第4章环路捕获性能.ppt

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1、第4章环路捕获性能第1节捕获的基本概念第2节捕获过程与捕获特性第3节捕获带与捕获时间第4节辅助捕获方法第1节捕获的基本概念1.捕获－－环路进入锁定的过程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,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2π的周期跳越。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

2、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2π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。第2节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θe与其导数的关系图形。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

3、除以,得相轨迹方程(4-1)(4-2)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令方程(4-1)式中dθe／dt=0,d2θe／dt2=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)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根据θe～t曲线,由关系式ud(t)=Udsinθe(t)(4-7)可画出鉴相器输出

4、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)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第3节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,环路高频增益为因此,在失锁状态下,控制频差起码可以达到(4-9)(4-10)(4-11)(

5、4-12)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)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)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／τ=2ξωn,上式又可写成(4-17)(4-18)在捕获状态下,我们

6、把频差Δω从Δωo下降到ΔωL所需的时间定义为捕获时间TP。在KΔωoΔωL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)【计算举例】具有环路滤波器传递函数F(s)=(1+sτ2)／(1+sτ1)的二阶环路,其参量为:ωn=100rad／s,K=2×105rad／2,Δfo=600Hz。计算ΔωH,ΔωL,TLmax,ΔωP和TP值。第4节辅助捕获方法一、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,

7、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。图4-5具有人工电调的锁相环方框图二、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。图4-6具有交流检波器和扫描发生器的锁相环方框图图4-7具有辅助鉴相器和扫描发生器的锁相环方框图图4-8示出了另一种由90°移相器、模拟相乘器、低通滤波器与

8、施密特触发器组成失锁检测