輔助捕捉方法

1、輔助捕捉方法 準(zhǔn)確而又迅速地捕捉住輸入信號(hào)，并使環(huán)路鎖定是我們對(duì)環(huán)路的最基本要求 從前面分析知道，一階環(huán)的同步帶等于捕捉帶，因此，只要固有頻差處于同步帶以?xún)?nèi)，依靠環(huán)路自身的控制作用，相位差沒(méi)有周期跳躍而達(dá)到鎖定雖然一階環(huán)的捕捉帶較寬，捕捉時(shí)間餃短，但是，噪聲對(duì)一階環(huán)路的危害極大，所以實(shí)際應(yīng)用中很少使用 日前使用得最多的是無(wú)源或有源比例積分濾波器的二階環(huán)路。由前面對(duì)二階環(huán)路捕捉性能能的分析知道，其捕捉帶和捕捉時(shí)間分別為和，而且捕捉帶總是小于同步帶。 從捕捉的角度考慮，人們總是希望環(huán)路的捕捉帶越寬越好，捕捉時(shí)間越短越好。為了加大外路捕捉帶，應(yīng)提高環(huán)路的增益K或者增加濾波器的帶寬(即增加和)。為了縮

2、短環(huán)路捕捉時(shí)間，除采用與前者相同措施外，還可沒(méi)法減小環(huán)路的起始頻差。但是，加大環(huán)路增益或?yàn)V波器帶寬與提高環(huán)路濾波性能的要求是相矛盾的。通常在設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)，總是優(yōu)先考慮環(huán)路濾波性能，而對(duì)捕獲性能的要求，則采用一些輔助的辦法加以解決 由于環(huán)路使用的場(chǎng)合不同，輔助捕捉設(shè)備復(fù)雜程度也各不相同，實(shí)現(xiàn)輔助捕捉的基本思想無(wú)非是：使用兩種不同帶寬。在捕捉時(shí)環(huán)路具有較大的帶寬，鎖定后環(huán)路帶寬減小減小起始頻差，使之盡快池落入伙捕帶內(nèi)，達(dá)到快捕鎖定下面介紹輔助捕獲的一般方法。 一： 人工電調(diào)法 當(dāng)環(huán)路起始頻差較大時(shí)，利用手動(dòng)的辦法，給壓控振蕩器提供一個(gè)相應(yīng)的調(diào)諧電壓，改變壓控振蕩固有振蕩頻率，以減小環(huán)路起始頻差A(yù)。當(dāng)

3、AM o被減小到進(jìn)入快捅帶之內(nèi)時(shí)，由于環(huán)路自身的控制作用，使環(huán)路立即快捕鎖定。圖422為人工電凋鎖相環(huán)路方框圖。人工電調(diào)部分由機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)及電阻分壓器組成。機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)往往與波道選擇開(kāi)關(guān)同步工作，再因過(guò)電阻分壓器，以得到所需的調(diào)諧電壓來(lái)改變壓控振蕩器的固有振蕩頻率。 這種方獨(dú)簡(jiǎn)單，但精度差，通常只應(yīng)用于要求波道數(shù)很少，波道問(wèn)路較大的頻率合成器 二： 自動(dòng)掃描法 這種辦法的基本原理是，當(dāng)環(huán)路尚未鎖定時(shí)，給壓控振蕩器加一個(gè)周期性掃描電壓，使它的頻率在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)擺動(dòng)，當(dāng)外路進(jìn)入效率領(lǐng)定后，掃描發(fā)生器停止工作，然后通過(guò)環(huán)路本身的控制作用，使環(huán)路捕獲鎖定。從上述基本原理可知加，這個(gè)電路個(gè)必須有一

4、個(gè)掃描電壓發(fā)生器，它產(chǎn)生的踞齒電壓，也可以是階梯波電壓；另外還必須有一個(gè)鎖定指示，使環(huán)路鎖定后掃描電壓發(fā)生器停止工作。常用的指示電路為“正交鑒相器”，如圖423所示 正交鑒相器的一個(gè)輸入是環(huán)路輸入信號(hào)，而另一個(gè)輸入是相移90。之后的壓控振蕩器信號(hào)， 主鑒相器(環(huán)路的鑒相器)的輸出電壓與成正比，而正交鑒相器的輸山電壓與成正比。在鎖定狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)相差很小，l，即鎖定時(shí)正交鑒相器輸出一個(gè)直流。 環(huán)路失鎖時(shí)，主鑒相器輸出都是差拍電壓，而正交鑒相器經(jīng)平滑濾波器后的輸出直流幾乎等于零，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，正交鑒相器輸出直流電壓最大，該直流電壓經(jīng)低通濾波，加到門(mén)限檢波與反相器，反相器輸出低電平，觸發(fā)不動(dòng)掃描發(fā)生器

