锁相技术作者张涛第4章锁相环的捕获性能课件.pptxVIP

第4章 锁相环的捕获性能本章简介本章首先建立锁相环的非线性数学模型。其次，通过锁相环非线性数学模型，来研究环路的频率捕获和相位捕获。最后，讨论辅助捕获的方法。锁相环有两种工作状态---跟踪状态（又称同步状态、锁定状态）和捕获状态（又称失锁状态）。在第3章中我们论述了锁相环的跟踪性能，即假设环路已锁定，处于跟踪状态，锁相环看成一个线性系统。但是，环路在刚接通电源和刚收到输入信号等情况时，是非锁定的，处于失锁状态（捕获状态）。本章我们来讲述锁相环的捕获性能，锁相环处于失锁状态，锁相环是一个非线性系统，数学模型是非线性的。锁相环是一个很好的跟踪系统，但捕获的过程是一个艰难的过程，有时靠锁相环自身的捕获能力，无法完成捕获，通常需要使用辅助捕获电路，在有些实际应用的锁相环电路中，辅助捕获电路占整个锁相环电路规模的一半。在实际的工作中，如开机、换频等情况，一开始环路总是失锁的，锁相环必须经过由失锁到锁定的过程，这种由失锁到锁定的过程称为捕获（acquisition）。捕获分为自捕获和辅助捕获。锁相环的捕获包括频率捕获和相位捕获两个阶段。锁相环的捕获能力与环路中是否存在滤波器（积分器）有很大关系，一阶环没有环路滤波器，只有压控振荡器一个积分器，所以一阶环没有频率捕获的能力，只能进行相位捕获。二阶环除了压控振荡器这个积分环节外，包含一个环路滤波器（理想积分器或非理想积分器），共有两个积分环节，所以二阶环不仅具有相位捕获能力，还能进行频率捕获。同理，一个n阶锁相环包含n-1个积分器，每个积分器都与一个环路状态变量相联系，如相位、频率、频率变化率等。为了使环路具有捕获后进入锁定的能力，必须设置好每个积分器（状态变量），使之与输入信号的状态一致。因此，当设计一个n阶锁相环时，设计者必须设置n-1个积分器，每个积分器有3-4个参数，因此，阶数高了，设计是相当困难的。目前实用的锁相环一般不高过4阶。在二阶以上的锁相环中，首先进行频率捕获，频率捕获是关键，频率捕获成功后，才进行相位捕获。4.1 捕获状态（失锁状态）下的数学模型 锁相环在失锁状态下捕获的过程是一个非线性的过程，非线性系统的数学模型相对线性系统的数学模型要复杂一些，求解非线性方程就更加困难。因此，本节我们建立失锁状态的数学模型后，并不做过多的数学推导和计算，只做定性的分析，得出各种锁相环在失锁状态下，进行捕获的各种参数。因为失锁状态的锁相环属于非线性系统，信号与系统中，拉普拉斯变换的s域建模只适用于线性系统建模，所以本章我们只建立时域模型。锁相环的数学模型很大程度由鉴相器的种类决定，在这里我们只讨论乘法鉴相器的情况。根据第二章锁相环各模块建模情况，得锁相环的时域模型如图4.1所示。 压控振荡器的瞬时角频率为令固有频差瞬时频差 = 固有频差 - 控制频差 输入信号用矢量表示为输出信号用矢量表示为4.2 一阶环的捕获性能对于一阶锁相环，由于无环路滤波器，所以只有相位捕获。设 时，式（4-3）变为平面 上的一个点表示环路在某个时刻 的状态，称为相点。随着时间的变化，环路状态发生变化，相点也会移动，平面上的曲线就是相点移动形成的曲线，称为相轨迹，这条轨迹反映了环路状态的变化过程。 三种不同的情况，这三种情况下，环路的捕获能力是不同的，现分别讨论如下。4.2.1时的捕获状态 对于一阶锁相环，因为每个 周期内都有一个稳定平衡点A，所以不论起始状态处于相轨迹的哪个点，其到达A点的过程中，相差的变化都不会超过，这种情况称之为捕获不发生周期跳越。一阶锁相环由于没有滤波器，所以没有频率捕获，只有相位捕获，所以捕获不发生跳周。一阶环捕获过程中相差 随时间变化的曲线假设初始相位误差非常接近不稳定点B， ，环路自身没有能力摆脱这种状态，相位误差长时间停留在这个平衡点附近，这种停留的现象叫挂停效应（hung-up effect）。挂停很难消除，二阶环或更高阶环都存在挂停效应，除了鉴频鉴相器（PFD-Phase Frequence Detector），其它鉴相器无法消除挂停现象。引起挂停的原因、挂停的统计特性和消除的一些建议请看参考文献[4、5]。4.2.2时的失锁状态一阶环失锁状态下 各点波形图4.2.3时的临界状态4.2.4 一阶锁相环性能指标 捕获带 （Pull-in range） 快捕带 （Lock range） 同步带 （Hold range） 捕获时间（Pull-in Time） 锁定时的相位误差 4.3 二阶环的捕获性能实际锁相环系统，一阶锁相环由于没有环路滤波器，是不适用的。上节讲述的一阶锁相环只有相位捕获，而二阶环的捕获分为频率捕获和相位捕获两个过程，首先是频率捕获，完成频率捕获后，再进行相位捕获。在二阶环的捕获过程中，频率捕获比相位捕获更困难，捕获时间大