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锁相环的工作状态 锁相环有两个基本状态，锁定状态和失锁状态。 在锁定和失锁之间有两种动态过程，分别是跟踪过程和捕捉过程。 使用锁相环经常遇到二个问题： 1 开机后，环路能否进入锁定状态； 2 环路锁定后能否维持锁定状态。 第一个问题与捕获有关； 第二个问题与跟踪（或同步）有关。 锁相环的主要性能指标：同步带、捕捉带、稳态相差 1锁定状态 在环路刚闭合的瞬间 控制电压，，控制频差， 此时 固有频差 瞬时频差 ， 随着增加，在环路产生控制电压的作用下，控制频差，瞬时频差。 环路锁定时具有如下特点 1 当控制频差增加到等于固有频差时，瞬时频差，此时环路进入锁定状态； 2 环路处于锁定时，鉴相器输出的电压为直流 3 环路处于锁定时, 控制频差等于固有频 差时，瞬时相差趋向于一个恒定值，满足： 。 锁定时的环路方程为： （9.4.27） 由式（9.4.27）求得稳态相差为 （9.4.28） 锁定正是在由稳态相差产生的直流控制电压作用下，强制使VCO的振荡角频率相对于自由振荡频率发生的偏移，变为而与参考输入角频率相等。即 （9.4.29） （4）为环路锁定时，环路滤波器的时域传输特性。 其中，无源滤波器 ； 无源比例滤波器 ； 有源比例滤波器 。 （5）为环路锁定时的环路直流总增益。 由可知， 环路锁定时，输入固有频差越大，稳态相位误差越大，也就是说，随着的增加，将VCO的自由振动频率调整到等于所需的控制电压越大，因而产生的也就越大。 问题：通常在设计中无法改变的，若较大，可采取什么措施减小，以便提高环路相位跟踪精度。 当，式（9.4.28）无解。也就是说过大，环路无法锁定。 原因：当时，（鉴相器输出）电压已最大，若继续增大，反而减小，也就无法获得所需的以调整VCO的使之等于，环路无法实现锁定。 6 由于环路锁定时，，有 ，环路实现了无误差的频率跟踪。 7 VCO的输出信号与参考信号之间的相差为固有相差，再叠加一个稳态相差。 稳态相差的大小反应了环路同步的精度，通过环路的合理设计可使很小。 注意：输入输出之间的固有相差是正弦鉴相器要求的。 总结：锁定状态，只有恒定的相差，没有频差，控制电压为直流 2 失锁状态 失锁状态：瞬时频差无法达到零的状态。 失锁时必有 失锁时,鉴相器输出电压为一上下不对称的差拍波形，通过滤波器的作用，产生一平均直流电平作用于VCO上，使振荡器的瞬时频率偏离向输入参考频率靠拢，这就是环路的频率牵引效应。 3 锁相环的同步过程（跟踪过程）与同步带 跟踪过程又称为同步过程。 定义：环路原本锁定，由于外界因素造成环路失锁，而环路通过自身的调节过程重新维持锁定的过程。 当环路处于跟踪状态时，一般相位误差较小，锁相环可视为线性系统。 这句话中包含两个重要概念： 1环路线性化条件； 2环路的跟踪过程可作为线性过程来处理。 与跟踪过程相关的一个重要物理量是同步带。 环路维持锁定时满足： 这时控制频差足以补偿固有频差。 继续增大，使， 无解，则环路失锁。 同步带：把环路能够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带，记作 （9.4.31） 实际上，由于输入信号角频率向两边偏离的效果是一样的，因此同步带可以表示为 （9.4.32） 结论：要增大锁相环的同步带，必须提高其直流总增益。 该结论成立的条件：在假设VCO的频率控制范围足够大。 原因：在满足这个条件时，锁相环的同步带主要受到鉴相器最大输出电压的限制。如果式（9.4.32）求得的大于VCO的频率控制范围，那么，即使有足够大的控制电压加到VCO上，也不能将VCO振荡频率调整到输入信号频率上。因而在这种情况下，同步带主要受到VCO最大频率控制范围的限制。 结论：在VCO的频率控制范围足够大的条件下，锁相环的同步带主要受限于环路直流总增益。 Question:当环路的直流增益足够大时，环路仍无法锁定，可能的原因就是：受VCO调谐范围的限制。 4 捕获过程与捕获带 捕获过程的定义：环路原本失锁，闭合后环路通过自身的调节由失锁进入锁定的过程，即失锁→锁定。 捕获带：能够由失锁进入锁定所允许的最大输入固有角频差称为捕获带（Pull in Range ，Capture Range），用表示。 环路同步带和捕捉带的测试（这部分内容请大家自学，目的是加深对捕获带、同步带的理解） 断开时，VCO处于自由振荡频率。，使，在闭合后，环路失锁。 1 逐渐增大使环路进入锁定状态（同步状态），此时 ，用示波器观察到VCO的波形非常清晰（从失锁同步的频率分解①） 2 继续增大使环路脱离同步状态，此时，VCO波形变得很模糊（从同步失锁的频率分界点②） 3 逐渐减小使环路重新进入同步状态，此时，VCO的输出变得非常清晰（从失锁同步的频率分界点③） 4 继续减小使