CN114696597A - 一种充电泵电路、鉴频鉴相器和改进型锁相环电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种充电泵电路、鉴频鉴相器和改进型锁相环电路。充电泵电路包括第一供电模块、第二供电模块、三态转换模块、第一分压模块和第二分压模块，第一供电模块用于提供正向电压，第二供电模块用于提供负向电压，三态转换模块用于根据状态转换信号，接入第一端、第二端或第三端，以生成输出脉冲信号，第一分压模块和第二分压模块用于在三态转换模块的输出端接入第二端时，通过分压使三态转换模块的输出端输出一零电压信号。本发明实施例能够有效规避泵电路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低控制系统的设计难度，维持控制系统的稳态运行，以及保障控制系统性能。

Description

一种充电泵电路、鉴频鉴相器和改进型锁相环电路

技术领域

本发明实施例涉及锁相技术领域，尤其涉及一种充电泵电路、鉴频鉴相器 和改进型锁相环电路。

背景技术

目前，锁相环，尤其是电荷泵锁相环因兼具调制、低门限、频率锁定和载 波跟踪等诸多特性，而在电子通信、电机控制、数据采集和新能源并网等领域 得到了广泛的推广与应用。

针对现有通用的电荷泵锁相环，环路滤波器的输入端因泵电路而存在一悬 空状态，该悬空状态会导致鉴频鉴相器在不同工作点处表征为不同的动态特性， 也即鉴频鉴相器的静态特性表现为非线性变化。基于此，将该电荷泵锁相环应 用于系统控制会对控制系统产生不对称影响，不仅会增加控制系统的设计难度， 还会干扰控制系统的稳态运行，影响控制系统性能。

发明内容

本发明实施例提供一种充电泵电路、鉴频鉴相器和改进型锁相环电路，以 规避泵电路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低控制系统的 设计难度，维持控制系统的稳态运行，以及保障控制系统性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种充电泵电路，包括第一供电模块、第 二供电模块、三态转换模块、第一分压模块和第二分压模块；

所述第一供电模块的正极与所述三态转换模块的第一端相连，所述第一供 电模块的负极接地，所述第一供电模块用于提供正向电压；

所述第二供电模块的正极与所述第一供电模块的负极相连，所述第二供电 模块的负极与所述三态转换模块的第三端相连，所述第二供电模块用于提供负 向电压；

所述三态转换模块的第二端悬空，所述三态转换模块的输出端连接于所述 第一分压模块和所述第二分压模块之间，所述三态转换模块用于根据状态转换 信号，接入所述第一端、第二端或第三端，以生成输出脉冲信号；

所述第一分压模块并联于所述三态转换模块的第一端和输出端之间，所述 第二分压模块并联于所述三态转换模块的第三端和输出端之间，所述第一分压 模块和所述第二分压模块用于在所述三态转换模块的输出端接入第二端时，通 过分压使所述三态转换模块的输出端输出一零电压信号。

可选地，所述负向电压的绝对值与所述正向电压相等。

可选地，所述第一分压模块至少包括第一阻性元件，所述第二分压模块至 少包括第二阻性元件；

所述第一阻性元件与所述第二阻性元件的阻值相同，所述第一阻性元件的 第一端与所述三态转换模块的第一端相连，所述第一阻性元件的第二端与所述 三态转换模块的输出端相连，所述第二阻性元件的第一端与所述三态转换模块 的输出端相连，所述第二阻性元件的第二端与所述三态转换模块的第三端相连。

第二方面，本发明实施例还提供了一种鉴频鉴相器，包括比相模块和第一 方面任意所述的充电泵电路；

所述比相模块与所述充电泵电路相连，所述比相模块用于根据参考信号和 反馈信号，生成所述状态转换信号。

可选地，所述参考信号和所述反馈信号存在相位差。

可选地，所述状态转换信号是脉冲序列。

可选地，所述参考信号和所述反馈信号之间的相位差，与所述状态转换信 号的脉冲宽度成正比。

可选地，当所述参考信号或所述反馈信号的上升沿或下降沿到来时，所述 比相模块根据预设转换规则生成所述状态转换信号；

所述状态转换信号包括第一状态转换信号和第二状态转换信号。

可选地，所述预设转换规则包括：

当所述第一状态转换信号为低电平，所述第二状态转换信号为高电平，并 且所述参考信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号保持在低电平，所述 第二状态转换信号转换为低电平；

