三阶锁相环环路滤波器参数设计
基于ADS三阶电荷泵锁相环的分析和仿真
求得滤波器的电
容 和 电 阻 参 数 如 下 : C1=
Cto·t ττ12 ,
C2
=Ctot-
C1,
R2=
τ2 C2
其 中 , Ctot
=
" C1τ2 τ1
=
kvΙcp 2πωc2N
1+( ωcτ2) 2 1+( ωcτ1) 2
5 参数确定和仿真结果
我们的目标是设计一个三阶电荷泵锁相环, 输入参考频率
本栏目责任编辑: 谢媛媛
开发研究与设计技术
基于 ADS 三阶电荷泵锁相环的分析和仿真
张明, 吴秀龙, 张兴建, 王诗兵 ( 安徽大学电子科学与技术学院, 安徽 合肥 230039)
摘要: 在分析锁相环基本原理和线性化模型的基础上, 给出了基于锁相环系统环路带宽和相位裕度的环路滤波器参数的计算公式。 结合具体的参数计算,给出系统参数, 然后用 ADS 工具对系统进行仿真, 结果 表 明 利 用 给 出 的 方 法 来 设 定 锁 相 环 的 参 数 , 通 过 反 复 几 次 的调节能得到一组很好的系统参数, 仿真结果于预期的相吻合, 对三阶电荷泵锁相环的系统设计和仿真有一定的指导意义。
fref=2MHZ 、VCO 的 灵 敏 度 kv=3.3MHZ/V、 输 出 的 目 标 频 率 参 数 fvout=8MHZ、电 荷 泵 电 流 Icp=100uA、环 路 带 宽 fc=100KHZ , 相 位 裕 度 Φ=60°。通过自己编写的 MATLAB 程序计算出满足上述条件的
滤 波 器 的 参 数 , 结 果 见 表 1,锁 相 环 的 开 环 、闭 环 传 递 函 数 的 波 特
2 锁相环的基本原理和线性化模型
一 个 基 本 的 电 荷 泵 锁 相 环 由 鉴 频 鉴 相 器 ( PFD) 、 电 荷 泵 ( CP) 、低通滤波器( LPF) 和压控振荡器( VCO) 组成。系统示意图如 图 1, 其中 N 是分频器的分频比。
三阶卡尔曼滤波数字锁频环设计及性能分析
三阶卡尔曼滤波数字锁频环设计及性能分析作者:李金海, 巴晓辉, 陈杰, LI Jin-hai, BA Xiao-hui, Chen Jie作者单位:中国科学院微电子研究所,北京,朝阳区,100029刊名:电子科技大学学报英文刊名:JOURNAL OF UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA年,卷(期):2008,37(5)被引用次数:1次1.HINEDI S.STATMAN J I High-dynamic GPS tracking final report[JPL Publication 88-35] 19882.AGUIRRE S.HINEDI S Two novel automatic frequency tracking loops 1989(05)3.HINEDI S An extended Kalmaa filter based automatic frequency control loop[TDA Progress Report 42-95] 19884.VILNROTTER V A.HINEDI S.KUMAR R Frequency estimation techniques for high dynamic trajectories 1989(04)5.BAR-SHALOM Y.LI X R.KIRUBARAJAN T Estimation with applications to tracking and navigation:Theory algorithms and soRware 20016.张厥盛.郑继禹.万心平锁相技术 20057.JURY E I Theory and application of the z-transform method 19648.邓自立.郭一新现代时间序列分析及其应用--建模、滤波、去卷、预报和控制 19889.GREWAL M S.ANDREWS A P Kalman filtering:theory and practice using matlab 200110.ARNOLD W UB A J Generalized eigenproblem algorithms and software for algebraic Riccati equations 1984(12)1.学位论文孙峰高动态多星座接收机捕获和跟踪技术的研究与实现2009全球导航卫星系统(GNSS)是用于定位用户接收机地理位置的一种卫星系统。
宽带PLL环路滤波器的设计