5、，因此無(wú)掃描電壓輸出，環(huán)路保持鎖定；當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí)，兩鑒相器均輸出差拍電壓，正交鑒相器輸出差泊電壓經(jīng)低通濾波后輸出很小，而反相器輸出電平升高，觸發(fā)掃描發(fā)生器工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描，捕獲鎖定。這種電路實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確捕獲的關(guān)鍵，在于一定輸入信噪比的條件下，合理選擇低通濾波器的類(lèi)型與帶寬、門(mén)限檢波器(或電平比較器)的門(mén)限電平和掃描發(fā)生器的掃描速率通常，低通濾波器多選用帶寬很窄的簡(jiǎn)單RC積分濾波器，以改善噪聲性能。 輸入信噪比高時(shí)，門(mén)限電平應(yīng)選低一些，以增大捕獲概率反之，輸入倍噪比低時(shí)，門(mén)限電平應(yīng)選高些，以減少掃描發(fā)生器的鉗誤動(dòng)作。為縮短摘促時(shí)間，應(yīng)盡量提高掃描速率，但過(guò)高的掃描速率環(huán)路將不能鎖定。三： 鑒

6、頻器輔助捕獲法 1 用附加模擬鑒頻環(huán)路的輔助捕獲電路 利用附加的模擬鑒頻環(huán)路可以加寬整個(gè)環(huán)路的捕捉范圍，如圖4-25所示。鑒頻器與鑒相器并聯(lián)連接，其輸出相加后，通過(guò)環(huán)路濾波器加到壓控振蕩器上。當(dāng)起始頻差很大時(shí)，鑒相器輸出上下接近對(duì)稱(chēng)的差拍電壓波形，經(jīng)濾波器后的直流電壓非常小，故鑒相器不起作用由于鑒頻器帶寬較寬，因此在這種情況下主要依賴(lài)鑒頻器輸出的誤差電壓把壓控振蕩器的頻率拉向鎖定力向。當(dāng)頻差減小到環(huán)路快捕帶時(shí)，鑒相器的輸出將起顯著作用，并取代鑒頻器使環(huán)路最終達(dá)到鋇定。環(huán)路鎖定后，頻差為零，鑒頻器輸出也為零，其控制作用趨于消失. 附加模擬鑒頻環(huán)路法的優(yōu)點(diǎn)是：由于鑒頻器帶寬較寬 ，因此頻率捕捉范圍

7、大，適當(dāng)選擇鑒瀕器增益Kf，可使差頻減小到捕帶。其缺點(diǎn)是鑒頻器門(mén)限較高(6dB)，故不適于信噪比低的場(chǎng)合。 2 用數(shù)字鑒頻器和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換的輔助捕獲電路 這種方案的方框圖如圖426所示。數(shù)字鑒頻器亦稱(chēng)時(shí)間鑒頻器，其作用在于計(jì)算輸入信號(hào)與壓控振蕩器頻率之差，并以二進(jìn)制碼來(lái)表示，二進(jìn)制碼再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器變換成模擬電壓去控制壓控振蕩器的頻率由于鑒頻器輸出的二進(jìn)制數(shù)碼與頻差成正比，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換器總能給壓控振蕩器提供一個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧電壓，以改變壓控振蕩器的頻率，使之朝減小差頻方向變化。當(dāng)差頻減小到快捕帶以?xún)?nèi)時(shí)，通過(guò)環(huán)路本身的控制作用，可以立即快捕鎖定。在數(shù)字式頻率合成器中，這種方法得到較多的應(yīng)用。四變

