CN1859006A - 一种模拟锁相环实现保持功能的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟锁相环实现保持功能的系统和方法，涉及通信技术领域。一种模拟锁相环实现保持功能的系统包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，还包括连接在环路滤波器与压控振荡器之间的保持电路；保持电路从环路滤波器的输出端采集控制电压，并进行相应处理，给定压控振荡器的输入信号。对应的方法为：鉴相器对接收到的参考信号和反馈信号的相位进行比较，输出误差信号给环路滤波器；环路滤波器根据所述的误差信号输出相应控制电压；保持电路采集并处理所述的控制电压，给定压控振荡器的输入信号；在本发明中，当参考源丢失或者劣化的时候，整个锁相环的输出不会被拉偏，即锁相环具有“保持”功能；提高了锁相环输出的可靠性。
Description
[技术领域]
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种模拟锁相环实现保持功能的系统和方法。
[背景技术]
模拟锁相环是通信电子电路中应用比较广泛的一种锁相环。目前锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环两类，模拟锁相环是通过调节电压来改变振荡回路的电容，以达到改变频率的目的，数字锁相环则是通过调节分频比(增、减脉冲)的方法来调节频率。
目前比较通用的模拟锁相环如图1所示。它是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个基本部件依次串联组成的，其中压控振荡器的输出端与鉴相器的反馈端相连接构成了一个反馈回路。下面分别介绍基本部件在环路中的作用。
鉴相器是一个相位比较装置，用来比较参考信号Vi(t)与反馈信号相位Vo(t)之间的相位差θe(t)，输出误差信号Ud(t)。其中，输出的误差信号Ud(t)是相差信号θe(t)的函数。
环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路，在时域分析中可用一个传输算子F(P)来表示。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。
压控振荡器是一个电压/频率的变换装置，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率随输入控制电压Uc(t)线性变化，所以压控振荡器在锁相环路中是一个积分环节。
锁相环路是一个闭环的相位控制单元，鉴相器比较参考信号和压控振荡器输出信号(反馈信号)之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与参考信号同频。在环路开始工作时，通常参考信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的。由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必不断地变化，进而使得压控振荡器的频率也就在相应的范围之内变化。若压控振荡器的频率与参考信号的频率相等，压控振荡器便在这个频率上稳定下来。达到稳定以后，参考信号和压控振荡器输出信号之间的频率相同，相位差不再随时间的变化而变化，此时误差控制电压为一固定值，环路就进入所谓“锁定”状态。
为了更有利于鉴相器对参考信号和反馈信号进行相位比较，需要在反馈回路中串联一个分频器。分频器的作用是将反馈信号的频率通过分频达到与参考信号一致的频率，只有反馈信号和参考信号的频率相同，才能参与鉴相。一般来说参与鉴相的参考信号的频率都比压控振荡器的输入频率低。当然如果参与鉴相的参考信号的频率与反馈信号的频率相同则无须分频了，直接作为反馈。
在现有技术中，使用分离器件组建模拟锁相环，相对于单片集成的锁相环，具有电路灵活，性能指标高，电路成本低的优点，而且能实现一些现有集成锁相环不能实现的功能，例如：可以灵活的调节环路带宽和阻尼系数，由于锁相环为分离器件组建，所以通过调整外围器件的取值来调节环路带宽和阻尼系数，这样就使锁相环具有不同的滤波特性，所以分离器件组建的模拟锁相环在现在的电路设计中应用广泛，其具体的系统框图如图2所示，工作原理如下：
