辅助捕捉方法.doc

辅助捕捉方法
准确而又迅速地捕捉住输入信号，并使环路锁定是我们对环路的最基本要求．
从前面分析知道，一阶环的同步带等于捕捉带，因此，只要固有频差处于同步带以内，依靠环路自身的控制作用，相位差没有周期跳跃而达到锁定．虽然一阶环的捕捉带较宽，捕捉时间饺短，但是，噪声对一阶环路的危害极大，所以实际应用中很少使用．
日前使用得最多的是无源或有源比例积分滤波器的二阶环路。由前面对二阶环路捕捉性能能的分析知道，其捕捉带和捕捉时间分别为和，而且捕捉带总是小于同步带。
从捕捉的角度考虑，人们总是希望环路的捕捉带越宽越好，捕捉时间越短越好。
为了加大外路捕捉带，应提高环路的增益K或者增加滤波器的带宽(即增加和)。为了缩短环路捕捉时间，除采用与前者相同措施外，还可没法减小环路的起始频差。但是，加大环路增益或滤波器带宽与提高环路滤波性能的要求是相矛盾的。通常在设计环路时，总是优先考虑环路滤波性能，而对捕获性能的要求，则采用一些辅助的办法加以解决．
由于环路使用的场合不同，辅助捕捉设备复杂程度也各不相同，
实现辅助捕捉的基本思想无非是：
①使用两种不同带宽。在捕捉时环路具有较大的带宽，锁定后环路带宽减小．
②减小起始频差，使之尽快池落入伙捕带内，达到快捕锁定．
下面介绍辅助捕获的一般方法。
一： 人工电调法
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相应的调谐电压，改变压控振荡固有振荡频率，以减小环路起始频差A。。。当AM o被减小到进入快捅带之内时，由于环路自身的控制作用，使环路立即快捕锁定。图4—22为人工电凋锁相环路方框图。人工电调部分由机械或电子开关及电阻分压器组成。机械或电子开关往往与波道选择开关同步工作，再因过电阻分压器，以得到所需的调谐电压来改变压控振荡器的固有振荡频率。
这种方独简单，但精度差，通常只应用于要求波道数很少，波道问路较大的频率合成器
二： 自动扫描法
这种办法的基本原理是，当环路尚未锁定时，给压控振荡器加一个周期性扫描电压，使它的频率在足够宽的范围内摆动，当外路进入效率领定后，扫描发生器停止工作，然后通过环路本身的控制作用，使环路捕获锁定。
从上述基本原理可知加，这个电路个必须有一个扫描电压发生器，它产生的踞齿电压，也可以是阶梯波电压；另外还必须有一个锁定指示，使环路锁定后扫描电压发生器停止工作。
常用的指示电路为“正交鉴相器”，如图4—23所示．
正交鉴相器的一个输入是环路输入信号，而另一个输入是相移90。之后的压控振荡器信号， 主鉴相器(环路的鉴相器)的输出电压与成正比，而正交鉴相器的输山电压与成正比。在锁定状态下，稳态相差很小，＝l，即锁定时正交鉴相器输出一个直流。 环路失锁时，主鉴相器输出都是差拍电压，而正交鉴相器经平滑滤波器后的输出直流几乎等于零，当环路锁定时，正交鉴相器输出直流电压最大，该直流电压经低通滤波，加到门限检波与反相器，反相器输出低电平，触发不动扫描发生器，因此无扫描电压输出，环路保持锁定；当环路失锁时，两鉴相器均输出差拍电压，正交鉴相器输出差泊电压经低通滤波后输出很小，而反相器输出电平升高，触发扫描发生器工作，实现自动扫描，捕获锁定。
这种电路实现快速、准确捕获的关键，在于一定输入信噪比的条件下，合理选择低通滤波器的类型与带宽、门限检波器(或电平比较器)的门限电平和扫描发生器的扫描速率．通常，低通滤波器多选用带宽很窄的简单RC积分滤波器，以改善噪声性能。 输入信噪比高时，门限电平应选低一些，以增大捕获概率．反之，输入倍噪比低时，门限电平应选高些，以减少扫描发生器的钳误动作。为缩短摘促时间，应尽量提高扫描速率，但过高的扫描速率环路将不能锁定。
三： 鉴频器辅助捕获法
1． 用附加模拟鉴频环路的辅助捕获电路
利用附加的模拟鉴频环路可以加宽整个环路的捕捉范围，如图4-25所示。鉴频器与鉴相器并联连接，其输出相加后，通过环路滤波器加到压控振荡器上。当起始频差很大时，鉴相器输出上下接近对称的差拍电压波形，经滤波器后的直流电压非常小，故鉴相器不起作用．由于鉴频器带宽较宽，因此在这种情况下主要依赖鉴频器输出的误差电压把压控振荡器的频率拉向锁定力向。当频差减小到环路快捕带时，鉴相器的输出将起显著作用，并取代鉴频器使环路最终达到钡定。环路锁定后，频差为零，鉴频器输出也为零，其控制作用趋于消失.

