[发明专利]改善锁相环捕获特性和锁相特性的方法和装置

说明书

发明背景

总的来说本发明涉及锁相环。具体而言，本发明涉及改善双相位锁相环的捕获和锁相特性的方法和装置。

锁相环(PLL)是能够有效地将输入信号跟基准信号的相位锁定的一种电路。传统锁相环可以被看作一种带宽可以调整的无感可调谐有源滤波器。当基准信号跟输入信号之间的相位差是一个常数的时候，锁相环就被锁定。如果输入信号或者基准信号改变相位，锁相环中间的一个相位检波器就会产生一个误差信号，这个误差信号正比于相位变化的幅度和极性。这个误差信号会导致基准信号的相位发生变化，从而再一次实现锁定。锁相环应用广泛，包括调频收音机解调(因为音频信号就是误差信号)、频移键控(FSK)解调、频率综合、数据同步、信号调节和马达速度控制等等。在发电机励磁系统中，半导体闸流管桥被用于控制发电机的励磁，可以采用锁相环对闸流管桥的栅极进行控制。

当锁相环的相位输入翻转的时候，已知的锁相环不能提供适当的速度和可靠性。当相位变化较大的时候，已有的锁相环不能够令人满意地工作，而是有一个出错区域也就是“假锁定”区域。

可以将两个正弦信号之间的角度描述为一个信号跟另外一个信号的商的反正切。锁相环能够利用这样一个误差信号来改善锁相环特性，但是这些方法计算过程复杂，需要加以改进，对于特定的应用不够坚固。

非常需要增强锁相环的锁相和捕获特性以及锁相范围，特别是对于双相位锁相环更是如此，比方说用于发电机励磁系统的那些锁相环。还需要提高锁相环的线性工作范围，使它超过传统锁相环90度的线性工作范围。还需要改善锁相环的锁相性能而不超过原来的带宽。

发明简述

本发明通过提供一种锁相环和方法，改善锁相性能，能够解决现有技术中的上述问题，并且具有其它优点，这种锁相环和方法计算过程简单，同时又非常坚固。根据示例性的实施方案，锁相环的误差是通过以下方式来确定的：产生第一个的偏移误差信号ed，其中ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)，其中的Vcos和Vsin是正弦电压信号；产生一个正交误差信号eq，其中eq＝-Vcos*Sin(相位)+Vsin*Cos(相位)；产生第二个偏移误差信号ec，其中当正交误差信号eq小于或者等于0的时候，ec＝ed，当ed大于或者等于0而且eq大于0的时候，ec＝ed+3*eq，当ed小于0而且eq大于0的时候，ec＝ed-3*eq；利用第二个偏移误差信号ec确定锁相环误差。

这个信号ec用一种计算过程简单同时又坚固的方式替换传统误差信号ed来提高锁相环的捕获和锁相特性。

附图简述

通过阅读以下详细描述同时参考附图，会更好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中：

图1是适合于实施本发明双相位锁相环的一个实例；

图2是图1所示利用传统锁相技术的锁相环的误差特性的一个图形描述；

图3是图1所示利用本发明的技术的锁相环误差特性的一个图形描述；和

图4～7给出了将传统锁相技术跟本发明进行比较的MATLAB仿真结果。

发明详述

现在参考图1，其中画出了适合于本发明的一个双相位锁相环。解调器10用于接收输入信号Vcos和Vsin，这两个信号是互相之间相差大约90度的正弦电压信号。解调器10还从反馈环路接收余弦和正弦相位信号，这一点将在后面详细描述。在这些输入信号的基础之上，解调器10产生一个误差信号ed，在传统锁相环中它被定义为：

Ed＝Vcos*Cos(相位)+Vsin*Sin(相位)    (1)

也就是说解调器10产生这些乘积的和，并且将结果作为误差信号ed输出。然后在两条独立的并行路径中处理信号ed。在比例路径中，误差信号ed被输入给放大器12，这个放大器用放大倍数Kp线性地放大这个误差信号ed。Kp常常被设置成使这个环路获得所需要的带宽。在积分路径中，误差信号ed被提供给一个积分器14(在这里s是拉普拉斯运算符)，这个积分器用一个积分因子Ki对误差信号进行积分。传统的Ki在需要的稳定时间内被设置成在稳态的时候获得0相位误差。误差信号的积分可以由限幅器15限幅。分别从比例路径和积分路径获得的放大了的积分误差10信号被提供给加法器16的输入端，这个加法器将这些信号加起来，产生一个和输出。这个和输出用限幅器17进行限幅，然后提供给第二个积分器18，这个积分器用积分因子2pi对和输出进行积分。这个因子2pi只是表示从赫兹到弧度每秒的变换。积分后的和信号被作为锁相环的输出，代表输入正弦信号的相位误差。