chapter5環(huán)路捕獲性能ppt課件

1、第五章第五章 PLL捕獲性能分析捕獲性能分析 環(huán)路原處于失鎖形狀，經(jīng)過環(huán)路的反響控制造用而進(jìn)入鎖定的過程稱為捕獲過程 在捕獲過程中環(huán)路的瞬時相差較大，不能運(yùn)用線性近似方法來簡化分析 采用相軌跡法對環(huán)路的捕獲性能進(jìn)展分析第一節(jié)第一節(jié) 捕獲的根本概念捕獲的根本概念 1. 捕獲的概念 環(huán)路形狀的變化過程：失鎖形狀鎖定形狀2. 相位捕獲與頻率捕獲 相位捕獲與頻率捕獲只是用于區(qū)別環(huán)路運(yùn)動形狀的兩種不同過程，表征環(huán)路捕獲過程中的不同階段，實(shí)踐上并不能進(jìn)展嚴(yán)厲劃分 當(dāng)環(huán)路中的相差做較大范圍變動時，環(huán)路處于頻率捕獲階段2 當(dāng)環(huán)路中的相差不再超越 而進(jìn)入鎖定時的捕獲過程被稱為相位捕獲 一階環(huán)只需相位捕獲；二階環(huán)

2、既有頻率捕獲也有相位捕獲 普通分析中主要思索頻率捕獲3. 自捕獲與輔助捕獲 環(huán)路依托本身的控制造用而捕獲的方式稱為自捕獲 借助于輔助電路實(shí)現(xiàn)捕獲的方式稱為輔助捕獲 自捕獲的缺陷：捕獲速度慢、捕獲范圍小、可靠性差 經(jīng)過改動環(huán)路參數(shù)的方法改善捕獲性能時會嚴(yán)重影響環(huán)路的跟蹤性能 實(shí)現(xiàn)時普通采用輔助捕獲方法改善環(huán)路的捕獲性能4. 捕獲性能的分析方法 不滿足線性近似條件，不能采用線性分析法，只能對非線性微分方程展開討論 常用的分析方法有：1) 相平面法相軌跡法或相圖法 圖解分析方法。根據(jù)非線性微分方程得到 關(guān)系圖可分析一、二階環(huán)路的動態(tài)過程，獲得穩(wěn)定性、時間呼應(yīng)等有關(guān)信息2) 準(zhǔn)線性法 將PD輸出的差拍

3、電壓信號近似為不斷流信號與正弦信號之和進(jìn)展討論。此方法適宜于任何階次的環(huán)路，且階次越高分析結(jié)果越準(zhǔn)確)()(ttee第二節(jié)第二節(jié) PLL的捕獲過程與捕獲特性的捕獲過程與捕獲特性1. 二階環(huán)捕獲過程的描畫 對采用無源比例積分濾波器的二階環(huán))(sin)()()(1tpKFtptpee對輸入固定頻率信號12111)()(pppFtpo；得到相軌跡方程)sin(1)cos1 (1121eoeeeeKKdd定義環(huán)路高頻總增益為1212KKKKodH那么環(huán)路的相軌跡方程)sin(1)cos1(1211eHoeeHeeHKKddK強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：(1)因方程中含有 與 ，因此相軌跡以 為周期。所以研討捕獲特性時，

4、只研討 間的相圖即可；(2)在 的橫軸某些點(diǎn)上，因方程中出現(xiàn) 項(xiàng)，所以這些點(diǎn)在相軌跡上的斜率是不確定的，將這些點(diǎn)稱為奇點(diǎn)，他們對應(yīng)著環(huán)路的穩(wěn)定和非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。在穩(wěn)定平衡點(diǎn)，一切的相軌跡走向都會聚或收斂于該點(diǎn)；對非穩(wěn)定平衡點(diǎn)，一切的相軌跡都背向該點(diǎn)發(fā)散出去ecosesin2e0e0/0非理想二階環(huán)一個周期內(nèi)的相圖如下由圖可知：穩(wěn)定平衡點(diǎn)：令 得 非穩(wěn)定平衡點(diǎn)：令 得 隨著固有頻差的添加，兩個奇點(diǎn)逐漸接近；當(dāng) 時，兩個奇點(diǎn)將重合而消逝，此時環(huán)路不能經(jīng)過捕獲而鎖定，因此 是維持環(huán)路鎖定的必要條件，故環(huán)路同步帶 非線性環(huán)路的穩(wěn)態(tài)剩余相差：nKoe2arcsin0/0/22dtddtdee；nKoe2a

