桂工锁相技术第四章环路捕获性能

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1、锁相技术锁相技术信息科学与工程学院通信教研室 杨丽燕第四章第四章 环路环路捕获捕获性能性能p 捕获的基本概念捕获的基本概念p 捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性p 捕获捕获带与捕获时间带与捕获时间p 辅助捕获方法辅助捕获方法捕获的基本概念捕获的基本概念p 捕获捕获 第2、3章的分析，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，因为失锁环路是不可能表现出这些性能的。但是在实际工作中，例如开机、换频或由开环到闭环，一开始环路总是失锁的，因此环路需经由失锁到锁定的过程，称为捕获。捕获的基本概念捕获的基本概念)()(tutucLFdivPDet)(锁定 一阶环路只存在相位捕获，二阶环路

2、频率捕获和相位捕获都存在。捕获的基本概念捕获的基本概念p 自捕获与辅助捕获自捕获与辅助捕获 如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定，则称这种捕获过程为自捕获； 如果环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定，则成为辅助捕获。 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。捕获的基本概念捕获的基本概念捕获的基本概念捕获的基本概念工程上常用近似方法来研究锁相环路的非线性捕获过程：2. 准线性法准线性法 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，经过低通滤波器后，都可以近似为直流与正弦信号

3、的和。适用于任何阶次的环路，对于高阶环的分析更精确。1)(pF)(sin)()(1tKtptpee 一阶锁相环路的捕获如果输入固定频率的信号：iott)(1)(sin)(tKteoe相轨迹方程 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“相平面图相平面图”。)(),(ttee)(te)(te捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性p捕获过程捕获过程锁相技术第4章 环路捕获性能 )(te)(te022oK讨论：1. 曲线上任意一点为相点相点 ，它反映了环路工作状态的变化过程。Ko3. 每个2周期内和横轴有两个交点，交点处：0)(teKnoeAarcsin2KnoeBarcsin2

4、稳定平衡点不稳定平衡点时的动态方程图解AB)(),(ttee锁相技术第4章 环路捕获性能 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。KnoeAarcsin25.当 时， 环路动态方程无解，不能进入锁定状态。 Ko0)(te当 时，环路为临界锁定状态。Ko6. 、 、 的关系HpLKLpHKoKo一阶锁相环的可调参数只有K)(te)(te022时的动态方程图解KoKo捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性锁相技术第4章 环路捕获性能 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2111( )1opF ppddt )(sin11)()(121tppKtptpee)

5、()(sin) 1()()()(211212tptpKtptptpeee当输入固定频率信号时：=0o)(1)()(cos)(sin)(112112tptptKtKtpeeeeoedttdtKtKdttdeeeoe)(1)(cos)(sin)(1121122iott)(1锁相技术第4章 环路捕获性能 再将上式两边除以 , 得相轨迹方程相轨迹方程/eeddt211( )111cos( )sin( )( )( )eeoeeedtKtKtdtt 12KKH环路高频总增益112sin111(cos)()eoeeHeHeHdKdKK 对于上述方程的解析求解很难，利用计算机辅助的方法获得相平面图条件是：)(

6、),(tteedtdKteHe1)(21021HHKK2HoK锁相技术第4章 环路捕获性能 讨论：1. 相平面图是由相轨迹簇构成的，不同的起始频差就有不同的相轨迹。2. 相轨迹是有方向的曲线上半平面：下半平面：相点右移)(0)(tttee相点左移)(0)(tttee3. 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。（靠近锁定点）2锁相技术第4章 环路捕获性能 5. 平衡点的条件：0)(; 0)(22dttddttdeearcsin2arcsin2arcsinoeoeoenKnKK稳定平衡点：不稳定平衡点：当n=0时的稳态相差为：arcsin2arcsin2arcsin

7、oeoeoenKnKKKo环路锁定Ko环路失锁锁相技术第4章 环路捕获性能 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。)(te)(te)(te)(te锁相技术第4章 环路捕获性能 捕获过程的定性分析输入信号：固定频率信号2. 频率捕获结束后，环路进入相位捕获。ivccddeeutuutut)()()sin()()()(锁定状态相位捕获结束不超越 2 靠近vi1. 环路开始工作，)()(0)(tupFtucd)()(1)(1tttKvieeH频率捕获结束捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性

8、理想二阶环的捕获过程：理想二阶环的捕获过程： 二阶环路在结构上与一阶环路的根本区别是环路中多了一个环路滤波器。它具有低通特性，对直流起积分的作用，而对交流信号具有衰减作用，可以用下面的模型代替环路滤波器AC通路DC通路捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性捕获过程与捕获特性的波动），误差电压也将趋于固定值，并带有一定的波动。同时这些波动成分再次通过环路滤波器进行比例衰减，最终再次返回到鉴相器，将使得波动越来越小。捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间 在固定频率输入下，视固有频差的大小，一阶环路和二阶环路都有产生稳定的差拍状态和进入锁定的两种可能性

9、。 保证环路必然进入锁定的最大固有频差值，称为捕获带。 一般，捕获的全过程包含频率捕获与相位捕获两个过程，把保证环路只有相位捕获一个过程的最大固有频差值，称为快捕带。 一阶环路由于只有相位捕获，所以为快捕获，同时其捕获带等于快捕带。 频率捕获过程所需要的时间称为频率捕获时间（频率牵引时间）；相位捕获过程所需要的时间称为快捕时间（相位捕获时间）； 通常，频率捕获时间总是远大于相位捕获时间，所以一般所说的捕获时间，是指频率捕获时间，而不考虑相位捕获时间的影响。捕获带与捕获时间捕获带与捕获时间p 二二阶环路的快捕带和快捕时间阶环路的快捕带和快捕时间 一般当固有频差比较大时，由于二阶环路的捕获需要积分