附加模拟鉴频环路法的优点是：由于鉴频器带宽较宽 ，因此频率捕捉范围大，适当选择鉴濒器增益Kf，可使差频减小到捕带。其缺点是鉴频器门限较高(＞6dB)，故不适于信噪比低的场合。

2． 用数字鉴频器和数模(D/A)转换的辅助捕获电路
这种方案的方框图如图4—26所示。数字鉴频器亦称时间鉴频器，其作用在于计算输入信号与压控振荡器频率之差，并以二进制码来表示，二进制码再由数模转换器变换成模拟电压去控制压控振荡器的频率．由于鉴频器输出的二进制数码与频差成正比，因此数模转换器总能给压控振荡器提供一个适当的调谐电压，以改变压控振荡器的频率，使之朝减小差频方向变化。当差频减小到快捕带以内时，通过环路本身的控制作用，可以立即快捕锁定。在数字式频率合成器中，这种方法得到较多的应用。
四．　变带宽法
此法是利用两种不同带宽来加宽捕捉带，即在捕捉时使环路具有较大的带宽，锁定之后使环路带宽变窄．当然加大环路带宽还必须保证工作于门限之上，否则带宽太宽，噪声干扰严重，捕捉是不可能的。这种方法只适于输入信噪比较大的场合。
改变环路带宽最简单的办法是改变环路滤波器的元件，进行开关控制。常用的办法是改变电阻，因为电容器的接入会使积分器中的电荷受到干扰，容易造成环路重新失锁。采用这种办法的方案如图4—27所示。这个方案把自动扫描与变带宽结合起来，是一种混合方法．
图　　 具有自动扫描变带宽装置的锁相环的方框图。
这样，在扩大捕捉带的同时，允许提高扫描速率，有利于缩短捕捉时间．环路锁定之前，开关是l、万2和K。常闭合s锁定后，f e先断开，经延时后久l、K 2再断开。图中延时电路是需要的，它保证在环路捕捉过程结束之后，再恢复原来的环路带宽，以减少重新失锁的可能性。
另一种方法是采用非线性环路滤波器，如图4—28所示。它的非线性电阻由两个二极管与环路滤波器的串联臂电阻Rl并联。当外路失锁时，由于差拍电压的振幅较大，使二极管导通，这时d1联臂等效电阻变小，因此带宽加大；若Rl被完全短路时，二阶环变成了一阶环，其捕捉带就等于同步带。环路锁定时，尽管鉴相器还可能有交流干扰电压输出，但由于捉带．图4—29所示为具有增益控制锁相环方框图。辅助正交鉴相器的输出，经过低通滤波器加到直流放大器上，用以控制其增益的变化．当环路失锁时，正交鉴相器输出差拍电压中的直流分量最小，甚至接近于零，适当设计电路，使得此时直流放大器的增益最大，因此捕捉带最大。它；的振煽很小。不足以超过偏电压互，故三极管截止，环路带宽恢复到原来值，由于基频电压控制的二阶非线性电阻是变化的，因此环路带宽也是变化的，避免了带宽突然变化开成环路重新失锁的可能性．
提高增益，同样可以扩大：

3 鉴频法
利用附加鉴频环路可加大整个环路的捕捉范围。