鉴相器检测参考信号的相位与反馈信号的相位之间的相位差，输出的两个控制电平分别输入到有源低通比例积分滤波器的正极和负极，有源低通比例积分滤波器输出控制电压调整压控振荡器的输出，此输出经过分频器的N分频作为反馈信号进入鉴相器参与鉴相。
在这个方案中，鉴相器和分频器可以在逻辑器件中实现，如现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable Gate Array)、复杂可编程逻辑器件(CPLD：ComplexProgrammable Logical Device)或者可擦编程逻辑器件(EPLD：Erasable ProgrammableLogic Device)，有源低通比例积分滤波器可以通过运算放大器及外围电路实现。
在正常锁定的情况下，锁相环是一个闭环系统，有源低通滤波器输出的电压是一个稳定的电压，这时压控振荡器的输出的频率也很稳定，处于锁定状态。但当输入的参考信号丢失或者劣化的时候，锁相环会处于失锁状态，有源低通滤波器的输出会从一个稳定的电压变成一个不确定的电压，这个电压使压控振荡器输出一个极偏的频率，导致输出频率不可用。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟锁相环实现保持功能的系统和方法，当锁相环输入参考源丢失或者劣化时，使锁相环进入“保持”模式，即让压控振荡器继续输出正常跟踪状态时记忆的频率，这样在参考源的丢失或者劣化时，锁相环输出的频率不会产生跳变，提高了锁相环输出的可靠性。
本发明是通过下面的技术方案来实现的：
一种模拟锁相环实现保持功能的系统，包括：
鉴相器，其接收参考信号和反馈信号，并比较这两个信号的相位，输出误差信号；
与鉴相器的输出端相连接的环路滤波器，其接收所述误差信号，输出相应的控制电压；
与环路滤波器的输出端相耦合的压控振荡器，其输出端通过反馈回路与鉴相器的反馈端相耦合；
还包括连接在环路滤波器与压控振荡器之间的保持电路，所述保持电路从环路滤波器的输出端采集控制电压，并进行相应处理，给定压控振荡器的输入信号。
本发明的进一步改进在于：还包括分频器，所述分频器串联接在压控振荡器的输出端与鉴相器的反馈端之间的反馈回路上。
本发明的进一步改进在于：所述保持电路包括A/D转换器、D/A转换器、控制单元和开关单元；环路滤波器的输出端通过A/D转换器与控制单元的输入端相连接；环路滤波器的输出端通过开关单元的第一输入端及输出端与压控振荡器的输入端相连接；所述控制单元的第一输出端通过D/A转换器与开关单元的第二输入端相连接；所述控制单元的第二输出端与开关单元的控制端相连接。
本发明的进一步改进在于：所述控制单元包括处理器和存储器，存储器分别与处理器、所述A/D转换器和D/A转换器连接，处理器连接所述开关单元的控制端。
本发明的进一步改进在于：所述环路滤波器为RC积分滤波器、无源比例积分滤波器或者有源比例积分滤波器。
本发明的进一步改进在于：所述压控振荡器为晶体压控振荡器、LC压控振荡器或者压控多谐振振荡器。
本发明的进一步改进在于：所述开关单元为软开关或者硬开关。
一种模拟锁相环实现保持功能的方法，包括以下步骤：
801、鉴相器对接收到的参考信号和反馈信号的相位进行比较，输出误差信号给环路滤波器，环路滤波器根据所述的误差信号输出相应控制电压；
802、保持电路采集并处理所述的控制电压，进而给定压控振荡器的输入信号。
步骤802进一步包括：
若整个系统处于“锁定”的状态，则环路滤波器输出的控制电压直接作为压控振荡器的控制电压；
若参考信号丢失或者劣化，则压控振荡器的控制电压由保持电路来提供。
1001、A/D转换器从环路滤波器的输出端采集控制电压，并把控制电压值保存在存储器中；
1002、处理器运算得出一个周期内的平均控制电压值，并把该平均控制电压值与至少一个新采集到的控制电压值进行比较；
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n等于预设值时，则处理器输出控制信号到开关单元，断开环路滤波器与压控振荡器之间通路，同时接通D/A转换器与压控振荡器之间的通路；
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n小于预设值时，则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号；