8、帶寬法此法是利用兩種不同帶寬來(lái)加寬捕捉帶，即在捕捉時(shí)使環(huán)路具有較大的帶寬，鎖定之后使環(huán)路帶寬變窄當(dāng)然加大環(huán)路帶寬還必須保證工作于門(mén)限之上，否則帶寬太寬，噪聲干擾嚴(yán)重，捕捉是不可能的。這種方法只適于輸入信噪比較大的場(chǎng)合。改變環(huán)路帶寬最簡(jiǎn)單的辦法是改變環(huán)路濾波器的元件，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。常用的辦法是改變電阻，因?yàn)殡娙萜鞯慕尤霑?huì)使積分器中的電荷受到干擾，容易造成環(huán)路重新失鎖。采用這種辦法的方案如圖427所示。這個(gè)方案把自動(dòng)掃描與變帶寬結(jié)合起來(lái)，是一種混合方法 圖 具有自動(dòng)掃描變帶寬裝置的鎖相環(huán)的方框圖。 這樣，在擴(kuò)大捕捉帶的同時(shí)，允許提高掃描速率，有利于縮短捕捉時(shí)間環(huán)路鎖定之前，開(kāi)關(guān)是l、萬(wàn)2和K。常閉

9、合s鎖定后，f e先斷開(kāi)，經(jīng)延時(shí)后久l、K 2再斷開(kāi)。圖中延時(shí)電路是需要的，它保證在環(huán)路捕捉過(guò)程結(jié)束之后，再恢復(fù)原來(lái)的環(huán)路帶寬，以減少重新失鎖的可能性。 另一種方法是采用非線性環(huán)路濾波器，如圖428所示。它的非線性電阻由兩個(gè)二極管與環(huán)路濾波器的串聯(lián)臂電阻Rl并聯(lián)。當(dāng)外路失鎖時(shí)，由于差拍電壓的振幅較大，使二極管導(dǎo)通，這時(shí)d1聯(lián)臂等效電阻變小，因此帶寬加大；若Rl被完全短路時(shí)，二階環(huán)變成了一階環(huán)，其捕捉帶就等于同步帶。環(huán)路鎖定時(shí)，盡管鑒相器還可能有交流干擾電壓輸出，但由于捉帶圖429所示為具有增益控制鎖相環(huán)方框圖。輔助正交鑒相器的輸出，經(jīng)過(guò)低通濾波器加到直流放大器上，用以控制其增益的變化當(dāng)環(huán)路失鎖

10、時(shí)，正交鑒相器輸出差拍電壓中的直流分量最小，甚至接近于零，適當(dāng)設(shè)計(jì)電路，使得此時(shí)直流放大器的增益最大，因此捕捉帶最大。它；的振煽很小。不足以超過(guò)偏電壓互，故三極管截止，環(huán)路帶寬恢復(fù)到原來(lái)值，由于基頻電壓控制的二階非線性電阻是變化的，因此環(huán)路帶寬也是變化的，避免了帶寬突然變化開(kāi)成環(huán)路重新失鎖的可能性提高增益，同樣可以擴(kuò)大：3 鑒頻法利用附加鑒頻環(huán)路可加大整個(gè)環(huán)路的捕捉范圍。其組成如圖319所示。鑒頻器和鑒相器并聯(lián)連接，其輸出相加后，通過(guò)環(huán)賂濾波器加到vco上 當(dāng)起始領(lǐng)差很大時(shí)檢相器輸出波形為上下接近對(duì)稱(chēng)的差拍電壓，經(jīng)過(guò)濾波器后直流電壓十分小故不起作用。由于簽頻器帶寬較寬，因此在這種情況下主要依賴(lài)

11、鑒額器輸出的誤差電壓把VCO的頻率拉向額定方向。當(dāng)頻差被減小到環(huán)路快捕帶時(shí)，鑒相器的輸出將起顯著作用，并取代鑒領(lǐng)器，使環(huán)路最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。環(huán)路鎖定后頻差為零，簽頻器輸出為零，其控制作用趨于消失。Mc 4044和國(guó)產(chǎn)sTo02就是一種數(shù)字式檢相器。對(duì)于這種環(huán)路，它的同步帶、捕捉帶和快捕帶是相等的，其捅捉時(shí)間等于快捕時(shí)間，快捅時(shí)間近似為fA、4C。而且和起始頻差無(wú)關(guān)， 基本原理是：當(dāng)環(huán)路沒(méi)有鎖定時(shí)，給壓控振蕩器加一個(gè)周期性掃描電壓，使它的頻率在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)擺動(dòng)。當(dāng)環(huán)路鎖定之后，去掉掃描電壓，則環(huán)路繼續(xù)保持鎖定，并且具有高的濾波性能。 用掃描法來(lái)擴(kuò)大捕捉帶，需注意以下幾個(gè)問(wèn)題： 首先，要設(shè)定一個(gè)