东南大学硕士学位论文宽带PLL环路滤波器的设计姓名:刘奡申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:陆生礼20060219摘要摘要环路滤波器(LoopFilter,简称LPF)是锁相环(PLL)的重要组成单元,它在很人程度上决定了PLL的性能。
在PLL频率综合器的设计中,为了获得稳定的VCO凋谐电压,环路滤波器起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰(spurs)等重要作州,是PLL频率综合器的设计与调试的关键。
本文实现了一个三极管放大结构的有源三阶环路滤波器,在对VCO调谐电压3.3V到33V的放大的同时,保持宽带PLL的环路稳定性,实现对品振基准频率处噪声的抑制,并根据PLL噪声模型优化设计PLL环路带宽,实现带内外环路噪声的优化设计。
论文首先重点介绍环路滤波器的设计理论,着重介缁分析设计环路滤波器所涉及的相关概念和环路滤波器的拓扑结构。
在此基础上,更进一步的根据设计环路滤波器的需要,深入讨论了PLL环路的参数模型,包括PLL各模块的参数抽象方法,环路的开fj=|环传输方程和开环带宽,相位裕度的理论推导。
并且对PLL环路性能和环路滤波器性能之间的关系作了理论分析。
最斤,针对我们数字电视接收机州宽带PLL环路设计所需的滤波器电路。
在实现电路拓扑的基础上,通过更进一步的建立环路滤波器简化模弛和完整模型,详细推导了环路滤波器网络参数的量化实现过稃提山了解决本课题的设计方案,并灵活地使用了SynopsysHspice,CandenceSpectreRF、Verilog-AtMatlab等EDA软什对所设计的电路进行建模,推导,分析,验证,给出了行之有效的推导设计方法。
晟后,通过实际应用验证了该设计。
关键词:射频集成电路,环路滤波器,锁相环,调谐电压,环路带宽,相位裕度,相位噪声杂散抑制l”OR3*C3lU‘C3lT4OOR4*CAI}CtotC1+C2Cl+C2+C3Cl+C2+C3+CA一旦确定了环路滤波器阻抗(Z(s)),电荷泵增益(Km)和VCO增益(Kvco),则Pu.开环增益(G(s))也随之确定:G(s):K≯Kvc。
锁相环环路滤波器的元件值计算
R1=(Kd*Kφ)/(ω*ω*N*C2),
R2=2ξ/(ωn*C2);
其中Kd是鉴相器的鉴相灵敏度,HMC440的Kd是0.286 V/rad,Kφ是VCO的压控灵敏度(rad/V),N是锁相环的倍频倍数。阻尼系数ξ为兼顾滤波器的过冲和衰减取0.707~1之间的一个值即可。
4、有源环路的特点总结如下:
有源环路滤波器的用处十分广泛,例如有源环路能够提供较高的环路增益,因此可以使锁相环具备较宽的同步带等,有时VCO以及其他振荡器的调谐范围非常宽而导致调谐电压非常高,这是可以采用有源环路来实现;但是这种情况下由于运算放大器的放大倍数太高而导致相噪恶化以及产生不必要的频率调制现象等等。但是,实际上有源环路的优点远远多于其缺点的,一般来说,不要把倍数放大得太高,反而可以降低环路上的杂散以及优化相位噪声,例如:可以优化环路滤波器的电阻带来的噪声等等;所以合适地使用有源环路中的运放,会收到比无源意想不到的效果。
3、采用有源的常常为以下几个方面:
要求锁相环具备极好的稳定性时建议用有源方式,虽然无源方式也能锁定;
不采用捷变频并且要求振荡器的调谐电压非常高的时候
对相位噪声等要求非常高,例如仪器仪表等;虽然无源方式也能锁定;(此时需要一定的基础才行)并且此时的运算放大器选择也非常讲究,我一般选择BB公司的OPA227等运放;
纯粹模拟锁相环,例如利用混频器鉴相,二极管鉴相等等;
相噪要求非常高场合,例如相噪要求小于-140dBc/Hz@10KHz等等不一而足;
极窄锁相环时,例如深空探测等的锁相环,极低的锁相时间要求,例如环路带宽要求100KHz以上等等建议用有源方式;
总之,何时用有源何时用无源,需要根据实际情况而定,不能一概而论;
三相锁相环环路设计
三相锁相环环路设计
三相锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)是一种闭环相位控制系统,用于同步三相电压或电流信号。
它由鉴相器(Phase Detector)、环路滤波器(Loop Filter)和电压控制振荡器(V oltage Controlled Oscillator, VCO)三个主要部分组成。
以下是三相锁相环的基本设计步骤:
1. 确定相位差:将输入的三相电压或电流信号与参考电压或电流信号进行比较,得到相位差。
2. 滤波:将环路输出信号进行滤波,以消除高频噪声和直流偏移。
3. 调节振荡频率:通过调节电压控制振荡器(VCO)的电压,控制振荡器的频率,从而调整环路的相位。
4. 调节相位差:通过调节环路滤波器的反馈电阻或电感,调节环路的相位稳定性。
5. 调节增益:通过调节环路滤波器的增益,调节环路的放大倍数,以保证环路的稳定性。
