第4章 環(huán)路捕獲性能.ppt

1、第4章 環(huán)路捕獲性能,第1節(jié) 捕獲的基本概念 第2節(jié) 捕獲過程與捕獲特性 第3節(jié) 捕獲帶與捕獲時間 第4節(jié) 輔助捕獲方法,第1節(jié) 捕獲的基本概念,1. 捕獲概念在前面各章的分析中, 都是在假定環(huán)路已經(jīng)鎖定的前提下來討論環(huán)路的跟蹤和過濾性能, 因為失鎖的環(huán)路是不可能表現(xiàn)出這些性能的。 2. 相位捕獲與頻率捕獲如前所述, 在一階環(huán)中, 沒有環(huán)路濾波器, 只有壓控振蕩器一個固有積分環(huán)節(jié), 所以一階環(huán)只有相位捕獲, 即在捕獲過程中, 相位差沒?有2的周期跳越。,3. 自捕獲與輔助捕獲如果環(huán)路依靠自己的控制能力達(dá)到捕獲鎖定, 稱這種捕獲過程為自捕獲。 若環(huán)路借助于輔助電路才能實現(xiàn)捕獲鎖定, 則稱這種捕獲

2、過程為輔助捕獲。 4. 捕獲性能的分析方法在捕獲過程中, 瞬時相差將在大范圍內(nèi)變化, 甚至有多個2的周期跳越。 (1) 相平面法。 這是一種圖解分析二階非線性微分方程的方法。 (2) 準(zhǔn)線性法。 它基于環(huán)路中含有低通濾波環(huán)節(jié)的事實, 鑒相器輸出的任何形式的差拍周期信號, 經(jīng)過低通濾波器以后, 都可近似為直流與正弦信號的和。,第2節(jié) 捕獲過程與捕獲特性,一、 捕獲過程 為了理解環(huán)路的捕獲性能, 必須先了解環(huán)路的捕獲過程。 為此我們借助于非理想二階環(huán)的相平面圖來作出其捕獲過程的時間圖。 所謂相平面圖是指環(huán)路相差e與其導(dǎo)數(shù) 的關(guān)系圖形。,在環(huán)路非線性微分方程的一般形式(1-30)式中, 將,代入,

3、可得,再將上式兩邊除以 , 得相軌跡方程,(4-1),(4-2),圖4-1實際上是具有無源比例積分濾波器的二階環(huán), 在給定環(huán)路參數(shù)的條件下, 環(huán)路方程的圖解表示。 圖中實際的縱坐標(biāo)為,圖4-1 非理想二階環(huán)相平面,令方程(4-1)式中dedt=0,d2edt2=0,可得穩(wěn)定平衡點:,式中n=0,1,2,。由(4-3)式看出,當(dāng)n=0時,(4-3),(4-4),(4-5),(4-6),圖4-2 固定頻率輸入下,具有無源比例積分 濾波器的二階環(huán)捕獲過程時間圖,圖4-2 固定頻率輸入下,具有無源比例積分 濾波器的二階環(huán)捕獲過程時間圖,根據(jù)et曲線,由關(guān)系式 ud(t)=Udsine(t) (4-7)

4、 可畫出鑒相器輸出電壓隨時間的變化曲線,如圖4-2(c)所示。 又從第一章的分析知道,在固定頻率輸入的情況下,存在關(guān)系,所以環(huán)路濾波器輸出的控制電壓為,(4-8),二、捕獲過程的特性 從圖4-2這組曲線,可以清晰地看到環(huán)路從起始到鎖定的捕獲全過程。下面我們將對捕獲全過程作進(jìn)一步說明。,圖4-3 二階環(huán)的牽引模型,第3節(jié) 捕獲帶與捕獲時間,一、二階環(huán)的快捕帶與快捕時間 在失鎖狀態(tài)下,鑒相器的輸出是一個差拍電壓。由于環(huán)路濾波器對差拍電壓按比例衰減,使控制電壓減小。這樣,對于使用有源或無源比例積分濾波器的二階環(huán)路來說,環(huán)路高頻增益為,因此,在失鎖狀態(tài)下,控制頻差起碼可以達(dá)到,(4-9),(4-10)

5、,(4-11),(4-12),二、二階環(huán)的捕獲帶與捕獲時間 如前所述,捕獲帶是保證環(huán)路必然進(jìn)入鎖定的最大固有頻差值。換句話說,也就是保證環(huán)路不出現(xiàn)穩(wěn)定的差拍狀態(tài)所允許的最大固有頻差值?；谶@種考慮,使用準(zhǔn)線性近似的方法可求得捕獲帶的一般表達(dá)式為,(4-13),下面我們用(4-13)式來計算幾種二階環(huán)路的捕獲帶。 1. 使用有源比例積分濾波器的二階環(huán)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為,2.使用無源比例積分濾波器的二階環(huán)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為,(4-14),(4-15),(4-16),3. 使用RC積分濾波器的二階環(huán)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為,可求得,由于1=2n,上式又可寫成,(4-17),(4-18),在捕獲

6、狀態(tài)下,我們把頻差從o下降到L所需的時間定義為捕獲時間TP。在KoL的條件下,利用準(zhǔn)線性近似法同樣可求得使用有源比例積分濾波器二階環(huán)的捕獲時間為,(4-19),(4-20),【計算舉例】 具有環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)F(s)=(1+s2)(1+s1)的二階環(huán)路,其參量為: n=100rads, K=2105rad2,fo=600Hz。 計算H,L,TLmax,P和TP值。,第4節(jié) 輔助捕獲方法,一、人工電調(diào) 當(dāng)環(huán)路起始頻差較大時,利用手動的辦法,給壓控振蕩器提供一個控制電壓,改變壓控振蕩器的固有振蕩器,以便減小起始頻差。當(dāng)起始頻差減小到進(jìn)入快捕帶時,可通過環(huán)路本身的牽引作用,使環(huán)路立即快捕鎖定。一種