5、rcsin0/0/22dtddtdee；KoKoKHKoearcsin)(2) 當(dāng)瞬時頻差很大時，相軌跡近似于正弦曲線2. 二階環(huán)的捕獲過程捕獲過程： 捕獲得起始階段，環(huán)路的頻差較大，在輸入固定頻率信號和VCO反響的調(diào)頻信號的作用下，鑒相器的輸出為差拍電壓，差拍電壓中的直流分量不為零，經(jīng)過環(huán)路濾波器的積分作用，使控制電壓中的直流分量不斷添加，從而不斷牽引VCO輸出平均頻率向輸入信號的頻率接近，使得平均頻差不斷減?。?當(dāng)平均頻差減小到進(jìn)入快捕帶后，頻率捕獲終了，開場相位捕獲過程。此過程中，瞬時相差的變化不超越 ，最終趨于穩(wěn)態(tài)值，使得誤差電壓和控制電壓都為直流信號，提供一個固定的頻偏，輸出頻率被最

6、終鎖定在輸入信號的頻率上，捕獲過程終了。 捕獲過程中各個信號的變化如P80圖4-2所示23. 二階環(huán)的捕獲過程的特性二階環(huán)中存在環(huán)路濾波器，在捕獲過程中，環(huán)路濾波器對差拍電壓中的交流分量進(jìn)展按比例衰減，同時對其中的直流分量進(jìn)展積分，故二階環(huán)的牽引模型如圖4-3所示當(dāng) 時，環(huán)路濾波器對直流分量的積分作用使得環(huán)路輸出的平均頻率向輸入信號頻率靠攏 在相位捕獲過程中，頻差不為零，依然在減小；由于一階環(huán)的捕獲過程中相差不會超越 ，所以一階環(huán)只需相位捕獲二階環(huán)的捕獲過程是一個牽引過程，而一階環(huán)的捕獲是一個漸近穩(wěn)定過程當(dāng) 時，一階環(huán)和二階一型環(huán)都不能鎖定，出現(xiàn)穩(wěn)定的差拍形狀，而實(shí)際上理想二階環(huán)可以經(jīng)過理想積

7、分作用而鎖定po2po第三節(jié)第三節(jié) 捕獲帶與捕獲時間捕獲帶與捕獲時間 捕獲帶：保證環(huán)路可以經(jīng)過捕獲作用而鎖定時所允許的最 大固有頻差快捕帶：保證環(huán)路僅有相位捕獲過程時所允許的最大固有 頻差捕獲時間 = 頻率捕獲時間 + 快捕時間 頻率捕獲時間 1. 二階環(huán)的快捕帶與快捕時間快捕帶： L = c = K 2 / 1 = 2 n 最大快捕時間： ( 采用正弦鑒相器時 ) TLmax 101 /( K 2 ) = 5/( n )高頻總增益： KH = K 2 / 1 描畫了環(huán)路在極限情況下可以提供的最小控制頻差值2. 二階環(huán)的捕獲帶與捕獲時間)0()2(Re2jFjFKpp對采用正弦鑒相器的環(huán)路，運(yùn)

8、用準(zhǔn)線性方法求得捕獲帶的普通方式1二階環(huán)的捕獲帶二階環(huán)的捕獲帶 采用有源比例積分濾波器的二階環(huán)采用有源比例積分濾波器的二階環(huán) p = 采用無源比例積分濾波器的二階環(huán)采用無源比例積分濾波器的二階環(huán) p K ( 2 2 / 1 ) = 2( Kn n2/2 ) 2 ( Kn) 采用采用RC積分濾波器的二階環(huán)積分濾波器的二階環(huán) p 1.68 ( K/ 1 ) 2.37 ( Kn ) 2二階環(huán)的捕獲時間二階環(huán)的捕獲時間 捕獲時間可近似為頻差從捕獲時間可近似為頻差從o下降到下降到L所需時間所需時間 在滿足條件在滿足條件K o L 時，利用準(zhǔn)線性近似時，利用準(zhǔn)線性近似法可求得法可求得 理想二階環(huán)理想二階環(huán)