在实际应用中,为了获得最佳的锁相环性能,通常会对环路进行优化设计,例如将环路简化为二阶或三阶模型,计算环路参数和增益,以获得最佳相位稳定性和带宽。
此外,在设计三相锁相环时,还需要考虑到一些特殊的需求,例如在三相并网逆变器中,需要设计软件锁相环以同
步三相电压或电流信号。
针对这些需求,可以使用C2000控制器等硬件平台来设计锁相环电路。
三相锁相环算法
三相锁相环算法三相锁相环算法是一种常用的控制算法,用于同步两个或多个信号的相位和频率。
它在许多领域中都有广泛的应用,如通信系统、电力系统和自动控制系统等。
本文将详细介绍三相锁相环算法的原理、应用和优缺点。
一、原理三相锁相环算法的原理基于负反馈控制的思想。
它通过比较输入信号和参考信号的相位差,然后根据相位差的大小调整输出信号的频率和相位,从而使输出信号与参考信号保持同步。
具体来说,三相锁相环算法包括三个主要组件:相位检测器、环路滤波器和压控振荡器。
相位检测器用于测量输入信号与参考信号的相位差,环路滤波器用于平滑相位差的变化,压控振荡器用于调整输出信号的频率和相位。
二、应用三相锁相环算法在通信系统中有着广泛的应用。
例如,在无线通信系统中,接收机需要与发射机保持同步,以确保信号的正确接收。
通过使用三相锁相环算法,接收机可以根据接收到的信号与发射信号之间的相位差,自动调整自身的频率和相位,实现同步接收。
三相锁相环算法还可以应用于电力系统中。
在电力系统中,各个发电机需要同步工作,以确保电网的稳定运行。
通过使用三相锁相环算法,发电机可以根据电网的频率和相位差,自动调整自身的频率和相位,实现与电网的同步。
三相锁相环算法还可以应用于自动控制系统中。
例如,在自动驾驶系统中,多个传感器需要同步工作,以提供准确的环境感知数据。
通过使用三相锁相环算法,各个传感器可以根据参考信号,自动调整自身的频率和相位,实现同步工作。
三、优缺点三相锁相环算法具有以下优点:1. 可以实现快速同步:三相锁相环算法可以快速地将输出信号与参考信号同步,确保信号的准确接收或传输。
2. 高精度的同步:三相锁相环算法可以达到很高的同步精度,通常可以达到纳秒级别的精度。
3. 稳定性好:三相锁相环算法通过负反馈控制,可以实现对相位差的稳定控制,使系统具有良好的稳定性。
然而,三相锁相环算法也存在一些缺点:1. 系统复杂:三相锁相环算法由多个组件组成,需要进行参数调整和系统优化,增加了系统的复杂性。
基于PI 控制算法的三阶全数字锁相环的详细分析与实验结果
基于PI 控制算法的三阶全数字锁相环的详细分析与
实验结果
锁相环在通信、雷达、测量和自动化控制等领域应用极为广泛,已经成为各种电子设备中必不可少的基本部件。
随着电子技术向数字化方向发展,需要采用数字方式实现信号的锁相处理。
因此,对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。
传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器,获得稳定的振荡控制数据。
对于高阶全数字锁相环,其数字滤波器常常采用基于DSP 的运算电路。
这种结构的锁相环,当环路带宽很窄时,环路滤波器的实现将需要很大的电路量,这给专用集成电路的应用和片上系统SOC(system on chip)的设计带来一定困难。
另一种类型的全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器,如随机徘徊序列滤波器、先N 后M 序列滤波器等。
这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算,获得可控振荡器模块的振荡控制参数。
由于脉冲序列低通滤波计数方法是一个比较复杂的非线性处理过程,难以进行线性近似,因此,无法采用系统传递函数的分析方法确定锁相环的设计参数。
不能实现对高阶数字锁相环性能指标的解藕控制和分析,无法满足较高的应用需求。
本文提出了一种基于比例积分(PI)控制算法的高阶全数字锁相环。
给出。
锁相环环路滤波器系数计算
锁相环环路滤波器系数计算锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)是一种广泛应用于通信系统、时钟同步、频率合成等领域的电子电路。
而锁相环环路滤波器是锁相环中的重要组成部分,用于实现信号的滤波和抑制噪声。
本文将从锁相环环路滤波器的系数计算方法入手,详细介绍其原理和应用。
锁相环环路滤波器的设计目标是通过滤波器对输入信号进行滤波,使得输出信号的频率和相位与参考信号保持一致。
在锁相环中,环路滤波器通常采用低通滤波器的形式,用于滤除高频噪声和抑制输入信号的高频分量。
锁相环环路滤波器的系数计算主要包括滤波器的阶数、截止频率和滤波器类型等方面。
