第四章 環(huán)路捕獲性能.pptx

1、鎖相技術,Phaselock Techniques,信息科學與工程學院,通信教研室 施曉東,第四章 環(huán)路捕獲性能,捕獲的基本概念 捕獲過程與捕獲特性 捕獲帶與捕獲時間 輔助捕獲方法,捕獲的基本概念,捕獲 第2、3章的分析，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，因為失鎖環(huán)路是不可能表現(xiàn)出這些性能的。但是在實際工作中，例如開機、換頻或由開環(huán)到閉環(huán)，一開始環(huán)路總是失鎖的，因此環(huán)路需經(jīng)由失鎖到鎖定的過程，稱為捕獲。,相位捕獲與頻率捕獲 所謂相位捕獲，是指捕獲過程中相位差沒有2的周期跳躍。相位差從大到小，是一個漸進的過程（例如一階環(huán)路的捕獲過程），稱為相位捕獲。 反之，頻率捕獲是指在

2、捕獲過程中，相位差存在2的周期跳躍，但瞬時頻率差卻呈現(xiàn)出漸進的過程，稱為頻率捕獲。 一階環(huán)路只存在相位捕獲，二階環(huán)路頻率捕獲和相位捕獲都存在。,捕獲的基本概念,自捕獲與輔助捕獲 如果環(huán)路依靠自己得控制能力達到捕獲鎖定，則稱這種捕獲過程為自捕獲； 如果環(huán)路借助于輔助電路才能實現(xiàn)捕獲鎖定，則成為輔助捕獲。,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變換，甚至有多個的2周期跳躍。這樣鑒相器將不滿足線性要求，要想獲得環(huán)路捕獲性能的全部結果，必須將鑒相特性的非線性考慮進去，嚴格求解環(huán)路非線性動態(tài)方程：, e = 1 sin e (),捕獲的基本概念,工程上常用近似方法來研究鎖相環(huán)路的非線性捕

3、獲過程：,相平面法 根據(jù)環(huán)路非線性微分方程，作出 e e ()的關系圖形，以取得環(huán)路非線性穩(wěn)定性、時間響應曲線等有關信息。,準線性法 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)過低通濾波器后，都可以近似為直流與正弦信號的和。, 2 = 0 c d,捕獲過程與捕獲特性,捕獲過程 一階環(huán)的捕獲過程（ H = P = L =） 當 o P () 時，環(huán)路不能捕獲鎖定，出現(xiàn)穩(wěn)定的差拍狀態(tài)； 當 o L () 時，環(huán)路在相差2內會立即鎖定。,總結： 一階環(huán)路在捕獲過程中不產(chǎn)生相位差的2周期跳躍，即只有相位捕獲過程，沒有頻率捕獲過程。 通常，把只有相位捕獲過程的捕獲過程稱為快

4、速捕獲，簡稱快捕。把只通過相位捕獲過程就能進入鎖定的最大固有頻差稱為快捕帶 L 。,捕獲過程與捕獲特性,二階環(huán)的捕獲過程（ H P L ） 當 o P 時，環(huán)路不能捕獲鎖定，出現(xiàn)穩(wěn)定的差拍狀態(tài)； 當 o L 時，環(huán)路在相差2內即會快速鎖定，即只有相位捕獲過程； 當 L o P 時，壓控振蕩器的頻率將逐漸被牽引，向輸入頻率靠攏，最終導致環(huán)路進入鎖定，這一過程通常稱為頻率捕獲過程或頻率牽引過程。,總結： 二階環(huán)路的捕獲過程有可能是相位捕獲過程，也有可能是頻率捕獲過程；當然也有可能無法鎖定（ o P ）； 當固有頻差比較小（ o L ）時，僅通過相位捕獲過程（快捕）就能達到鎖定狀態(tài)；反之則需要通過頻

5、率捕獲過程來達到鎖定。,捕獲過程與捕獲特性,理想二階環(huán)的捕獲過程： 二階環(huán)路在結構上與一階環(huán)路的根本區(qū)別是環(huán)路中多了一個環(huán)路濾波器。它具有低通特性，對直流起積分的作用，而對交流信號具有衰減作用，可以用下面的模型代替環(huán)路濾波器,捕獲過程與捕獲特性,誤差電壓 d () 初始時刻，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，鑒相器輸出的誤差電壓 d ()為一個差拍正弦波，由于差拍波為非對稱波，所以其平均值不為零，也就是說存在直流分量。因此差拍波可以近似表示為一個直流分量和交流分量的和，并且，由于頻率牽引作用，差拍波的波動越來越小。,控制電壓 c () （對直流分量進行積分，對交流分量按比例衰減） 控制電壓的瞬時值整體隨時間呈

6、增大趨勢（直流積分的結果），并帶有一定的波動（交流分量的疊加）,捕獲過程與捕獲特性,壓控振蕩器的控制頻差 由于控制電壓 c ()整體呈增大趨勢，所以壓控振蕩器的控制頻差 o c ()也整體呈增大趨勢，并帶有一定的波動。其變化規(guī)律與控制電壓一致，比例系數(shù)為 o ；,瞬時頻差 e () 瞬時頻差 = 固有頻差 控制頻差 因此，瞬時頻差 e ()隨時間整體呈減小趨勢，直至接近為零，并帶有一定的波動。,捕獲過程與捕獲特性,瞬時相差 e () 瞬時相差 e ()是瞬時頻差 e ()的積分，根據(jù)瞬時頻差 e ()的變換規(guī)律可以知道：瞬時相差 e ()整體呈現(xiàn)增大的趨勢，但增大的速率越來越慢，直至最終穩(wěn)定不