当所述第一状态转换信号和所述第二状态转换信号均为低电平，并且所述 参考信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号转换为高电平，所述第二状 态转换信号保持在低电平；

当所述第一状态转换信号为高电平，所述第二状态转换信号为低电平，并 且所述反馈信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号转换为低电平，所述 第二状态转换信号保持在低电平；

当所述第一状态转换信号和所述第二状态转换信号均为低电平，并且所述 反馈信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号保持在低电平，所述第二状 态转换信号转换为高电平。

第三方面，本发明实施例还提供了一种改进型锁相环电路，包括环路滤波 器、压控振荡器和第二方面任意所述的鉴频鉴相器；

所述环路滤波器串联连接于所述三态转换模块的输出端与所述压控振荡器 之间，所述环路滤波器用于根据所述输出脉冲信号，生成电压控制信号；

所述压控振荡器用于根据所述电压控制信号，调整所述反馈信号的频率和 相位，以使所述参考信号和所述反馈信号的频率及相位保持同步。

本发明实施例所提供的技术方案，在三态转换模块根据状态转换信号接入 第一端时，第一分压模块短路，三态转换模块的输出端输出正向电压；在三态 转换模块根据状态转换信号接入第三端时，第二分压模块短路，三态转换模块 的输出端输出负向电压；当三态转换模块根据状态转换信号接入第二端时，由 于第一供电模块的正极和第二供电模块的负极接地连接，在第一分压模块和第 二分压模块的分压作用下，三态转换模块的输出端输出一零电压信号。由此可 见，本发明实施例克服了现有鉴频鉴相器因泵电路存在一悬空状态，而导致其 静态特性表现为非线性变化，进而对控制系统产生不对称影响，增加控制系统 的设计难度，干扰控制系统的稳态运行，影响控制系统性能的缺陷，有效规避 了泵电路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低控制系统的设 计难度，维持控制系统的稳态运行，以及保障控制系统性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的状态转换图；

图3是本发明实施例提供的一种泵电路与一无源低通滤波器的连接电路图；

图4是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的静态特性示意图；

图5是本发明实施例提供的一种充电泵电路的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种充电泵电路的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的前后端信号传递示意图；

图12是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的静态鉴相特性图；

图13是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的状态转换示意图；

图14是本发明实施例提供的一种改进型锁相环电路的结构示意图；

图15是本发明实施例提供的另一种鉴频鉴相器的前后端信号传递示意图；

图16是本发明实施例对此不进行限制提供的某一段时间内输入鉴频鉴相 器的参考信号和反馈信号，以及鉴频鉴相器输出的输出脉冲信号的相位关系图；

图17是本发明实施例提供的非线性函数mod(x)的输入输出特性图；

图18是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器-充电泵电路-RC积分滤波器 数学模型的相对误差仿真图；

图19是现有线性鉴相模型的相对误差仿真图；

图20是本发明实施例提供的另一种鉴频鉴相器-充电泵电路-RC积分滤波 器数学模型的相对误差仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。

一般来说，现有通用的电荷泵锁相环由鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振 荡器构成，其中，鉴频鉴相器由比相器和泵电路组成。具体地，图1是本发明 实施例提供的一种鉴频鉴相器的结构图，图2是本发明实施例提供的一种鉴频 鉴相器的状态转换图。参见图1和图2，比相器根据输入脉冲信号，按照图2 的状态转换示意图输出不同组合的U和D。另外，由于泵电路可以等效为一三 态电子开关，因而对应于U和D的三种组合(10)、(00)和(01)，泵电路的 输出分别为+V_p、悬空和-V_p。

然而，发明人发现，由于泵电路存在一悬空状态，当泵电路后接无源低通 滤波器时，将导致非线性的鉴相特性。具体而言，图3是本发明实施例提供的 一种泵电路与一无源低通滤波器的连接电路图。参见图3，当三态电子开关位 于1和3时，泵电路具有确定的输出，分别为+V_p和-V_p，但是，当三态电子开 关位于2时，由于无源滤波器的输入端悬空，电容C上的电压V_c将保持不变， 此时泵电路的输出可以等效为V_c。基于此，鉴频鉴相器的平均输出电压V_PFD与 相位误差θ的关系可以表示为：