其组成如图3—19所示。鉴频器和鉴相器并联连接，其输出相加后，通过环赂滤波器加到vco上 当起始领差很大时检相器输出波形为上下接近对称的差拍电压，经过滤波器后直流电压十分小故不起作用。由于签频器带宽较宽，因此在这种情况下主要依赖鉴额器输出的误差电压把VCO的频率拉向额定方向。当频差被减小到环路快捕带时，鉴相器的输出将起显著作用，并取代鉴领器，使环路最终达到锁定状态。环路锁定后频差为零，签频器输出为零，其控制作用趋于消失。Mc 4044和国产sTo02就是一种数字式检相器。对于这种环路，它的同步带、捕捉带和快捕带是相等的，其捅捉时间等于快捕时间，快捅时间近似为fA、4／C。。而且和起始频差无关， 基本原理是：当环路没有锁定时，给压控振荡器加一个周期性扫描电压，使它的频率在足够宽的范围内摆动。当环路锁定之后，去掉扫描电压，则环路继续保持锁定，并且具有高的滤波性能。
用扫描法来扩大捕捉带，需注意以下几个问题：
首先，要设定一个锁定指示电路，用它来判断环路是否锁定，以便控制扫描电压的接入和断开。锁定指示电路一般都采用“正交鉴相器”，其典型电路如图3—13所示。正交签相器的一个输入是接收到的信号，
另一个是被相移900的压控振荡器信号。主鉴相器输出电压与成正比，而正交鉴相器的输出与成正比。在锁定状态下，很小，所以，锁定指示输出一个直流电压；当环路失锁时，两个鉴相器的输出都是差拍信号，经平滑滤波器后的输出直流成分几乎等于零。所以可用平滑滤波器的输出来指示环路是否锁定。这种指示电路能在低信噪比的情况下工作，不怕信号中Iei，也不受调制的影响，因此被广泛采用。
其次，扫描电压由一个单独的扫描电压发生器供给，并由锁定指示来控制它的接入与断开．但必须注意不能在断开时使压控振荡器的控制电压有一个防跃，不然的话就会使环路重新失锁，又进入扫描状态，造成环路锁定——扫描断开——失锁——扫描接入——锁定……的无休止的循环，环路不能正常工作。解决这个问题的办法可利用二阶环路中原有的积分滤波器，只要把一个阶跃电压加到积分滤波器的输入端，则滤波器的输出就会产生所需要的斜升扫描电压。阶跃电压可用施密特电路来得到，调整施密特电路的输出电压大小，就可以控制斜升电压的斜率，因而也控制了扫描速率。这种电路当环路锁定，切断施密特电路时，由于有积分器的保持作用，不会引起压控振荡器控制电压眺变，即不会因扫描电压的断开而重新导致失锁．采用这种办法的电路见图3。14。

最后，关于扫描速率选择。为使捕捉时间缩短，应尽量提高扫描速率，但过高的扫描速率会使压控振荡器的频率扫过信号频率而不能锁定．关于这个问题，已在本章第三节中讨论。利用两种不同的环路带宽，可以加宽捕捉带。在捕捉时使环路具有较大的带宽，在锁定之后使环路带宽减小。当然，加大环路带宽时还必须保证工作于门限(关于门限问题将在第四章中介绍)之上，否则捕捉是不可能的。所以这种方法只在输入信噪比较大时适用。
改变环路带宽最简单的办法是对环路滤波器元件进行开关控制。常用的办法是改变电阻，因为电容器的接入会使积分器中的电荷受到干扰，容易造成环路重新失锁。采用这种办法的电路如图所示。锁定前，开关xl，x：，K a常接通。锁 目345 hmQ6Q自动锁定后，R1先断开，经延时后K2、及：再断开。图中延时电路往往是需要的，它保证可在环路捕捉过程结束之后，再改变环路带宽．否则也可能会引起重新失锁．另一种方法是不用锁定指示和开关控制，而直接用失锁时的差拍电压来控制非线性电阻(二极管)，如图3—Io所示。失锁时，幅度增大的差拍电压在正半周使Dl导通，负半周使DI导通。二极管导通时的正向电阻与R并接，使滤波器电阻值变小，因此环路带宽加大。锁定时鉴相器输出的交流干扰电压比差拍电压小得多(指弱干扰情况)，电池B使二极管截止，二极管的反向电阻对滤波器的阻值影响很小，环路带宽