12、鎖定指示電路，用它來(lái)判斷環(huán)路是否鎖定，以便控制掃描電壓的接入和斷開(kāi)。鎖定指示電路一般都采用“正交鑒相器”，其典型電路如圖313所示。正交簽相器的一個(gè)輸入是接收到的信號(hào)， 另一個(gè)是被相移900的壓控振蕩器信號(hào)。主鑒相器輸出電壓與成正比，而正交鑒相器的輸出與成正比。在鎖定狀態(tài)下，很小，所以，鎖定指示輸出一個(gè)直流電壓；當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí)，兩個(gè)鑒相器的輸出都是差拍信號(hào)，經(jīng)平滑濾波器后的輸出直流成分幾乎等于零。所以可用平滑濾波器的輸出來(lái)指示環(huán)路是否鎖定。這種指示電路能在低信噪比的情況下工作，不怕信號(hào)中Iei，也不受調(diào)制的影響，因此被廣泛采用。其次，掃描電壓由一個(gè)單獨(dú)的掃描電壓發(fā)生器供給，并由鎖定指示來(lái)控制它的

13、接入與斷開(kāi)但必須注意不能在斷開(kāi)時(shí)使壓控振蕩器的控制電壓有一個(gè)防躍，不然的話就會(huì)使環(huán)路重新失鎖，又進(jìn)入掃描狀態(tài)，造成環(huán)路鎖定掃描斷開(kāi)失鎖掃描接入鎖定的無(wú)休止的循環(huán)，環(huán)路不能正常工作。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法可利用二階環(huán)路中原有的積分濾波器，只要把一個(gè)階躍電壓加到積分濾波器的輸入端，則濾波器的輸出就會(huì)產(chǎn)生所需要的斜升掃描電壓。階躍電壓可用施密特電路來(lái)得到，調(diào)整施密特電路的輸出電壓大小，就可以控制斜升電壓的斜率，因而也控制了掃描速率。這種電路當(dāng)環(huán)路鎖定，切斷施密特電路時(shí)，由于有積分器的保持作用，不會(huì)引起壓控振蕩器控制電壓眺變，即不會(huì)因掃描電壓的斷開(kāi)而重新導(dǎo)致失鎖采用這種辦法的電路見(jiàn)圖3。14。 最后，關(guān)于

14、掃描速率選擇。為使捕捉時(shí)間縮短，應(yīng)盡量提高掃描速率，但過(guò)高的掃描速率會(huì)使壓控振蕩器的頻率掃過(guò)信號(hào)頻率而不能鎖定關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，已在本章第三節(jié)中討論。利用兩種不同的環(huán)路帶寬，可以加寬捕捉帶。在捕捉時(shí)使環(huán)路具有較大的帶寬，在鎖定之后使環(huán)路帶寬減小。當(dāng)然，加大環(huán)路帶寬時(shí)還必須保證工作于門(mén)限(關(guān)于門(mén)限問(wèn)題將在第四章中介紹)之上，否則捕捉是不可能的。所以這種方法只在輸入信噪比較大時(shí)適用。改變環(huán)路帶寬最簡(jiǎn)單的辦法是對(duì)環(huán)路濾波器元件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。常用的辦法是改變電阻，因?yàn)殡娙萜鞯慕尤霑?huì)使積分器中的電荷受到干擾，容易造成環(huán)路重新失鎖。采用這種辦法的電路如圖所示。鎖定前，開(kāi)關(guān)xl，x：，K a常接通。鎖 目345