7、變。 同時，當瞬時相差 e ()趨于固定值時（帶有一定的波動） ，誤差電壓也將趨于固,定值，并帶有一定的波動。同時這些波動成分再次通過環(huán)路濾波器進行比例衰減，最終再次返回到鑒相器，將使得波動越來越小。,捕獲帶與捕獲時間,在固定頻率輸入下，視固有頻差的大小，一階環(huán)路和二階環(huán)路都有產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)和進入鎖定的兩種可能性。 保證環(huán)路必然進入鎖定的最大固有頻差值，稱為捕獲帶。 一般，捕獲的全過程包含頻率捕獲與相位捕獲兩個過程，把保證環(huán)路只有相位捕獲一個過程的最大固有頻差值，稱為快捕帶。 一階環(huán)路由于只有相位捕獲，所以為快捕獲，同時其捕獲帶等于快捕帶。 頻率捕獲過程所需要的時間稱為頻率捕獲時間（頻率牽

8、引時間）；相位捕獲過程所需要的時間稱為快捕時間（相位捕獲時間）； 通常，頻率捕獲時間總是遠大于相位捕獲時間，所以一般所說的捕獲時間，是指頻率捕獲時間，而不考慮相位捕獲時間的影響。,捕獲帶與捕獲時間,二階環(huán)路的快捕帶和快捕時間 一般當固有頻差比較大時，由于二階環(huán)路的捕獲需要積分器長時間的積分過程，才能最終使環(huán)路進入鎖定狀態(tài)，所以捕獲時間一般都相對漫長。 但如果初始時刻的固有頻差比較小時，二階環(huán)路即使不通過環(huán)路濾波器的積分作用就可以使環(huán)路進入鎖定。短時間內，可以忽略直流成分構成的控制電壓成分，而只考慮交流成分的作用，因此環(huán)路相位模型可近似表示為：,捕獲帶與捕獲時間,上面的模型類似于一階環(huán)路，只是環(huán)

9、路濾波器的由 =1變?yōu)?= 2 / 1 。此時環(huán)路增益稱為高頻增益為：, H = d o 2 1 = 2 1,最大控制頻差為：, c = 2 1,那么，如果固有頻差 o ，環(huán)路相差就可以僅通過相位捕獲過程就進入鎖定，因此快捕帶為：, L = c = 2 1 =2 n,最大快捕時間近似為：, L max 10 1 2 = 5 n,捕獲帶與捕獲時間,二階環(huán)的捕獲帶與捕獲時間, p = 2Re p 2 (0),其中，()是環(huán)路濾波器的頻率響應函數(shù)，該公式適用于采用正弦鑒相器的任意鎖相環(huán)路，是目前計算捕獲帶的通用公式。,采用有源比例積分濾波器的二階環(huán), = 1+ 2 1 = 2 1 1 1,Re p

10、2 = 2 1, 0 =, p =,捕獲帶與捕獲時間,采用無源比例積分濾波器的二階環(huán), p 2 2 1 =2 n n 2 2,如果， n ，則, p 2 n,采用RC積分濾波器的二階環(huán), p 1.68 1 =2.37 n,捕獲帶與捕獲時間,定義：在捕獲狀態(tài)下，把頻差從 固有頻差 o 下降到 L （頻率捕獲結束）所需要的時間定義為捕獲時間 p 。,采用有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 o 2 2 n 3, p o 2 2 2 1 2,另外：非理想二階環(huán)路的同步帶 H =，且有 H P L 。,本章作業(yè),4-4 一環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)為 =(1+ 2 )/(1+ 1

11、)的二階環(huán)，其= 2 /2， L =200 Hz，若要求允許的最大的 e () 5 o ，最大捕獲范圍為25 kHz，試確定： 環(huán)路增益； 環(huán)路濾波器的時間常數(shù) 1 、 2 （注：因 L 較小， 較大，故可按 n 近似）； 捕獲帶 p ，看是否滿足提出的要求； 捕獲時間 p ； 快捕帶 L ； 快捕時間 L ；,本章作業(yè), L = n 8 1+4 2 =200 Hz n =373.3 rad/s, p 2 n = p 2 4 n =6 10 6 rad/s, n = 1 1 = n 2 =23 ms,= 2 2 1 = 2 2 n 2 = 2 n =3.8 ms, p =12.5 kHz=21

12、2.5 10 3 rad/s, e = arcsin o 5 o o sin 5 o o sin 5 o =0.52 10 6 rad/s, p o 2 2 2 1 =84.6 s, L =2 n =526 rad/s, L 10 1 2 = 5 n =19 ms,本章作業(yè),4-6 設計一個無源比例積分濾波器二階鎖相環(huán)路， 1 =100 k、 2 =5.1 k、=47 F、=1/，試確定： 時間常數(shù) 1 和 2 ； 環(huán)路自然角頻率 n 和環(huán)路阻尼系數(shù)； 環(huán)路同步帶、捕獲帶、快捕帶； 如果起始頻差 o /2=50、100、150 Hz，試確定捕獲時間。,解： 1 = 1 + 2 =5 s， 2 = 2 =0.24 s = 1 =2 rad/s， = 1 =1.1