專利名稱：改善鎖相環(huán)捕獲特性和鎖相特性的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
總的來說本發(fā)明涉及鎖相環(huán)。具體而言，本發(fā)明涉及改善雙相位鎖相環(huán)的捕獲和鎖相特性的方法和裝置。
鎖相環(huán)(PLL)是能夠有效地將輸入信號(hào)跟基準(zhǔn)信號(hào)的相位鎖定的一種電路。傳統(tǒng)鎖相環(huán)可以被看作一種帶寬可以調(diào)整的無感可調(diào)諧有源濾波器。當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)跟輸入信號(hào)之間的相位差是一個(gè)常數(shù)的時(shí)候，鎖相環(huán)就被鎖定。如果輸入信號(hào)或者基準(zhǔn)信號(hào)改變相位，鎖相環(huán)中間的一個(gè)相位檢波器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，這個(gè)誤差信號(hào)正比于相位變化的幅度和極性。這個(gè)誤差信號(hào)會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)信號(hào)的相位發(fā)生變化，從而再一次實(shí)現(xiàn)鎖定。鎖相環(huán)應(yīng)用廣泛，包括調(diào)頻收音機(jī)解調(diào)(因?yàn)橐纛l信號(hào)就是誤差信號(hào))、頻移鍵控(FSK)解調(diào)、頻率綜合、數(shù)據(jù)同步、信號(hào)調(diào)節(jié)和馬達(dá)速度控制等等。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，半導(dǎo)體閘流管橋被用于控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，可以采用鎖相環(huán)對(duì)閘流管橋的柵極進(jìn)行控制。
當(dāng)鎖相環(huán)的相位輸入翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，已知的鎖相環(huán)不能提供適當(dāng)?shù)乃俣群涂煽啃?。?dāng)相位變化較大的時(shí)候，已有的鎖相環(huán)不能夠令人滿意地工作，而是有一個(gè)出錯(cuò)區(qū)域也就是“假鎖定”區(qū)域。
可以將兩個(gè)正弦信號(hào)之間的角度描述為一個(gè)信號(hào)跟另外一個(gè)信號(hào)的商的反正切。鎖相環(huán)能夠利用這樣一個(gè)誤差信號(hào)來改善鎖相環(huán)特性，但是這些方法計(jì)算過程復(fù)雜，需要加以改進(jìn)，對(duì)于特定的應(yīng)用不夠堅(jiān)固。
非常需要增強(qiáng)鎖相環(huán)的鎖相和捕獲特性以及鎖相范圍，特別是對(duì)于雙相位鎖相環(huán)更是如此，比方說用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的那些鎖相環(huán)。還需要提高鎖相環(huán)的線性工作范圍，使它超過傳統(tǒng)鎖相環(huán)90度的線性工作范圍。還需要改善鎖相環(huán)的鎖相性能而不超過原來的帶寬。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明通過提供一種鎖相環(huán)和方法，改善鎖相性能，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，并且具有其它優(yōu)點(diǎn)，這種鎖相環(huán)和方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，同時(shí)又非常堅(jiān)固。根據(jù)示例性的實(shí)施方案，鎖相環(huán)的誤差是通過以下方式來確定的產(chǎn)生第一個(gè)的偏移誤差信號(hào)ed，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，其中的Vcos和Vsin是正弦電壓信號(hào)；產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)eq，其中eq＝-Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；產(chǎn)生第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec，其中當(dāng)正交誤差信號(hào)eq小于或者等于0的時(shí)候，ec＝ed，當(dāng)ed大于或者等于0而且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed+3*eq，當(dāng)ed小于0而且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed-3*eq；利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec確定鎖相環(huán)誤差。
這個(gè)信號(hào)ec用一種計(jì)算過程簡(jiǎn)單同時(shí)又堅(jiān)固的方式替換傳統(tǒng)誤差信號(hào)ed來提高鎖相環(huán)的捕獲和鎖相特性。
附圖簡(jiǎn)述通過閱讀以下詳細(xì)描述同時(shí)參考附圖，會(huì)更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中

圖1是適合于實(shí)施本發(fā)明雙相位鎖相環(huán)的一個(gè)實(shí)例；圖2是圖1所示利用傳統(tǒng)鎖相技術(shù)的鎖相環(huán)的誤差特性的一個(gè)圖形描述；圖3是圖1所示利用本發(fā)明的技術(shù)的鎖相環(huán)誤差特性的一個(gè)圖形描述；和圖4～7給出了將傳統(tǒng)鎖相技術(shù)跟本發(fā)明進(jìn)行比較的MATLAB仿真結(jié)果。