由于V_c在锁相环工作过程中是持续变化的，因而式(1)为一非线性方程。 基于此，图4是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的静态特性示意图，参见 图4，该鉴频鉴相器在不同工作点处表征为不同的动态特性，即其静态特性表 现为非线性变化。由此可知，将该鉴频鉴相器用于系统控制会对控制系统产生 不对称影响，不仅会增加控制系统的设计难度，还会干扰控制系统的稳态运行， 影响控制系统性能。

针对上述问题，图5是本发明实施例提供的一种充电泵电路的结构示意图。 如图5所示，充电泵电路100包括第一供电模块110、第二供电模块120、三态 转换模块130、第一分压模块140和第二分压模块150。

第一供电模块110的正极与三态转换模块130的第一端S1相连，第一供电 模块110的负极接地，第一供电模块110用于提供正向电压。第二供电模块120 的正极与第一供电模块110的负极相连，第二供电模块120的负极与三态转换 模块130的第三端S3相连，第二供电模块120用于提供负向电压。三态转换模 块130的第二端S2悬空，三态转换模块130的输出端连接于第一分压模块140 和第二分压模块150之间，三态转换模块130用于根据状态转换信号，接入第 一端S1、第二端S2或第三端S3，以生成输出脉冲信号。第一分压模块140并联于三态转换模块130的第一端S1和输出端之间，第二分压模块150并联于三 态转换模块130的第三端S3和输出端之间，第一分压模块140和第二分压模块 150用于在三态转换模块130的输出端接入第二端S2时，通过分压使三态转换 模块130的输出端输出一零电压信号。

其中，为实现在三态转换模块130的输出端接入第二端S2时，三态转换模 块130的输出端输出一零电压信号，第一供电模块110提供的正向电压和第二 供电模块120提供的负向电压，以及第一分压模块140和第二分压模块150的 阻值需要在数值上严格对等。基于此，可选地，负向电压的绝对值与正向电压 相等。可以理解的是，正向电压和负向电压的绝对值可以是任一电压值，示例 性地，正向电压和负向电压的绝对值可以是1.5V等。

可知地，状态转换信号用于控制三态转换模块130适应性接入第一端S1、 第二端S2或第三端S3，进而生成三种不同的输出脉冲信号。可以理解的是， 状态转换信号可以但不限于是数字信号，例如可以是脉冲信号。另外，状态转 换信号以及输出脉冲信号的传输方式可以但不限于是有线传输。

示例性地，本实施例所提供的充电泵电路100的工作原理具体如下所示：

当三态转换模块130根据状态转换信号接入第一端S1时，由于第一供电模 块110的正极经三态转换模块130的第一端S1与三态转换模块130的输出端直 接相连，因而第一分压模块140处于短路状态。此时，电能由第一供电模块110 的正极输出，通过三态转换模块130的第一端S1、三态转换模块130的输出端 和第二分压模块150流入第二供电模块120的负极，进而使得三态转换模块130 的输出端输出正向电压。

当三态转换模块130根据状态转换信号接入第三端S3时，由于第二供电模 块120的负极经三态转换模块130的第三端S3与三态转换模块130的输出端直 接相连，因而第二分压模块150处于短路状态。此时，电能由第一供电模块110 的正极输出，通过第一分压模块140、三态转换模块130的输出端和三态转换 模块130的第三端S3流入第二供电模块120的负极，进而使得三态转换模块 130的输出端输出负向电压。

当三态转换模块130根据状态转换信号接入第二端S2时，电能由第一供电 模块110的正极输出，通过第一分压模块140、三态转换模块130的输出端和第 二分压模块150流入第二供电模块120的负极。此时，由于第一供电模块110 的正极和第二供电模块120的负极接地连接，并且第一分压模块140和第二分 压模块150的阻值严格对等，因而在第一分压模块140和第二分压模块150的 分压作用下，三态转换模块130的输出端电位为零，也即输出一零电压信号。

由此可知，本发明实施例能够解决现有鉴频鉴相器因泵电路存在一悬空状 态，而导致其静态特性表现为非线性变化，进而对控制系统产生不对称影响， 增加控制系统的设计难度，干扰控制系统的稳态运行，影响控制系统性能的问 题，通过设置阻值严格对等的第一分压模块和第二分压模块，以及负向电压的 绝对值与所述正向电压相等，使得泵电路不再存在悬空状态，有效规避了泵电 路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低控制系统的设计难度， 维持控制系统的稳态运行，以及保障控制系统性能。

