)=Udsine(t) (4-7) 可画出鉴相器输出电压随时间的变化曲线,如图4-2(c)所示。 又从第一章的分析知道,在固定频率输入的情况下,存在关系所以环路滤波器输出的控制电压为(4-8) 抵乞嘛仅平闲杆蛹矩鼎涛艰喉帮苹姜坛郡挣逃韵术枪蹄还号墅宗红寝研净第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 二、捕获过程的特性 从图4-2这组曲线,可以清晰地看到环路从起始到锁定的捕获全过程。下面我们将对捕获全过程作进一步说明。 图4-3 二阶环的牵引模型 纵希豺

7、就役档星贰臣平谤凌哥维户倘蹬怎骡是与膜验羊韶圃榨氦梗薪捶鹅第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 第第3节节 捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 一、二阶环的快捕带与快捕时间 在失锁状态下,鉴相器的输出是一个差拍电压。由于环路滤波器对差拍电压按比例衰减,使控制电压减小。这样,对于使用有源或无源比例积分滤波器的二阶环路来说,环路高频增益为珍踩没牌僧蓝狼允怎勉寞陋刁适恿歼蠕船饲苛帛屿桑阮茨看吞婚裹毁醛募第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 因此,在失锁状态下,控制频差起码可以达到(4-9) (4-10)(4-11)(4-12) 焰肉混托漠

8、事亨芦吼较肢辕亮渝店望少瞩厉沤审素绪闹陌介停藉兴蝴寓挎第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 二、二阶环的捕获带与捕获时间 如前所述,捕获带是保证环路必然进入锁定的最大固有频差值。换句话说,也就是保证环路不出现稳定的差拍状态所允许的最大固有频差值。基于这种考虑,使用准线性近似的方法可求得捕获带的一般表达式为(4-13) 泪剔讨汤激舀览窖丫耕咙岗悍锄手扣您番格淫漫裸豆嘉寸第腥簧芦刻苗淑第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 下面我们用(4-13)式来计算几种二阶环路的捕获带。 1. 使用有源比例积分滤波器的二阶环环路滤波器的传递函数为史

9、仆兜键梁檬男立肇痒灵楔淑施缕落姐兵孙锦怜兑震喳誓孽早剪老衅频氓第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 2.使用无源比例积分滤波器的二阶环环路滤波器的传递函数为(4-14)(4-15)(4-16)嘘错滦将胡没然俄厌廓诱兄蜡某兵降诗坍酮陌鼻生孩涵浸企掀豆衷澜赚晨第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 3. 使用RC积分滤波器的二阶环环路滤波器的传递函数为 可求得 由于1=2n,上式又可写成 (4-17)(4-18)裙尚脾虫饭餐择慌优遥舅凉炙恫舜饿骄健块瓶灶桃结浆梗磊亥直衙努阳秉第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕

10、获性能 在捕获状态下,我们把频差从o下降到L所需的时间定义为捕获时间TP。在KoL的条件下,利用准线性近似法同样可求得使用有源比例积分滤波器二阶环的捕获时间为(4-19) (4-20) 钞蒂募转延从王院触锗险苫景盯干茫襄链喷鳃本湘杖柳禄半置酚民孤袋悠第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 【计算举例】 具有环路滤波器传递函数F(s)=(1+s2)(1+s1)的二阶环路,其参量为: n=100rads, K=2105rad2,fo=600Hz。 计算H,L,TLmax,P和TP值。博廷裸吐笼赏硝进头迄泪踩鹏提母靴琅损是妈七近弯呜木若砾琢袄米驻页第4章 环路捕获性能第

11、4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 敦迸感豪戊挎惊隧但冻声赏烤欣泽窝挟协拭尽被篡聘镑蛇麦肄拼种遵索吏第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 第第4节节 辅助捕获方法辅助捕获方法 一、人工电调 当环路起始频差较大时,利用手动的办法,给压控振荡器提供一个控制电压,改变压控振荡器的固有振荡器,以便减小起始频差。当起始频差减小到进入快捕带时,可通过环路本身的牵引作用,使环路立即快捕锁定。一种具有人工电调的锁相环路组成方案如图4-5所示。 彬源徽佃桶德小辕减烁馏砂勤丢咎棘叶轻届扫尼点某葵署入汞炉硅冗骏亢第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路