若所产生的差值都在预设的误差范围内，则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号；
所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n等于预设值时，则存储器不存储该新采集到的控制电压值，同时存储器中存储的平均控制电压值经D/A转换器转换后，通过开关单元输入到压控振荡器的输入端。
所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n小于预设值时，则存储器中不存储该新采集到的控制电压值，同时重新对n进行计数。
所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值都在预设的误差范围内，则新采集的控制电压值实时替换掉存储器中存储时间最长的控制电压值，同时处理器实时运算出控制电压新的平均值替换旧的平均值，并保存在存储器中。
由于采用了以上的技术方案，当参考源丢失或者劣化的时候，整个锁相环的输出不会被拉偏，即锁相环具有“保持”功能；可以调整一个周期的时间长短及该周期内对控制电压的采集次数和设置误差范围的大小，提高了锁相环在具体场合下应用的自由度；可以根据实际的应用，选择当参考源劣化到什么地步切换到“保持”态；提高了锁相环输出的可靠性。
[附图说明]
图1是模拟锁相环的基本构成图。
图2是现有技术中模拟锁相环的系统框图。
图3是本发明模拟锁相环的系统框图。
图4是本发明模拟锁相环实现保持功能的方法流程图。
[具体实施方式]
如图3所示，本发明的系统框图是在现有技术的基础之上，增加了一个保持电路，即图中的虚线框部分。
该系统包括：鉴相器、环路滤波器、保持电路和压控振荡器；
其中，鉴相器接收参考信号和从压控振荡器输出端输出的反馈信号，并比较这两个信号的相位，输出误差信号给环路滤波器；为了使参考信号与反馈信号的频率一致，还需要在压控振荡器与鉴相器之间的反馈回路中串入一个分频器；
环路滤波器与鉴相器的输出端相连接，环路滤波器根据所接收到的误差信号，输出相应的控制电压；
保持电路串联在环路滤波器与压控振荡器之间，其对所述的控制电压进行采集，并经过相应处理，给定压控振荡器的输入信号；
压控振荡器根据其输入端接收到的输入信号，相应输出一定频率的信号，作为整个系统的输出。
所述保持电路包括A/D转换器、D/A转换器、处理器、存储器和开关单元；环路滤波器的输出端通过A/D转换器与存储器相连接；环路滤波器的输出端通过开关单元的第一输入端及输出端与压控振荡器的输入端相连接；处理器和存储器相互连接；所述存储器依次通过D/A转换器、开关单元的第二输入端及输出端与压控振荡器的输入端相连接；所述处理器与开关单元的控制端相连接。
若整个系统处于“锁定”的状态，则环路滤波器输出的控制电压通过开关单元直接作为压控振荡器的输入信号；若参考信号丢失或者劣化，则处理器会输出一个相应的控制信号给开关单元，开关单元立即断开环路滤波器与压控振荡器之间的通路，同时接通D/A转换器与压控振荡器之间的通路，此时压控振荡器的控制电压由保持电路来提供。
所述环路滤波器是一个线性电路，可以采用RC积分滤波器、无源比例积分滤波器或者有源比例积分滤波器来实现本发明的目的。
所述压控振荡器为晶体压控振荡器、LC压控振荡器或者压控多谐振振荡器。其中，晶体振荡器频率稳定度最高，但是它的频率控制范围小，控制特性的线性最差，控制灵敏度也最低；压控多谐振荡器尽管频率稳定度最差，且只能产生方波，但它可控范围最大、线性度最好，控制灵敏度最高；LC压控振荡器的性能介于两者之间。这些压控振荡器相互代替都可以实现本发明的目的。
所述开关单元为软开关或者硬开关，硬开关如：继电器开关等。
要实现对锁相环的保持功能，首先必须确定锁相环的输出处于稳定的状态，一般来说有两种方案：一种是可以通过对输入参考源的测量来确认锁相环是否稳定；另一种是可以通过对锁相环的输出进行测量来确认是否稳定；前一种方案可以通过专门的时钟测试仪器(如示波器、频率计、时间间隔分析仪)或者测试电路(集成在另一个模块中，为通信设备的一部分)对输入参考源进行测量，例如测试得到参考源的频率偏差在某个正常的范围内，则认为锁相环处于稳定的状态；后一种方案同样可以通过专门的时钟测试仪器或者测试电路测量，例如测试到的锁相环输出频偏在某个正常的范围内，则也认为锁相环处于稳定的状态。