在上述各实施例的基础上，以下对第一分压模块140和第二分压模块150 的具体设置进行说明，但不作为对本发明的限定。图6是本发明实施例提供的 另一种充电泵电路的结构示意图。如图6所示，可选的，第一分压模块140至 少包括第一阻性元件141，第二分压模块150至少包括第二阻性元件151。

第一阻性元件141与第二阻性元件151的阻值相同，第一阻性元件141的 第一端与三态转换模块130的第一端S1相连，第一阻性元件141的第二端与三 态转换模块的输出端相连，第二阻性元件151的第一端与三态转换模块的输出 端相连，第二阻性元件151的第二端与三态转换模块的第三端S3相连。

其中，图6所示的充电泵电路示例性示出了第一分压模块140包括第一阻 性元件141，并且第二分压模块150包括第二阻性元件151，第一阻性元件141 和第二阻性元件151可以但不限于是电阻。可知地，在第一阻性元件141与第 二阻性元件151的阻值相同时，第一分压模块140和第二分压模块150的阻值 相同。基于此，当三态转换模块130根据状态转换信号接入第二端S2时，在第 一分压模块140和第二分压模块150的共同分压下，三态转换模块130的输出 端适应性输出一零电压信号，使得泵电路不再存在悬空状态，有效规避了泵电 路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低控制系统的设计难度， 维持控制系统的稳态运行，保障控制系统性能。

可以理解的是，第一分压模块140和第二分压模块150还可以包括阻值、 数量或连接关系等参数不完全相同的多个阻性元件，下面进行具体说明：

示例性地，图7是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图。 如图7所示，第一分压模块140可以包括相互串联的电阻R1和电阻R2，第二 分压模块150可以包括相互串联的电阻R3和电阻R4，电阻R1、电阻R2、电 阻R3和电阻R4的阻值均可以为3Ω。在一些实施例中，电阻R1的阻值可以为 1Ω，电阻R2的阻值可以为4Ω，电阻R3的阻值可以为2Ω，电阻R4的阻值可 以为3Ω。

示例性地，图8是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图。 如图8所示，第一分压模块140可以包括电阻R5、电阻R6和电阻R7，电阻 R5和电阻R6并联后与电阻R7串联，电阻R5、电阻R6和电阻R7的阻值均可 以为4Ω；第二分压模块150可以包括相互串联的电阻R8、电阻R9和电阻R10， 电阻R8、电阻R9和电阻R10的阻值均可以为2Ω。

示例性地，图9是本发明实施例提供的又一种充电泵电路的结构示意图。 如图9所示，第一分压模块140可以包括电阻R11、电阻R12和电阻R13，电 阻R11和电阻R12并联后与电阻R13串联，电阻R11、电阻R12和电阻R13 的阻值可以均可以为2Ω；第二分压模块150可以包括电阻R14，电阻R14的阻 值可以为3Ω。

综上所述，无论第一分压模块和第二分压模块包含的阻性元件的阻值、数 量或连接关系等参数是否相同，当第一分压模块和第二分压模块的阻值相同， 三态转换模块根据状态转换信号接入第二端时，在第一分压模块和第二分压模 块的共同分压下，三态转换模块的输出端能够适应性输出一零电压信号，使得 泵电路不再存在悬空状态，有效规避了泵电路悬空状态下对控制系统产生的不 对称影响，有利于降低控制系统的设计难度，维持控制系统的稳态运行，保障 控制系统性能。

在上述各实施例的基础上，图10是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的 结构示意图。如图10所示，鉴频鉴相器300包括比相模块200和本发明任一实 施例所述的充电泵电路100。比相模块200与充电泵电路100相连，比相模块 200用于根据参考信号和反馈信号，生成状态转换信号。

其中，比相模块200可以但不限于是数字比相器。可知地，参考信号和反 馈信号可以是数字信号，示例性地，参考信号和反馈信号均可以为脉冲信号。 可选地，参考信号和反馈信号存在相位差，状态转换信号是脉冲序列，并且参 考信号和反馈信号之间的相位差，与状态转换信号的脉冲宽度成正比。可以理 解的是，三态转换模块130根据状态转换信号生成的输出脉冲信号，也即鉴频 鉴相器300的输出信号，可以包含有参考信号和反馈信号的频率误差和相位误 差等信息。除此以外，参考信号可以由脉冲发生器生成，反馈信号可以由脉冲 传感器生成。