首先,确定滤波器的阶数,即滤波器的自由度。
一般来说,阶数越高,滤波器的性能越好,但计算复杂度也会增加。
根据实际需求和资源限制,选择适当的滤波器阶数。
确定滤波器的截止频率。
截止频率是指滤波器开始起作用的频率,通常用于抑制输入信号中的高频分量。
截止频率的选择应根据系统的频率范围和带宽要求进行,一般需要根据具体应用场景进行调整。
确定滤波器的类型。
常见的滤波器类型包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等。
不同的滤波器类型具有不同的频率响应特性,如通带波纹、阻带衰减等。
根据具体应用需求和性能要求,选择合适的滤波器类型。
在锁相环环路滤波器的系数计算中,常用的方法包括频率抽样法和脉冲响应法。
频率抽样法是一种基于频域的计算方法,通过对输入信号和滤波器的频谱进行采样和计算,得到滤波器的系数。
脉冲响应法是一种基于时域的计算方法,通过对输入信号和滤波器的脉冲响应进行卷积运算,得到滤波器的系数。
在实际应用中,锁相环环路滤波器的系数计算需要考虑多种因素,如噪声抑制能力、滤波器的稳定性和计算复杂度等。
为了满足不同应用场景的需求,可以根据具体情况进行参数调整和优化。
除了滤波器系数的计算,锁相环环路滤波器的设计还需要考虑其他因素,如锁定范围、锁定时间和抗干扰能力等。
锁相环环路滤波器的设计是一个综合考虑多个因素的工程问题,需要结合具体应用场景和系统需求进行。
matlab锁相环环路滤波器计算
Matlab锁相环环路滤波器计算一、概述锁相环(PLL)是一种控制系统,通常用于追踪和锁定输入信号的相位和频率。
锁相环系统由相位比较器、环路滤波器、电压控制振荡器(VCO)和分频器组成。
其中,环路滤波器在锁相环系统中起着至关重要的作用,它用于平滑和调节VCO的控制电压,以确保锁相环系统稳定工作。
二、环路滤波器计算环路滤波器通常由一个低通滤波器构成,用于滤除VCO输出的高频噪声,并且在锁相环系统中起到提高系统稳定性和抑制震荡的作用。
在Matlab中,可以通过以下步骤进行锁相环环路滤波器的计算:1. 确定环路滤波器的类型(如一阶低通滤波器、二阶低通滤波器等)和参数(如截止频率、增益等)。
根据具体的系统要求和性能指标,选择合适的滤波器类型和参数。
2. 在Matlab中,可以使用filter函数来实现环路滤波器的计算。
可以定义滤波器的传递函数H(z),并利用filter函数对输入信号进行滤波处理。
可以利用freqz函数对滤波器的频率响应进行分析和评估。
3. 对于复杂的锁相环系统,可以考虑使用Simulink工具箱进行环路滤波器的建模和仿真。
Simulink提供了丰富的信号处理模块和仿真环境,可以方便地进行锁相环系统的设计、调试和优化。
三、环路滤波器设计注意事项在进行锁相环环路滤波器计算的过程中,需要注意以下几个方面的设计要点:1. 确定滤波器的截止频率和带宽:根据锁相环系统的频率特性和稳定性要求,选择合适的截止频率和带宽,以平衡相位延迟和抖动的性能指标。
2. 考虑滤波器的裙延迟和相位失真:在实际系统设计中,需要考虑滤波器的裙延迟和相位失真对系统稳定性的影响,尽量降低相位延迟和失真,以确保锁相环系统的性能。
3. 考虑VCO的控制电压范围:在设计环路滤波器时,需要考虑VCO的控制电压范围和动态范围,以确保滤波器对VCO控制电压的平滑调节和响应。
4. 考虑环路滤波器对系统稳定性的影响:在整个锁相环系统中,环路滤波器的稳定性和抑制震荡的能力是至关重要的,因此需要对滤波器的频率响应和动态特性进行充分的分析和评估。
三阶PLL无源环路滤波器的设计与仿真
De s i g n a nd S i mu l a t i o n o f Pa s s i v e Lo o p Fi l t e r o f Th i r d- o r d e r PLL
R E N Q i n g — l i a n , G A O We n — h u a ,G U 0 P i n g
Abs t r a c t:I n o r d e r t o i mpr o v e PLL p e r f o r ma n c e a n d s i mp l i f y p a s s i v e l o o p il f t e r de s i g n i n h i g h— o r d e r P LL,
ph a s e ma x i mu m r e t u r n t o ma k e t h e s y s t e m s t a b l e,a ll o c a t e d t he p o l e s a n d z e r o s o f il f t e r s,a n d t h e n s y n t h e .