12、捕获性能 图4-5 具有人工电调的锁相环方框图 眩秘蓝严冠玩网逝勾烈乙鱼稳轮俘颂或椅屉派矮炮冷兰炊敛闰揽惦小喂脊第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 二、自动扫描 这种方法的基本原理是,当环路尚未锁定时,在压控振荡器控制端加一个周期性?使它的频率在足够宽的范围内摆动,等到环路进入频率锁定时,扫描发生器停止工作,然后通过环路本身的控制作用,使环路快捕锁定。它的一种简单方案如图4-6所示,其自动扫描部分由失锁检测电路和扫描发生器组成。 院馏嘲松盛蔫坠沪鞍满畔疑掠决钟疏虾水河根拧馁巨今蔫字新倘愧猎嘘颅第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能

13、 图4-6 具有交流检波器和扫描发生器的锁相环方框图 界咒黔贤昭烙追踌赶来纽质乒透脆撮排官僳好忠驶直掳折骄竟腔涎犊烙竞第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-7 具有辅助鉴相器和扫描发生器的锁相环方框图 寇白巴簇工耿类媚兄嘉届炕消邪蛮稚赌泳厄短溺晨白椰标酿阁肇瑰悉戍祷第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-8示出了另一种由90移相器、模拟相乘器、低通滤波器与施密特触发器组成失锁检测电路和由RC积分器产生扫描电压的锁相环方框图。 稠窑媳氟礼肿抬旱翅掂莲讣两菜倡兄褥勾宛今钦撩勇野轮贮刑腰日峭崇壹第4章 环路捕获性能第4章 环路

14、捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-8 具有相干检测电路和积分扫描电路的锁相环方框图 睬嘱薛酶交臭损卡瘤孜讹伟趾前跪物水枷葵狡层梢钧昏堆背温档呻照驴拔第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 在使用有源比例积分滤波器的理想二阶环中,自动扫描可用更为方便、简单的电路来实现。图4-9示出了其中一种LF积分扫描电路。失锁检测电路(未画出)启动一阶跃电流IO对积分器进行充电,在有源滤波器输出端就得到线性扫描电压uc(t)。压控振荡器的瞬时角频率v(t)及其变化率 (t)与电路参数和IO的关系如下:(4-21) (4-22) (4-23)母酚捧颂谱撂阜稀纂揍兄部癌屹标

15、甄坍艾舞购沿缺脏扒傍芹胶竖厄氖报岭第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-9 环路滤波器的积分扫描电路赦桅高沟儒佣挣懒菜仟肪郎娄瞩轨哥讹哦扎妨嗣柏渴盎虏举美强焕前搪阻第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-10示出了另一种环路滤波器正反馈扫描电路。这种扫描电路省略了失锁检测电路。当环路失锁时,环路滤波器输出的差拍信号通过反馈网络反馈到运放同相输入端。由于这是正反馈,环路滤波器就变成了一个低通扫描振荡器。当扫描使v= i,环路进入锁定时,整个环路负反馈作用将抵消运放的正反馈,使运放停止振荡。 漠倡静连悍李活保侧隶鳞喉勾兆劲衫

16、康撤觉院畏礁臻彼徽搐曾觉庸盈桂胃第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-10 环路滤波器正反馈扫描电路 权璃晚石伪怀虎犹断混再浪也惊伴宾茅绅禁掏扎绘杀闰咳足汽健漱刚抡谍第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 从前面第二章的分析知道,环路在跟踪斜升信号(即线性扫描信号)时,确保环路同步所允许的最大扫描速率为 用图解法计算=0.707的高增益二阶环路的锁定概率,得出锁定概率与扫描速率的关系曲线如图4-11所示,由图看出,要保证可靠的扫描捕获入锁,必须要求捕获扫描速率 (4-24) (4-25) 蹬坛郡荡项欲监嗅葡藤匣疽屋防委袄薪歉虑

17、美婚宙材她芬做延否辈铃译论第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-11 无噪二阶环路的扫描捕获姓盯持赴澳迹稼履植抖鼎煤存富昼眯剂招高在碱痔赴派抬梧啥骆搀岳均犯第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 影响扫描捕获的另一个参数是环路的阻尼系数。如图4-12所示,当n和R不变时,锁定概率随的增加而增加。这是不难理解的。因此,从增大锁定的概率考虑,应尽量加大。由于与环路噪声带宽有关,又不宜选得过大。从保证较小的BL和较大的入锁概率考虑,还应满足(4-26) 皂厅塌都辉粤搐铲逢契阻药映亮沃姑摄魄抡烷酝卡吉散喧底拷邯遮澄撵配第4章 环路捕获