基于此，示例性地，图11是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的前后端 信号传递示意图。参见图11，模拟参考信号ω_i’经脉冲传感器转换为参考信号ω_i， 模拟反馈信号ω₀’经脉冲发生器转换为反馈信号ω₀，比相模块200根据输入的参 考信号ω_i和反馈信号ω₀生成状态转换信号U’和D’，充电泵电路100依据状态 转换信号U’和D’生成输出脉冲信号ω_PFD。其中，模拟参考信号ω_i’、模拟反馈 信号ω₀’和输出脉冲信号ω_PFD均为模拟量，状态转换信号U’和D’，参考信号ω_i以及反馈信号ω₀均为数字量。

可以理解的是，继续参见图6，本发明实施例所提供的充电泵电路的输出 方程如下：

式中，V₁表示三态转换模块130接入第一端S1时充电泵电路100的输出电 压，V₂表示三态转换模块130接入第二端S2时充电泵电路100的输出电压， V₃表示三态转换模块130接入第三端S3时充电泵电路100的输出电压，V_GND表示接地电压，V_p表示第一供电模块110的输出电压。

将式(2)代入式(1)，可得包含本发明实施例所提供的充电泵电路的鉴频 鉴相器的输出特性为：

V_PFD＝k_pθ(-2π≤θ≤2π) (3)

式中，k_p＝V_p/2π，k_p即为鉴频鉴相器300的鉴相增益，θ表示相位误差，V_PFD表示鉴频鉴相器300的平均输出电压。

根据式(3)，图12是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的静态鉴相特性 图，参见图12，可知地，本发明实施例消除了由于泵电路存在的悬空状态而导 致的静态鉴相非线性，进而有效规避了泵电路悬空状态下对控制系统产生的不 对称影响，有利于降低控制系统的设计难度，维持控制系统的稳态运行，保障 控制系统性能。

在上述各实施例的基础上，以下对比相模块200生成状态转换信号的方式 进行说明，但不作为对本发明的限定。可选地，当参考信号或反馈信号的上升 沿或下降沿到来时，比相模块200根据预设转换规则生成状态转换信号。状态 转换信号包括第一状态转换信号和第二状态转换信号。

其中，预设转换规则的设置方式可以是比相模块200的初始设置，或者可 以是依据鉴频鉴相器300的具体应用场景进行设置。可知地，第一状态转换信 号和第二状态转换信号均可以是脉冲序列。

具体而言，以参考信号和反馈信号的上升沿为例，继续参见图2，可选地， 预设转换规则包括：

当第一状态转换信号为低电平，第二状态转换信号为高电平，并且参考信 号的上升沿到来时，第一状态转换信号保持在低电平，第二状态转换信号转换 为低电平；当第一状态转换信号和第二状态转换信号均为低电平，并且参考信 号的上升沿到来时，第一状态转换信号转换为高电平，第二状态转换信号保持 在低电平；当第一状态转换信号为高电平，第二状态转换信号为低电平，并且 反馈信号的上升沿到来时，第一状态转换信号转换为低电平，第二状态转换信 号保持在低电平；当第一状态转换信号和第二状态转换信号均为低电平，并且 反馈信号的上升沿到来时，第一状态转换信号保持在低电平，第二状态转换信 号转换为高电平。

示例性地，图13是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器的状态转换示意图。 参见图13，在一些实施例中，预设转换规则还可以是：

当第一状态转换信号为低电平，第二状态转换信号为高电平，并且参考信 号的下降沿到来时，第一状态转换信号保持在低电平，第二状态转换信号转换 为低电平；当第一状态转换信号和第二状态转换信号均为低电平，并且参考信 号的上下降沿到来时，第一状态转换信号转换为高电平，第二状态转换信号保 持在低电平；当第一状态转换信号为高电平，第二状态转换信号为低电平，并 且反馈信号的下降沿到来时，第一状态转换信号转换为低电平，第二状态转换 信号保持在低电平；当第一状态转换信号和第二状态转换信号均为低电平，并 且反馈信号的下降沿到来时，第一状态转换信号保持在低电平，第二状态转换 信号转换为高电平。