9、 Tp o2 / ( 2n3 ) 采用無源比例積分濾波器的二階環(huán)采用無源比例積分濾波器的二階環(huán) Tp o2 / ( K2 2 / 12 )3 H p的分析的分析通常，在環(huán)路中有： H p L 和 Tp TLmax H在獲取時，環(huán)路總是鎖定的，此時的PD輸出為直流電壓，LF對直流的衰減最小，當(dāng)o增大導(dǎo)致e()添加時，正弦鑒相器輸出的最大誤差直流電壓為Ud，加到VCO上的最大控制電壓為Ud F(j0) ，同步帶為 H = Ud KoF(j0) = K p在獲取時，環(huán)路總是處于捕獲形狀即失鎖形狀，此時的PD輸出為一差拍電壓，其中既含有直流分量又含有交流分量，由于LF對交流分量的衰減較大，因此當(dāng)o =

10、 H時，實(shí)踐加到VCO上的控制電壓小于Ud F(j0) ，故VCO的瞬時頻偏小于o ，環(huán)路不能鎖定，必需進(jìn)一步減小o ，所以有 H p第四節(jié)第四節(jié) 輔助捕獲方法輔助捕獲方法p = 2( Kn) T p o2 / ( 2n3) 加大n和可以擴(kuò)展環(huán)路的捕獲帶和縮短捕獲時間 減小起始頻差o可以縮短捕獲時間 加大n和會添加環(huán)路的等效帶寬BL，使環(huán)路的濾噪性能和窄帶跟蹤性能下降 BL = n1 + 4 2 / 8 減小環(huán)路的起始頻差，使之盡快落入快捕帶內(nèi) 運(yùn)用兩種不同的帶寬和/或增益：捕獲時具有較大的帶寬和/或增益，鎖定后具有較小的帶寬和/或增益通常的設(shè)計(jì)原那么： 優(yōu)先思索環(huán)路的跟蹤性能和濾噪性能，對捕

11、獲性能的改善那么采用輔助捕獲的方法來實(shí)現(xiàn)這兩類方法都是頻率輔助捕獲方法輔助捕獲的根本思想：1. 人工電調(diào)法根本原理： 采用手動的方法，在起始頻差較大時給VCO提供一個相應(yīng)的直流調(diào)諧電壓，改動其振蕩頻率，以減小起始頻差輸入信號輸出信號調(diào)諧控制電壓鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器機(jī)械或電子開關(guān)電阻分壓器2. 自動掃描法根本原理：在環(huán)路尚未鎖定時給VCO加一個周期性的掃描電壓，使VCO的輸出頻率在足夠?qū)挼念l率范圍內(nèi)擺動，當(dāng)頻率鎖定后，掃描發(fā)生器停頓工作，環(huán)路經(jīng)過本身控制造用而快捕鎖定實(shí)踐作用：在參與掃描電壓后，在捕獲階段，環(huán)路中VCO的平均輸出頻率添加而平均頻差減小，即掃描電壓的參與提供了附加的控制電壓，

12、加快了環(huán)路的頻率牽引作用設(shè)掃描低壓為us (t) ，捕獲過程中的瞬時頻差為v，VCO的輸出頻率為v，那么： v = o +Kouc + Ko us = o + Ko ( uc + us ) = v + Ko us v = i v = o Ko ( uc + us )假設(shè)輸入的掃描電壓在一個周期內(nèi)的均值不為零，那么有sovcsoovuKuuK)(sovcsoovuKuuK)( 可見，掃描電壓的參與可使得在捕獲階段環(huán)路中VCO輸出的平均頻率添加而平均頻差減小，加速環(huán)路的頻率牽引作用3. 輔助鑒頻法根本原理：利用附加的鑒頻器，在鑒相器輸出誤差電壓較小時提供額外的誤差電壓信號以加大控制電壓優(yōu)點(diǎn)：利用鑒頻器的寬帶特性可以擴(kuò)展頻率捕獲范圍，提高捕獲速度缺陷：鑒頻器的任務(wù)門限較高，不適用于信噪比較低的環(huán)境輸入信號輸出信號調(diào)諧控制鑒相器輔助鑒頻器V C OV C O粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)壓 控振蕩器環(huán) 路濾波器 當(dāng)頻差較小時，鑒相器的輸出起主要作用 當(dāng)頻差較大時，鑒頻器的輸出起主要作用4. 變帶寬法根本原理：在捕獲過