锁相环处于正常输出状态时，如图4所示，本发明具体的实现方法如下：
鉴相器对接收到的参考信号和反馈信号的相位进行比较，输出误差信号给环路滤波器；环路滤波器根据所述的误差信号相应输出控制电压；
在一个周期内，A/D转换器从环路滤波器的输出端采集M个控制电压，并把这M个控制电压值保存在存储器中；处理器运算得出一个周期内的平均控制电压值，保存在存储器当中，并把该平均控制电压值与至少一个新采集到的控制电压值进行比较；
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围(该预设的误差范围保存在存储器中)内，且n等于预设值(n为整数)时(参考信号丢失或者劣化)，则处理器给开关单元输出断开环路滤波器与压控振荡器之间通路并接通D/A转换器与压控振荡器之间通路的控制信号，此时，存储器不存储该n个新采集到的控制电压值，同时存储器中存储的平均控制电压值经D/A转换器转换后，通过开关单元输入到压控振荡器的输入端，此时，加在压控振荡器输入端的控制电压值为：在参考信号丢失或者劣化前，存储器中所存储的平均控制电压值经D/A转换后的模拟值。
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，但n小于预设值，此时，锁相环可能受到时钟干扰，但不至于引起锁相环失锁，仍然认为系统处于稳定输出的状态；则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号；同时重新对n进行计数，并且不把与之对应的这些采集到的控制电压值保存在存储器中。
若所产生的差值都在预设的误差范围内，即系统本身处于稳定输出的状态；则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号；此时，新采集的控制电压值实时替换掉存储器中存储时间最长的控制电压值，采用先进先出的方式存储这些合理的数据，同时处理器实时运算出控制电压新的平均值替换旧的平均值，并保存在存储器中，实时更新。
更具体实现过程如下：
当锁相环处于锁定后，输出信号的频率是稳定的，控制电压也是稳定的电压，这时如果以Y秒为一个周期，其每隔A秒采集一次电压的话，则一个周期内就有M＝Y/A个电压值储存在缓冲区内，这M个电压值是非常相近的，但也不可能都是一模一样的，我们把这M个电压植的平均值X作为所谓的“好值”，每隔A秒就有一个新值被采集到，这个值会与X作比较，如果相差无几(相差多少为正常根据实际情况定，即对差值的误差范围进行设定)则认为此值仍然为好值，锁相环依然正常，此时将此值放入缓冲区末端，将缓冲区第一个值移出，同时X值也更新；如果相差较大(根据实际应用定这个范围)则认为此值是个坏值，此时不将此值放入缓冲区，X值也不更新，如果这种情况持续了不到n次就恢复了，则认为不是时钟的劣化，不足以引起锁相环的失锁；如果这种情况持续了n次，则可以判断不是时钟的干扰，而是时钟中断或者劣化了，锁相环即将失锁，这时可以将X作为控制电压控制压控振荡器。
由于锁相环电路多用于通信设备中，通信设备是由多个功能电路模块集成的，各电路模块之间存在电路的互连互通，在通信设备的内部和外部有可能存在一些不确定的干扰源，对这些干扰源处理的不当就会使时钟受到干扰，例如电源系统不稳定、附近有较强的电磁辐射源、雷击等等，这些都有可能使输入的参考信号受到影响。
所述的误差范围是可以调节的，或宽或窄；采集周期的时间长短也是可以调节的，或长或短；每个采集周期内对控制电压的采集次数M也是可调的，或大或小；所产生的差值连续超出误差范围的个数的预设值也是可以调节的，或大或小；这就要根据具体的应用场合来定。在不同场合下对锁相环的稳定性的要求是不太相同的，因此上述所涉及到的参数设置成可调节的，有利于本发明更好地被应用到各个场合。
Claims (13)
1、一种模拟锁相环实现保持功能的系统，包括：
鉴相器，其接收参考信号和反馈信号，并比较这两个信号的相位，输出误差信号；
与鉴相器的输出端相连接的环路滤波器，其接收所述误差信号，输出相应的控制电压；
与环路滤波器的输出端相耦合的压控振荡器，其输出端通过反馈回路与鉴相器的反馈端相耦合；
其特征在于：还包括连接在环路滤波器与压控振荡器之间的保持电路，所述保持电路从环路滤波器的输出端采集控制电压，并进行相应处理，给定压控振荡器的输入信号。