9—17所示．当起始频差很大时，鉴相器输出波形上下接近对称的差拍电压，经环路滤波器后加到压控振荡器上的直流控制电压很小，故鉴相器此时不起多大作用，主要依靠鉴频器输出的误差电压把压控振荡器拉向锁定方向．
当频率核减小到进入环路捕捉带内时，鉴相器格起显著作用，它输出上下不对称的差拍电压，其直流成分加到压控振荡3B上的结果，将牵引后者的频率，最终达到锁定。锁定后由于差拍为零，鉴相器输出电压也为零，故其控制作用也趋于消失。此种电路由于鉴频器的门限较高(约6dB)故不适用于输入信噪比低的情况。另外由于鉴频器需要两个信号输入，故要用零拍鉴频器。关于零拍鉴频器的工作原理，可参考有关“自动频率微调”的著作，这里就不多谈了。
将信号注入振荡器，可强迫振荡器的频率与注入信号相同, 这种现象可以作为一种辅助的手段用来扩大锁相环路的捕捉带。
在普通的锁相环路经移相器与可变衰减器注入压控振荡器，加图3—18所示，就可以利用输入信号对压控振荡器的强迫同步作用来扩大环路的捕捉带。强迫同步的性能主要由如下三个因素决定：注入信号相位与振荡器信号相位之差、注入信号强度以及注入信号与振荡器信号之频差。图3—18少的移相器和可变衰减器可用以调整注入信号的强度和相位，从而得到所需要的强迫同步性能。
当输入信号频率与压控振荡器固有振荡频率之差较大的时候，差拍频率较高，原有环路的牵引作用很小，已不能进行捕捉，即超出了原有环路的捕捉带。此时，由于信号同时直接注入了压控振荡器，对振荡器有强迫同步作用．在此作用之下．压控振荡器的输出中含有与输入信号频率相同的领路成分。这个频谱成分加到签相器上与注入信号比相，即可得到一个较大的控制电压去调整压控振荡器的频率，最终完成环路的捕捉，这就扩大了环路的捕捉带。
理论分析与实验证明[zdXM]，信号注入锁相环构成很简单，而捕捉带却可扩大一个甚至几个数量级。此外，它还能有效地减小输出信号的相位拦动。所以，它是一种值得重视的方案．
五、其它
前面介绍的几种方法中，扫描法和信号注入法是针对压控振荡器采取措施；变带宽法是针对环路滤波器作一种非线性校正。利用对环路滤波器实施非线性校正的办法来改善锁相环路捕获性能的具体方法是很多的，资料中有较全面的论述。
不难设想，适当的鉴相特性也必有益于改善环路的捕获性能。方法之一是采用本身具有鉴频功能的鉴相器，如鉴频—鉴相器即是。方法之二是直接构成具有良好特性的鉴相器。如图3—19示的方框图，可获得如下鉴相特性。＜k＜1＝ (3—91)
式中k值可在。与1之间调整，当k；o时，”为正弦特性，k趋向于I时即变成正切特性。理论上具有正切鉴相特性的锁相环路，其捕捉带等于无穷大。但是，实际上要受到压控振荡器频率控制范围的限制。假如根据压控振荡器的频率控制范围，选择适当的k值，以获得一个介于正弦与正切之间的某种鉴相特性，必将对改善环路的捕获性能有所贡献。
最后，在常用的正弦鉴相器之后接上一个非线性函数转换器，使两者组合的等效鉴相特性来满足改善捕获性能的需要，这也是一种有效的方法。