( C o l l e g e o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 , C h i n a )
关 键词 : P L L ; 超前 一 滞后滤 波器 ; 相位稳定裕度 ; P s p i c e 本 文引用格式 : [ J ] . 四川兵工学报 , 2 0 1 4 ( 2 ) : 1 0 1 —1 0 4 . 中图分类号 : T N 7 1 3 . 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 6— 0 7 0 7 ( 2 0 1 4) 0 2— 0 1 0 1 — 0 4
锁相环中无源滤波器的设计
锁相环中无源滤波器的设计作者:洪伟来源:《电脑知识与技术·学术交流》2008年第26期摘要:环路滤波器是锁相环中的一个关键模块,一般采用有源和无源两种。
本文对无源滤波器的结构以及滤波器对锁相环性能的影响进行了分析,总结了无源二阶的设计方法,然后针对三阶无源滤波器进行了设计,通过仿真可以看出结果满足了设计指标。
关键词:锁相环;无源滤波器;相位裕度中图分类号:TN713.4文献标识码:A文章编号:1009-3044(2008)26-1846-04The Design of Passive Filter in PLLHONG Wei(Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230022, China)Abstract: Loop filter is one of the most important parts in PLL system. There are two kinds of filter which are active filter and passive filter. We analyzed the structure of passive filter and the influence to the PLL performance in this paper. We summarized the design method of second order passive filter, and designed the third passive filter. Throughout the simulation results, we find the design is satisfied to specification.Key words: phase lock loop; passive filter; phase margin1 引言随着现代通讯尤其是无线通讯领域的飞速发展,带动了通讯应用集成电路的发展。
三阶数字锁相环环路参数的设计方法
2 三阶数字锁相环环路参数设计
三 阶数字锁相环路参数设计推导思路如下 : 由于三阶环是条件稳定 的, 先推导出三阶模拟 锁相环稳定条件 , 并计算出在稳定条件下 三阶模拟 锁相环的等效噪声带宽, 以等效噪声带宽为根据 , 将 模拟锁相环进行数字化 , 推导出三 阶数字锁相环 并
DP L, d g v s t e bo k d a r m f lo l r i lt n r s l s o h t t e d s n d t i r e L a i e h lc i g a o o p f t .Smu ai e u t h ws t a e i e r o d r n i e o h g h d DP L s t f st e r q i me ta d h s s b e p r r n e L a i e e u r s i h e n n a t l ef ma c . a o Ke r s: &C s se ;o p f tr y wo d Tr y tm l l ;DP L;l p p r me e ; e in i e L o a a tr d sg
三阶数字 锁相环环路参 数的设 计方法
杜 瑜
( 中国西南 电子技术研究所 , 成都 6 0 3 ) 10 6
摘
要: 为实现卫星移动环境下的精 密测距、 测速 , 分析 了三阶数字锁相环跟踪卫星多普勒频 率变化
的能力。利用理想二阶锁相环构造 了三阶环 , 对三阶环路的参数设计方法进行 了数学推导和仿真研 究, 分析 了三阶环的参数选择的原则, 并给 出了环路 滤波器的数字实现框图。仿真结果表明, 用推 利
来较大的误差。在这种情况下 , 三阶环或者更 高阶
1 引 言
快速锁相无源三阶环路滤波器的设计与检测
加 硬件 电路来 改善 .并 且通 过 3 技术 手段 来检 测 种 验 证具体 的锁 相 时间 。
参 考文 献 :
【】远 坂 俊 昭 【 l 日】. 相 环 (L ) 电 路 设 计 与 应 用 【 】. 锁 PL M 第 1 . 京 :科 学 出 版 社 出 版 ,20 :1 2 8 版 北 0 6 - 3. 【】S Y E CW 【 】. 线 通 信 设 备 与 系 统设 计 大 全 【 2 A R 美 无 M】.