2、根据权利要求1所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：还包括分频器，所述分频器串联接在压控振荡器的输出端与鉴相器的反馈端之间的反馈回路上。
3、根据权利要求1或者2所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：所述保持电路包括A/D转换器、D/A转换器、控制单元和开关单元；环路滤波器的输出端通过A/D转换器与控制单元的输入端相连接；环路滤波器的输出端通过开关单元的第一输入端及输出端与压控振荡器的输入端相连接；所述控制单元的第一输出端通过D/A转换器与开关单元的第二输入端相连接；所述控制单元的第二输出端与开关单元的控制端相连接。
4、根据权利要求3所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：所述控制单元包括处理器和存储器，存储器分别与处理器、所述A/D转换器和D/A转换器连接，处理器连接所述开关单元的控制端。
5、根据权利要求3所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：所述环路滤波器为RC积分滤波器、无源比例积分滤波器或者有源比例积分滤波器。
6、根据权利要求3所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：所述压控振荡器为晶体压控振荡器、LC压控振荡器或者压控多谐振振荡器。
7、根据权利要求3所述的模拟锁相环实现保持功能的系统，其特征在于：所述开关单元为软开关或者硬开关。
8、一种模拟锁相环实现保持功能的方法，包括以下步骤：
801、鉴相器对接收到的参考信号和反馈信号的相位进行比较，输出误差信号给环路滤波器，环路滤波器根据所述的误差信号输出相应控制电压；
802、保持电路采集并处理所述的控制电压，进而给定压控振荡器的输入信号。
9、根据权利要求8所述的模拟锁相环实现保持功能的方法，其特征在于，所述步骤802进一步包括：
若整个系统处于“锁定”的状态，则环路滤波器输出的控制电压直接作为压控振荡器的控制电压；
若参考信号丢失或者劣化，则压控振荡器的控制电压由保持电路来提供。
10、根据权利要求9所述的模拟锁相环实现保持功能的方法，其特征在于，进一步包括：
1001、A/D转换器从环路滤波器的输出端采集控制电压，并把控制电压值保存在存储器中；
1002、处理器运算得出一个周期内的平均控制电压值，并把该平均控制电压值与至少一个新采集到的控制电压值进行比较；
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n等于预设值时，则处理器输出控制信号到开关单元，断开环路滤波器与压控振荡器之间通路，同时接通D/A转换器与压控振荡器之间的通路；
若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n小于预设值时，则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号；
若所产生的差值都在预设的误差范围内，则处理器给开关单元输出保持环路滤波器与压控振荡器之间通路的控制信号。
11、根据权利要求10所述的模拟锁相环实现保持功能的方法，其特征在于，所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n等于预设值时，则存储器不存储该新采集到的控制电压值，同时存储器中存储的平均控制电压值经D/A转换器转换后，通过开关单元输入到压控振荡器的输入端。
12、根据权利要求10所述的模拟锁相环实现保持功能的方法，其特征在于，所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值连续n次不在预设的误差范围内，且n小于预设值时，则存储器中不存储该新采集到的控制电压值，同时重新对n进行计数。
13、根据权利要求10所述的模拟锁相环实现保持功能的方法，其特征在于，所述步骤1002进一步包括：若所产生的差值都在预设的误差范围内，则新采集的控制电压值实时替换掉存储器中存储时间最长的控制电压值，同时处理器实时运算出控制电压新的平均值替换旧的平均值，并保存在存储器中。
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