發(fā)明詳述現(xiàn)在參考圖1，其中畫出了適合于本發(fā)明的一個(gè)雙相位鎖相環(huán)。解調(diào)器10用于接收輸入信號(hào)Vcos和Vsin，這兩個(gè)信號(hào)是互相之間相差大約90度的正弦電壓信號(hào)。解調(diào)器10還從反饋環(huán)路接收余弦和正弦相位信號(hào)，這一點(diǎn)將在后面詳細(xì)描述。在這些輸入信號(hào)的基礎(chǔ)之上，解調(diào)器10產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)ed，在傳統(tǒng)鎖相環(huán)中它被定義為Ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)(1)也就是說解調(diào)器10產(chǎn)生這些乘積的和，并且將結(jié)果作為誤差信號(hào)ed輸出。然后在兩條獨(dú)立的并行路徑中處理信號(hào)ed。在比例路徑中，誤差信號(hào)ed被輸入給放大器12，這個(gè)放大器用放大倍數(shù)Kp線性地放大這個(gè)誤差信號(hào)ed。Kp常常被設(shè)置成使這個(gè)環(huán)路獲得所需要的帶寬。在積分路徑中，誤差信號(hào)ed被提供給一個(gè)積分器14(在這里s是拉普拉斯運(yùn)算符)，這個(gè)積分器用一個(gè)積分因子Ki對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行積分。傳統(tǒng)的Ki在需要的穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)被設(shè)置成在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候獲得0相位誤差。誤差信號(hào)的積分可以由限幅器15限幅。分別從比例路徑和積分路徑獲得的放大了的積分誤差10信號(hào)被提供給加法器16的輸入端，這個(gè)加法器將這些信號(hào)加起來，產(chǎn)生一個(gè)和輸出。這個(gè)和輸出用限幅器17進(jìn)行限幅，然后提供給第二個(gè)積分器18，這個(gè)積分器用積分因子2pi對(duì)和輸出進(jìn)行積分。這個(gè)因子2pi只是表示從赫茲到弧度每秒的變換。積分后的和信號(hào)被作為鎖相環(huán)的輸出，代表輸入正弦信號(hào)的相位誤差。
鎖相環(huán)的輸出被提供給一個(gè)反饋環(huán)路，如圖1所示。具體而言，這個(gè)輸出相位被提供給一個(gè)處理單元20，產(chǎn)生輸出信號(hào)的一個(gè)余弦值和一個(gè)正弦值，并且將這個(gè)余弦值和正弦值作為解調(diào)器10的輸入。這些余弦值和正弦值被按照上述方式用來確定誤差信號(hào)ed。
現(xiàn)在參考圖2，其中畫出了圖1所示鎖相環(huán)的鎖相環(huán)誤差特性的一個(gè)圖形描述。這個(gè)信號(hào)ed是原來的直接鎖相環(huán)誤差信號(hào)，它是一個(gè)正弦信號(hào)。這個(gè)誤差特性曲線包括一個(gè)非穩(wěn)態(tài)區(qū)域22，以及在發(fā)生相位變化的時(shí)候能夠緩慢地恢復(fù)的一個(gè)區(qū)域24，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域24中誤差較小。這叫做“假鎖定”。在圖2中還畫出了所需要的線性特性26。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，按照以下技術(shù)能夠明顯地改善圖2所示的捕獲和鎖相特性。除了產(chǎn)生公式(1)所示的第一個(gè)偏移誤差信號(hào)以外，還按照公式eq＝-Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)。利用這兩個(gè)相位ed和eq，按照以下參數(shù)產(chǎn)生第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec(例如在圖1中的解調(diào)器10中)ec＝ed，當(dāng)eq小于或者等于0的時(shí)候；ec＝ed+3eq，當(dāng)ed大于或者等于0而且eq大于0的時(shí)候；和ec＝ed-3eq，當(dāng)ed小于0而且eq大于0的時(shí)候。
按照這個(gè)實(shí)施方案，第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec替換圖1所示的第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed。第二個(gè)偏移誤差信號(hào)cc是理想或者需要的線性特性的一個(gè)近似實(shí)例。這個(gè)實(shí)例計(jì)算過程比較簡(jiǎn)單，同時(shí)非常堅(jiān)固又非常有效，如圖3所示。
圖3說明圖1所示利用剛剛描述的技術(shù)的鎖相環(huán)。在圖3中信號(hào)30是第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed，信號(hào)32是正交誤差信號(hào)eq，信號(hào)34是第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec。波形36是理想的誤差信號(hào)。如圖所示，雖然比較簡(jiǎn)單，但是第二個(gè)偏移誤差信號(hào)能夠很好地逼近理想誤差信號(hào)36。
現(xiàn)在參考圖4～7，其中給出了對(duì)于60赫茲的線路電壓，100赫茲的控制器積分路徑，鎖相環(huán)的MATLAB仿真結(jié)果。圖4說明只利用傳統(tǒng)誤差信號(hào)ed的情況下圖1所示鎖相環(huán)的積分路徑中引入擾動(dòng)的結(jié)果。圖5說明同一個(gè)鎖相環(huán)中相同擾動(dòng)的正交誤差信號(hào)。圖6說明相同擾動(dòng)的情況之下利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec得到的同一個(gè)鎖相環(huán)的總誤差。圖7說明在相同擾動(dòng)下同一個(gè)鎖相環(huán)的正交誤差信號(hào)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec在圖4～7所示實(shí)例中的大信號(hào)條件下顯著地改善了相同鎖相環(huán)的捕獲特性和鎖相特性。還應(yīng)當(dāng)明白跟利用第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed相比，利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec不會(huì)明顯地影響總誤差，直到相位誤差超過大約90度。eq是一個(gè)負(fù)值直到這個(gè)90度點(diǎn)，eq不是用于形成ec的一部分直到eq是一個(gè)復(fù)值。這樣，第二個(gè)偏移誤差信號(hào)eq有效地代表了一個(gè)輔助信號(hào)，它能夠被用于將鎖相環(huán)的線性范圍擴(kuò)展到超過只利用第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed能夠達(dá)到的線性范圍。