15、 hmQ6Q自動(dòng)鎖定后，R1先斷開(kāi)，經(jīng)延時(shí)后K2、及：再斷開(kāi)。圖中延時(shí)電路往往是需要的，它保證可在環(huán)路捕捉過(guò)程結(jié)束之后，再改變環(huán)路帶寬否則也可能會(huì)引起重新失鎖另一種方法是不用鎖定指示和開(kāi)關(guān)控制，而直接用失鎖時(shí)的差拍電壓來(lái)控制非線性電阻(二極管)，如圖3Io所示。失鎖時(shí)，幅度增大的差拍電壓在正半周使Dl導(dǎo)通，負(fù)半周使DI導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通時(shí)的正向電阻與R并接，使濾波器電阻值變小，因此環(huán)路帶寬加大。鎖定時(shí)鑒相器輸出的交流干擾電壓比差拍電壓小得多(指弱干擾情況)，電池B使二極管截止，二極管的反向電阻對(duì)濾波器的阻值影響很小，環(huán)路帶寬917所示當(dāng)起始頻差很大時(shí)，鑒相器輸出波形上下接近對(duì)稱(chēng)的差拍電壓，經(jīng)環(huán)路

16、濾波器后加到壓控振蕩器上的直流控制電壓很小，故鑒相器此時(shí)不起多大作用，主要依靠鑒頻器輸出的誤差電壓把壓控振蕩器拉向鎖定方向當(dāng)頻率核減小到進(jìn)入環(huán)路捕捉帶內(nèi)時(shí)，鑒相器格起顯著作用，它輸出上下不對(duì)稱(chēng)的差拍電壓，其直流成分加到壓控振蕩3B上的結(jié)果，將牽引后者的頻率，最終達(dá)到鎖定。鎖定后由于差拍為零，鑒相器輸出電壓也為零，故其控制作用也趨于消失。此種電路由于鑒頻器的門(mén)限較高(約6dB)故不適用于輸入信噪比低的情況。另外由于鑒頻器需要兩個(gè)信號(hào)輸入，故要用零拍鑒頻器。關(guān)于零拍鑒頻器的工作原理，可參考有關(guān)“自動(dòng)頻率微調(diào)”的著作，這里就不多談了。將信號(hào)注入振蕩器，可強(qiáng)迫振蕩器的頻率與注入信號(hào)相同, 這種現(xiàn)象可以

17、作為一種輔助的手段用來(lái)擴(kuò)大鎖相環(huán)路的捕捉帶。 在普通的鎖相環(huán)路經(jīng)移相器與可變衰減器注入壓控振蕩器，加圖318所示，就可以利用輸入信號(hào)對(duì)壓控振蕩器的強(qiáng)迫同步作用來(lái)擴(kuò)大環(huán)路的捕捉帶。強(qiáng)迫同步的性能主要由如下三個(gè)因素決定：注入信號(hào)相位與振蕩器信號(hào)相位之差、注入信號(hào)強(qiáng)度以及注入信號(hào)與振蕩器信號(hào)之頻差。圖318少的移相器和可變衰減器可用以調(diào)整注入信號(hào)的強(qiáng)度和相位，從而得到所需要的強(qiáng)迫同步性能。 當(dāng)輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器固有振蕩頻率之差較大的時(shí)候，差拍頻率較高，原有環(huán)路的牽引作用很小，已不能進(jìn)行捕捉，即超出了原有環(huán)路的捕捉帶。此時(shí)，由于信號(hào)同時(shí)直接注入了壓控振蕩器，對(duì)振蕩器有強(qiáng)迫同步作用在此作用之下壓控

18、振蕩器的輸出中含有與輸入信號(hào)頻率相同的領(lǐng)路成分。這個(gè)頻譜成分加到簽相器上與注入信號(hào)比相，即可得到一個(gè)較大的控制電壓去調(diào)整壓控振蕩器的頻率，最終完成環(huán)路的捕捉，這就擴(kuò)大了環(huán)路的捕捉帶。 理論分析與實(shí)驗(yàn)證明zdXM，信號(hào)注入鎖相環(huán)構(gòu)成很簡(jiǎn)單，而捕捉帶卻可擴(kuò)大一個(gè)甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，它還能有效地減小輸出信號(hào)的相位攔動(dòng)。所以，它是一種值得重視的方案五、其它前面介紹的幾種方法中，掃描法和信號(hào)注入法是針對(duì)壓控振蕩器采取措施；變帶寬法是針對(duì)環(huán)路濾波器作一種非線性校正。利用對(duì)環(huán)路濾波器實(shí)施非線性校正的辦法來(lái)改善鎖相環(huán)路捕獲性能的具體方法是很多的，資料中有較全面的論述。 不難設(shè)想，適當(dāng)?shù)蔫b相特性也必有益于改善環(huán)路的捕獲性能。方法之一是采用本身具有鑒頻