7、具有人工電調(diào)的鎖相環(huán)路組成方案如圖4-5所示。,圖4-5 具有人工電調(diào)的鎖相環(huán)方框圖,二、自動掃描 這種方法的基本原理是,當(dāng)環(huán)路尚未鎖定時,在壓控振蕩器控制端加一個周期性?使它的頻率在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)擺動,等到環(huán)路進(jìn)入頻率鎖定時,掃描發(fā)生器停止工作,然后通過環(huán)路本身的控制作用,使環(huán)路快捕鎖定。它的一種簡單方案如圖4-6所示,其自動掃描部分由失鎖檢測電路和掃描發(fā)生器組成。,圖4-6 具有交流檢波器和掃描發(fā)生器的鎖相環(huán)方框圖,圖4-7 具有輔助鑒相器和掃描發(fā)生器的鎖相環(huán)方框圖,圖4-8示出了另一種由90移相器、模擬相乘器、低通濾波器與施密特觸發(fā)器組成失鎖檢測電路和由RC積分器產(chǎn)生掃描電壓的鎖相環(huán)方框

8、圖。,圖4-8 具有相干檢測電路和積分掃描電路的鎖相環(huán)方框圖,在使用有源比例積分濾波器的理想二階環(huán)中,自動掃描可用更為方便、簡單的電路來實現(xiàn)。圖4-9示出了其中一種LF積分掃描電路。失鎖檢測電路(未畫出)啟動一階躍電流IO對積分器進(jìn)行充電,在有源濾波器輸出端就得到線性掃描電壓uc(t)。壓控振蕩器的瞬時角頻率v(t)及其變化率 (t)與電路參數(shù)和IO的關(guān)系如下:,(4-21),(4-22),(4-23),圖4-9 環(huán)路濾波器的積分掃描電路,圖4-10示出了另一種環(huán)路濾波器正反饋掃描電路。這種掃描電路省略了失鎖檢測電路。當(dāng)環(huán)路失鎖時,環(huán)路濾波器輸出的差拍信號通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到運(yùn)放同相輸入端。由于

9、這是正反饋,環(huán)路濾波器就變成了一個低通掃描振蕩器。當(dāng)掃描使v= i,環(huán)路進(jìn)入鎖定時,整個環(huán)路負(fù)反饋作用將抵消運(yùn)放的正反饋,使運(yùn)放停止振蕩。,圖4-10 環(huán)路濾波器正反饋掃描電路,從前面第二章的分析知道,環(huán)路在跟蹤斜升信號(即線性掃描信號)時,確保環(huán)路同步所允許的最大掃描速率為 用圖解法計算=0.707的高增益二階環(huán)路的鎖定概率,得出鎖定概率與掃描速率的關(guān)系曲線如圖4-11所示,由圖看出,要保證可靠的掃描捕獲入鎖,必須要求捕獲掃描速率,(4-24),(4-25),圖4-11 無噪二階環(huán)路的掃描捕獲,影響掃描捕獲的另一個參數(shù)是環(huán)路的阻尼系數(shù)。如圖4-12所示,當(dāng)n和R不變時,鎖定概率隨的增加而增加

10、。這是不難理解的。因此,從增大鎖定的概率考慮,應(yīng)盡量加大。由于與環(huán)路噪聲帶寬有關(guān),又不宜選得過大。從保證較小的BL和較大的入鎖概率考慮,還應(yīng)滿足,(4-26),當(dāng)L=0dB時,捕獲是不可能的。綜合各種研究結(jié)果,可以得到在有噪聲條件下,071時,允許的最大捕獲掃描速率的經(jīng)驗公式為,(4-27),三、輔助鑒頻 利用附加的模擬鑒頻環(huán)路可以加寬整個環(huán)路的捕獲范圍。其組成如圖4-13所示。圖中鑒頻器與鑒相器并聯(lián)連接,其輸出相加后通過環(huán)路濾波器加到壓控振蕩器上。,圖4-13 具有模擬鑒頻環(huán)路的鎖相環(huán)方框圖,當(dāng)要用到大量的離散調(diào)諧電壓時,就需要把數(shù)字鑒頻器,數(shù)-模(DA)轉(zhuǎn)換器連同粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)一起使用,如圖4-

11、14所示。粗調(diào)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生幾檔差值很大的粗調(diào)電壓,而數(shù)字鑒頻器和DA轉(zhuǎn)換器的聯(lián)合作用形成差值較小的中間電壓增量。,圖4-14 具有數(shù)字鑒頻環(huán)的鎖相環(huán)方框圖,四、變帶寬 環(huán)路濾波器采用非線性濾波器,可實現(xiàn)變帶寬,如圖4-15所示。起非線性電阻作用的兩個二極管與環(huán)路濾波器串臂電阻R1并聯(lián),利用失鎖時的差拍電壓來控制兩個二極管的通斷。,圖4-15 具有非線性環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)方框圖,開關(guān)控制環(huán)路濾波器帶寬的變化是實現(xiàn)環(huán)路自適應(yīng)濾波器的一種較好方法,如圖4-16所示,當(dāng)環(huán)路鎖定時,失鎖檢測電路輸出的控制信號使模擬開關(guān)S接到高電阻R2上,環(huán)路帶寬變窄,保證了環(huán)路對噪聲的過濾性能。反之,當(dāng)環(huán)路失鎖時,S接到低電阻R1上,環(huán)路帶寬變寬,實現(xiàn)寬帶捕獲。若R1=0,則為一階環(huán),捕獲帶最寬。,圖4-