可以理解的是，在一些实施例中，预设转换规则还可以是当上升沿和下降 沿到来时，第一状态转换信号和第二状态转换信号进行的高低电平转换，也即 双边沿触发的预设转换规则。上述双边沿触发的预设转换规则可以根据鉴频鉴 相器300的实际应用场景进行适应性调整，在此不再赘述。

综上，由于本发明实施例提供的泵电路不再存在悬空状态，因而鉴频鉴相 器能够有效规避泵电路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利于降低 控制系统的设计难度，维持控制系统的稳态运行，保障控制系统性能。

在上述各实施例的基础上，图14是本发明实施例提供的一种改进型锁相环 电路的结构示意图。如图14所示，改进型锁相环电路600包括环路滤波器400、 压控振荡器500和本发明任一实施例所述的鉴频鉴相器300。

环路滤波器400串联连接于三态转换模块130的输出端与压控振荡器500 之间，环路滤波器400用于根据输出脉冲信号，生成电压控制信号。压控振荡 器500用于根据电压控制信号，调整反馈信号的频率和相位，以使参考信号和 反馈信号的频率及相位保持同步。

其中，环路滤波器400可以但不限于是低通滤波器、高通滤波器、带通滤 波器或带阻滤波器，示例性地，环路滤波器400可以是RC积分滤波器、无源 比例积分滤波器或有源比例积分滤波器等。另外，压控振荡器500可以但不限 于是LC振荡器或环形振荡器，可知地，压控振荡器500的制造工艺有多种， 例如可以是CMOS工艺、BiCMOS工艺以及GaAs工艺。

示例性地，将低通滤波器，例如RC积分滤波器作为环路滤波器400，图 15是本发明实施例提供的另一种鉴频鉴相器的前后端信号传递示意图。参见图 15，模拟参考信号ω_i’经脉冲传感器转换为参考信号ω_i，模拟反馈信号ω₀’经脉冲 发生器转换为反馈信号ω₀，比相模块200根据输入的参考信号ω_i和反馈信号ω₀生成状态转换信号U’和D’，充电泵电路100依据状态转换信号U’和D’生成输 出脉冲信号ω_PFD，输出脉冲信号ω_PFD经RC积分滤波器生成一电压控制信号V_c’。 其中，电压控制信号V_c’为模拟量。

综上，由于本发明实施例提供的泵电路不再存在悬空状态，因而改进型锁 相环电路能够有效规避泵电路悬空状态下对控制系统产生的不对称影响，有利 于降低控制系统的设计难度，维持控制系统的稳态运行，保障控制系统性能。

需要说明的是，继续参见图15，本发明实施例还提供了一种鉴频鉴相器- 充电泵电路-RC积分滤波器的数学模型。经发明人验证，在稳态鉴相阶段，本 发明实施例提供的数学模型和现有鉴相模型的精度基本相同，但在动态鉴频阶 段，现有鉴相模型已然不再适用，而本发明实施例给出的数学模型仍能保持较 高的模型精度，下面首先对上述数学模型的建立过程进行具体说明。

可知地，θ表示参考信号和反馈信号之间的相位误差。由于在θ≥0和θ＜0 时电路的工作状态有所不同，因此建模时也适应性分为两种情况。首先讨论θ≥0 的情况，这时环路处于正向鉴频状态，即ω_i＞ω₀，以参考信号的周期T_i为标准， 分析脉冲的时序精度较高。根据鉴频鉴相器的逻辑功能，假设某一段时间内输 入鉴频鉴相器的参考信号和反馈信号，以及鉴频鉴相器输出的输出脉冲信号的 相位关系如图16所示，参见图16，图中各时间变量满足以下关系：

t₁+t₂＝T_i (4)

继续参见图16，由于初始时刻的鉴频鉴相器输出为V_PFD＝V_GND＝0，所以一 个周期的起点从A开始，经过B到C点结束。可知地，在一个T_i内，鉴频鉴相器 的输出改变了两次：在t₁时段内，三态转换模块的输出端与三态转换模块的第二 端相连，输出电压为0V，RC积分滤波器的电容通过充电泵电路放电；在t₂时段 内，三态转换模块的输出端与三态转换模块的第一端相连，输出电压为+V_p，充 电泵电路对RC积分滤波器的电容充电；在该周期结束后，鉴频鉴相器输出的输 出脉冲信号再次回到V_GND。此外，电压控制信号V_c’的波形如图16所示。