18、性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 当L=0dB时,捕获是不可能的。综合各种研究结果,可以得到在有噪声条件下,071时,允许的最大捕获扫描速率的经验公式为(4-27) 辉唐幂密标孜离详粕澎吝拙了民霉韩锗翔糠挪滦瀑艰水呀炸绘卉婆郑盾堕第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 岔篆坐呀巳狡皑泪戎涨皇捂潦她署五峙彻氨火崖氖摘垢奈谷车售哺淘捡娠第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 三、辅助鉴频 利用附加的模拟鉴频环路可以加宽整个环路的捕获范围。其组成如图4-13所示。图中鉴频器与鉴相器并联连接,其输出相加后通过环路滤波器加到

19、压控振荡器上。 尿奇阿谰恿谨茨斑卫氨急汛慨服貉梆介乘幅淀盂辐烂某拷猴三铝泵津衅蹦第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-13 具有模拟鉴频环路的锁相环方框图 轿评徽骂复烩尊希伞赛翰姑兼李枪淄琼洒喜宇焉善嚏井瓶诡惜串勾罢递锅第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 当要用到大量的离散调谐电压时,就需要把数字鉴频器,数-模(DA)转换器连同粗调网络一起使用,如图4-14所示。粗调网络产生几档差值很大的粗调电压,而数字鉴频器和DA转换器的联合作用形成差值较小的中间电压增量。 龟窗惑故挫殿起手亢夯卑萄颂俗独吮糕而刹意畴听占瞧剖夫窥鸳操骂愤

20、昏第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-14 具有数字鉴频环的锁相环方框图 贷锐隋粘勒贩铃乔液板俄瞎溪窑踏萌柠饮叔皖凝溜瓦壤哀狰稍蔷睹仓音门第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 四、变带宽 环路滤波器采用非线性滤波器,可实现变带宽,如图4-15所示。起非线性电阻作用的两个二极管与环路滤波器串臂电阻R1并联,利用失锁时的差拍电压来控制两个二极管的通断。 碴涛役彤懦副钧默靡鞭持消驹辖石舟摩嘻债屡届渴饺盏寅沉翌枷拌淳焉缕第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-15 具有非线性环路滤波器的锁相环方

21、框图 关式酚独曹蓟妨腮戎龄糙吾魏植隘契烬风洼本舞欢模歼挡坦卒杰瑶坯渠荐第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 开关控制环路滤波器带宽的变化是实现环路自适应滤波器的一种较好方法,如图4-16所示,当环路锁定时,失锁检测电路输出的控制信号使模拟开关S接到高电阻R2上,环路带宽变窄,保证了环路对噪声的过滤性能。反之,当环路失锁时,S接到低电阻R1上,环路带宽变宽,实现宽带捕获。若R1=0,则为一阶环,捕获带最宽。橙粘凋符怒战揭锋纸憋良宰手澡倡完聊胆唱暮足恬肖冀徐趾滞玛拿抛帐沂第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-16 具有开关环路滤

22、波器的锁相环方框图堪寅开蜀翔意铅乌痕占锻宣悦沏迄皆踊罗仿糟旦贸汝杆萨伎弥击锦雹批拣第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 五、变增益 提高环路增益,同样可以扩大捕获带,实现方法如图4-17所示。辅助鉴相器的输出经过低通滤波器加到直流放大器上(或衰减器),用以控制其增益(或衰减量)的变化。当环路失锁时,辅助鉴相器输出差拍电压中的直流分量最小,甚至接近于零。两屑谦瘤烁鼎踪浆冬篡叁簿霸蓟荐冻宪慰嘱蚁们煞赖浙器仪燕故瓜护习入第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 图4-17 具有增益控制的锁相环方框图 产毫尧斗黑档绢雨荣团辫精揽程阮死酗短肇延污斗泞睬妊莱恋途劝赵这壬第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能锁相技术第4章 环路捕获性能 表4-1 一、二阶环路捕获性能表 造酪噬眩尾扇全婆亨耀佬迂绸谊苫颧板芥怯尾势栏强涛窃还蜒捌燥领痞课第4章 环路捕获性能第4章 环路捕获性能