以上描述包括許多細(xì)節(jié)，但是不應(yīng)當(dāng)將它們看作對(duì)本發(fā)明的限制?？梢愿淖兠枋龅脑S多細(xì)節(jié)而不會(huì)偏離下面的權(quán)利要求和其法律上的等價(jià)物的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.確定鎖相環(huán)誤差的一種方法，包括以下步驟產(chǎn)生第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，其中Vcos和Vsin都是正弦電壓信號(hào)；產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)eq，其中eq＝Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；產(chǎn)生第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec，其中當(dāng)正交誤差信號(hào)eq小于或者等于0的時(shí)候ec＝ed，當(dāng)ed大于或者等于0并且eq大于0的時(shí)候ec＝eq+X*eq，滿足以下條件的時(shí)候，ec＝ed-X*eq當(dāng)ed小于0，eq大于0，并且X是一個(gè)乘法因子；和利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)確定鎖相環(huán)中的誤差。
2.權(quán)利要求1的方法，其中的正弦電壓信號(hào)Vcos和Vsin基本上相差90度。
3.權(quán)利要求1的方法，其中X＝3。
4.權(quán)利要求1的方法，其中的確定步驟是按照以下步驟來完成的將第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec提供給一條比例路徑，在那里用一個(gè)增益因子放大誤差信號(hào)ec；將第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec提供給一條積分路徑，在那里對(duì)誤差信號(hào)ec進(jìn)行積分；將放大之后的積分信號(hào)加起來產(chǎn)生一個(gè)和信號(hào)；和對(duì)和信號(hào)進(jìn)行第二次積分，產(chǎn)生鎖相環(huán)誤差的輸出。
5.一種鎖相環(huán)，包括用來接收第一個(gè)和第二個(gè)正弦信號(hào)，接收第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)的一個(gè)解調(diào)器，這個(gè)解調(diào)器產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)；用來接收誤差信號(hào)的一個(gè)放大器，這個(gè)放大器利用一個(gè)增益因子放大誤差信號(hào)，產(chǎn)生放大了的誤差信號(hào)；用來接收誤差信號(hào)的一個(gè)積分器，這個(gè)積分器對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行積分，產(chǎn)生一個(gè)積分誤差信號(hào)；用來接收放大了的誤差信號(hào)和積分誤差信號(hào)的一個(gè)加法器，這個(gè)加法器產(chǎn)生一個(gè)和信號(hào)；第二個(gè)積分器，用來接收和信號(hào)，對(duì)這個(gè)和信號(hào)進(jìn)行積分，產(chǎn)生一個(gè)輸出相位誤差信號(hào)；和一個(gè)反饋環(huán)，用來接收輸出相位誤差信號(hào)，從輸出相位誤差信號(hào)產(chǎn)生第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)，其中的解調(diào)器通過產(chǎn)生第一個(gè)誤差信號(hào)ed來產(chǎn)生誤差信號(hào)，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，Vcos和Vsin是正弦電壓信號(hào)；產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)eq，其中eq＝Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；產(chǎn)生第二個(gè)誤差信號(hào)ec，當(dāng)這個(gè)正交誤差信號(hào)eq小于或者等于0的時(shí)候，ec＝ed，當(dāng)ed大于或者等于0并且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed+3*eq，當(dāng)ed小于0而且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed-3*eq；并且解調(diào)器將第二個(gè)誤差信號(hào)用作誤差信號(hào)輸出。
6.權(quán)利要求5的鎖相環(huán)，其中第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)是輸出相位誤差信號(hào)的余弦和正弦。
7.權(quán)利要求5的鎖相環(huán)，其中第一個(gè)和第二個(gè)正弦電壓信號(hào)是從發(fā)電機(jī)獲得的。