根据电路理论，RC积分滤波器在初始条件为

并且输入为 u_i(t)＝A·1(t-t₀)时的输出为：

当满足t-t₀＜＜τ_f时，式(6)可线性化为：

根据式(7)可以计算出图16中的各点电压为：

V_c1＝V_c0(1-t₁/τ_f) (8)

V_c2＝V_c1(1-t₂/τ_f)+V_pt₂/τ_f (9)

将式(8)代入(9)，并注意到

是t₁/τ_f或t₂/τ_f的高价无穷小，式(9) 可用V_c0表示为：

则在一个T_i时间内V_c’(t)的平均值为：

将式(8)和式(9)代入式(11)，可将

用该周期的初始值表示为：

则在第n和第n+1个T_i周期内

的平均值分别为：

式(13)和式(14)中的初始值V_c0(n)和V_c0(n+1)满足以下关系：

由式(13)解出V_c0(n)：

将式(16)代入式(15)：

考虑到

将式(17)代入式(14)，并略去高阶无穷小， 可得以T_i为周期的RC积分滤波器的输出电压的递推公式为：

将式(5)带入式(18)，并作适当的变形，可得：

当参考信号的频率远超出环路带宽时，相当于T_i→0成立，对式(19)取 T_i→0的极限，并考虑到下面等式成立：

可得RC积分滤波器电容的电压为：

式(23)中，θ∈[0,2π)，当θ≥2π时，应该对式中的θ以2π取模，定义一 非线性函数mod(x)：

可知地，mod(x)的输入输出特性如图17所示，则式(23)中的θ应改为mod(θ) 的形式：

而当θ≤0时，环路处于负向鉴频状态，即ω_i＜ω_o，此时以反馈信号的周期T_o为标准分析脉冲的时序精度较高。与正向鉴频状态分析方法相似，可得RC积分 滤波器电容的电压为：

式(26)中θ∈(-2π,0]，与正向鉴频状态相似，当θ≤-2π时，应将式中的θ 换成mod(x)：

由此可见，如图15所示，在鉴频鉴相器的前后端信号传递过程中，频率和 相位误差也进行了传递，当参考信号频率和反馈信号频率远大于RC积分滤波器 带宽时，上述频率及相位误差传递环节的动态特性可用式(28)表示：

可以理解的是，在上述数学模型的推导过程中，本发明实施例根据参考信 号和反馈信号的时序关系，以及鉴频鉴相器的逻辑功能推得了RC积分滤波器的 电容电压表达式，但并没有限制鉴频鉴相器必须工作于某特定阶段，例如鉴频 或鉴相阶段。基于此，本发明实施例所提供的数学模型能够适用于鉴频鉴相器 近乎全部的工作情况。

在上述数学模型的基础上，发明人通过仿真试验进一步验证了上述数学模 型的优越性，具体如下：

在鉴相阶段，θ∈(-2π,2π)，当速度误差很小时，|ω|/ω_i≈0，此时式(28) 可以简化为：

可知地，式(29)是一线性微分方程，对其进行拉氏变换，可得到以下形 式：

式(30)可看作是增益k_p和低通滤波器的串联，与现有普遍采用的线性鉴 相模型一致，而线性鉴相模型则可认为是式(28)在平衡点附近忽略高阶项的 线性化表示。

为了验证式(28)的正确性，对本发明实施例所提供的数学模型即式(28)， 以及现有线性鉴相模型即式(29)进行仿真。设定RC积分滤波器的时间常数 τ_f＝20ms，则图18是本发明实施例提供的一种鉴频鉴相器-充电泵电路-RC积分 滤波器数学模型的相对误差仿真图，图19是现有线性鉴相模型的相对误差仿真 图。

参见图18和图19，在稳态鉴相阶段，两个模型的精度基本相同，说明本发 明实施例给出的数学模型在鉴相阶段可以转化为现有通常的鉴相模型；在动态 鉴频阶段，现有的鉴相模型已不再适用，然而，本发明实施例提供的数学模型 仍能保持较高的精度。

此外，发明人还发现，相对误差可以通过增大滤波器的时间常数，以及增 加脉冲频率的方法进一步抑制。示例性地，设定RC积分滤波器的时间常数 τ_f＝35ms，图20是本发明实施例提供的另一种鉴频鉴相器-充电泵电路-RC积分 滤波器数学模型的相对误差仿真图。如图20所示，与图18相比，鉴频鉴相器-充 电泵电路-RC积分滤波器数学模型的精度得到明显改善，频率捕捉阶段的不确定 误差进一步得到抑制，鉴相阶段的误差也显著减少。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种充电泵电路，其特征在于，包括第一供电模块、第二供电模块、三态转换模块、第一分压模块和第二分压模块；

所述第一供电模块的正极与所述三态转换模块的第一端相连，所述第一供电模块的负极接地，所述第一供电模块用于提供正向电压；

所述第二供电模块的正极与所述第一供电模块的负极相连，所述第二供电模块的负极与所述三态转换模块的第三端相连，所述第二供电模块用于提供负向电压；

所述三态转换模块的第二端悬空，所述三态转换模块的输出端连接于所述第一分压模块和所述第二分压模块之间，所述三态转换模块用于根据状态转换信号，接入所述第一端、第二端或第三端，以生成输出脉冲信号；

所述第一分压模块并联于所述三态转换模块的第一端和输出端之间，所述第二分压模块并联于所述三态转换模块的第三端和输出端之间，所述第一分压模块和所述第二分压模块用于在所述三态转换模块的输出端接入第二端时，通过分压使所述三态转换模块的输出端输出一零电压信号。

2.根据权利要求1所述的充电泵电路，其特征在于，所述负向电压的绝对值与所述正向电压相等。

3.根据权利要求1所述的充电泵电路，其特征在于，所述第一分压模块至少包括第一阻性元件，所述第二分压模块至少包括第二阻性元件；

所述第一阻性元件与所述第二阻性元件的阻值相同，所述第一阻性元件的第一端与所述三态转换模块的第一端相连，所述第一阻性元件的第二端与所述三态转换模块的输出端相连，所述第二阻性元件的第一端与所述三态转换模块的输出端相连，所述第二阻性元件的第二端与所述三态转换模块的第三端相连。

4.一种鉴频鉴相器，其特征在于，包括比相模块和权利要求1-3任一项所述的充电泵电路；

所述比相模块与所述充电泵电路相连，所述比相模块用于根据参考信号和反馈信号，生成所述状态转换信号。

5.根据权利要求4所述的鉴频鉴相器，其特征在于，所述参考信号和所述反馈信号存在相位差。

6.根据权利要求4所述的鉴频鉴相器，其特征在于，所述状态转换信号是脉冲序列。

7.根据权利要求5和6所述的鉴频鉴相器，其特征在于，所述参考信号和所述反馈信号之间的相位差，与所述状态转换信号的脉冲宽度成正比。

8.根据权利要求4所述的鉴频鉴相器，其特征在于，当所述参考信号或所述反馈信号的上升沿或下降沿到来时，所述比相模块根据预设转换规则生成所述状态转换信号；

所述状态转换信号包括第一状态转换信号和第二状态转换信号。

9.根据权利要求8所述的鉴频鉴相器，其特征在于，所述预设转换规则包括：

当所述第一状态转换信号为低电平，所述第二状态转换信号为高电平，并且所述参考信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号保持在低电平，所述第二状态转换信号转换为低电平；

当所述第一状态转换信号和所述第二状态转换信号均为低电平，并且所述参考信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号转换为高电平，所述第二状态转换信号保持在低电平；

当所述第一状态转换信号为高电平，所述第二状态转换信号为低电平，并且所述反馈信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号转换为低电平，所述第二状态转换信号保持在低电平；

当所述第一状态转换信号和所述第二状态转换信号均为低电平，并且所述反馈信号的上升沿到来时，所述第一状态转换信号保持在低电平，所述第二状态转换信号转换为高电平。

10.一种改进型锁相环电路，其特征在于，包括环路滤波器、压控振荡器和权利要求4-9任一项所述的鉴频鉴相器；

所述环路滤波器串联连接于所述三态转换模块的输出端与所述压控振荡器之间，所述环路滤波器用于根据所述输出脉冲信号，生成电压控制信号；

所述压控振荡器用于根据所述电压控制信号，调整所述反馈信号的频率和相位，以使所述参考信号和所述反馈信号的频率及相位保持同步。

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