8.捕獲和鎖定兩個(gè)信號(hào)相位的一種方法，包括以下步驟產(chǎn)生第一個(gè)偏移誤差信號(hào)ed，代表第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)之間的第一個(gè)偏移誤差，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，其中Vcos和Vsin是正弦電壓信號(hào)；產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)eq，代表第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)之間的一個(gè)正交誤差，其中eq＝Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；產(chǎn)生第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec，代表第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)之間的第二個(gè)偏移誤差，其中當(dāng)正交誤差信號(hào)eq小于或者等于0的時(shí)候，ec＝ed，當(dāng)ed大于或者等于0而且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed+X*eq，當(dāng)ed小于0而且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed-X*eq，其中X是一個(gè)的乘法因子；和利用第二個(gè)偏移誤差信號(hào)確定第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)之間的總誤差。
9.權(quán)利要求8的方法，其中X＝3。
10.權(quán)利要求8的方法，其中的正弦電壓信號(hào)Vcos和Vsin互相之間相差大約90度。
11.權(quán)利要求8的方法，其中的確定步驟是按照以下步驟來完成的將第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec提供給一條比例路徑，在那里利用一個(gè)增益因子放大這個(gè)誤差信號(hào)ec；將第二個(gè)偏移誤差信號(hào)ec提供給一條積分路徑，在那里對(duì)這個(gè)誤差信號(hào)ec進(jìn)行積分；將放大了的積分信號(hào)加起來，產(chǎn)生一個(gè)和信號(hào)；和對(duì)這個(gè)和信號(hào)進(jìn)行第二次積分，產(chǎn)生一個(gè)鎖相環(huán)誤差輸出。
12.用于鎖定第一個(gè)和第二個(gè)正弦信號(hào)之間相位的一種鎖相環(huán)，包括一個(gè)解調(diào)器，用于接收第一個(gè)和第二個(gè)正弦信號(hào)，并且接收第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)，這個(gè)解調(diào)器產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)；一個(gè)放大器，用于接收誤差信號(hào)，這個(gè)放大器按照一個(gè)增益因子放大誤差信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)放大了的誤差信號(hào)；一個(gè)積分器，用于接收誤差信號(hào)，這個(gè)積分器對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行積分，產(chǎn)生一個(gè)積分誤差信號(hào)；一個(gè)加法器，用于接收放大了的誤差信號(hào)和積分誤差信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)和信號(hào)；第二個(gè)積分器，用于接收和信號(hào)并且對(duì)這個(gè)和信號(hào)進(jìn)行積分，產(chǎn)生一個(gè)輸出相位誤差信號(hào)；和一個(gè)反饋環(huán)，用于接收輸出相位誤差信號(hào)，并且從輸出相位誤差信號(hào)產(chǎn)生第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)，其中的解調(diào)器通過產(chǎn)生第一個(gè)誤差信號(hào)ed產(chǎn)生誤差信號(hào)，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，其中Vcos和Vsin是第一個(gè)和第二個(gè)正弦電壓信號(hào)；產(chǎn)生一個(gè)正交誤差信號(hào)eq，其中eq＝Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；產(chǎn)生第二個(gè)誤差信號(hào)ec，當(dāng)正交誤差信號(hào)eq大于或者等于0的時(shí)候，ec＝ed，當(dāng)ed大于或者等于0并且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed+e*eq，當(dāng)ed小于0并且eq大于0的時(shí)候，ec＝ed-3*eq；解調(diào)器將第二個(gè)誤差信號(hào)用作誤差信號(hào)輸出。
13.權(quán)利要求12的鎖相環(huán)，其中第一個(gè)和第二個(gè)相位信號(hào)是輸出相位誤差信號(hào)的余弦和正弦。
14.權(quán)利要求12的鎖相環(huán)，其中第一個(gè)和第二個(gè)正弦電壓信號(hào)是從發(fā)電機(jī)獲得的。
全文摘要
具有改善了捕獲和鎖相特性的一種鎖相環(huán)。產(chǎn)生第一個(gè)偏移誤差信號(hào)、一個(gè)正交誤差信號(hào)和第二個(gè)偏移誤差信號(hào),第二個(gè)偏移誤差信號(hào)結(jié)合了第一個(gè)偏移誤差信號(hào)和正交誤差信號(hào)的好處,從而更加理想地逼近誤差信號(hào)并且避免假鎖定。
文檔編號(hào)H03L7/08GK1358351SQ01800050
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月10日
發(fā)明者W·R·佩爾森 申請(qǐng)人:通用電氣公司