高 电 平 .模 拟 开 关 7 H 4 6 4 C 0 6接 通 .时 间常 数 变 小 ,锁相 速度 加快 。一 旦环 路锁 定 ,此 时 F L O D管 脚 就 会 输 出高 电平 .比 较 器 L 5 M3 8输 出低 电 平 . 模 拟 开关 断 开 .对 环路 滤 波 的时 间 常数 切 换 变 大 。 这 时 又 可对相 位 比较频 率 成分 得 到 足够 大 的 衰 减 . 输 出波形 的寄生 特性 也不会 变坏 .改善 了锁相速 度
时间。
3 锁 定 时 间 的检 测 验 证
图 5所示 为测 试 锁相 环 电路 的简易 框 图 。其 中
测 试 按 键 S 分 别 连接 基 于 A m g 1 8单 片 机 为 核 。 tea2 心 的测试 夹具 的中断 管脚 上 。 同时又连 接 到数 字示 波 器 MS 14 O8 0 A的 I N1端 口上 。I 2端 口串 接 2 0 N 0 k. D 电阻 连接 到锁 相环 路 滤 波 器上 .具 体 连 接 到 图
该尽 可 能地窄 以减 少伪 噪声 .但是 这会 降低 开关 速
度 通 常 环 路 带 宽 应 该 在 1k z和 2 H .但 是 H 0k z 必 须 至少 为 1 0c 相 位 比较 频率 :如 果不 在 乎 锁 / fo 2 M
三阶3型锁相环研究
A h r - r e y e- h s -o ke o p f r TTC & T y t m s t i d- d r t p - p a e l c d l o o o 3 - s se
d rt p - o p fle .w hc a fe tv l r c rq e c a p sg a s Th r n fr f n t n F ( o e y e3 lo i r t ih c n ef ciey ta k fe u n y r m in l. eta se u c i ) f o
t e s c n — r e y e 2 l o i e s g v n.t e s a i t n t p r s o s f t e t id o d r P t e h e o d o d r t p 一 o p fl r i i e t h t b l y a d s e e p n e o h h r — r e II h n i p e e t d, o l we y a d rv to f r p rd m p n a t r rsne f l o d b e i a i n o p o e a i g f c o .Di i z to sp ro d t r u h a b l e a g t a i n wa e f me h o g i n — i i a r n f r t n n t i iie l c ig a i a s i e . Re e r h r s l n ia e t a h u g s r t a s o ma i ,a d is d g tz d b o k d a r m s l o g v n o s a c e u t i d c t h tt e s g e s t d n r o b n c n ta k f e u n y r mp s g a s n O wo l e s i b e f rc p u i g a d t a k e a r w a d PI I a r c r q e c a i n l ,a d S u d b u t l o a t rn n r c — a i g v ra l p l r s n l f r d e p c r c i g t l me r o t o n ee o n a i b e Do p e i a s o e p s a e t a k n e e ty c n r la d t l c mm u ia i n ( g nc t o TTC T)
基于滤波器前置的三相软件锁相环设计
自治区重点研发计划(2020B02001);
自治区高校重
大项目(XJEDU2017I002)
Project supported by the Key Research and Development
Plan of Autonomous Region(2020B02001) and the Major Projects of Universities in Autonomous Region(XJEDU2017I002)
一种快速消除 2 倍频负序分量的方法来降低 MAF 的
阶数,提高锁相环的动态响应速度,同时采用线性相
位补偿的方式来减小 MAF 在电网频率发生偏移时
产生的锁相误差。仿真及实验结果验证了所提锁相
环性能良好。
1
SPLL
SPLL 主要由鉴相器 PD(Phase Detector)、环路
滤波器 LF(Loop Filter)、压控振荡器 VCO(VoltageControlled Oscillator)三 部 分 组 成 。 三 相 输 入 电 压
前置 SPLL 的传递函数;L(s)、G MAF ( s) 分别为环路滤
波器和 MAF 的传递函数;θ e 为锁相误差,是 SPLL 输
出相位 θ̂ +1 与电网相位 θ +1 的差值。
MAF 的传递函数可近似为一阶低通滤波器,对
比式(3)和式(4)可以看出环内滤波器 SPLL 会降低
环路带宽,减小系统相角裕度[15,17],且增加了环路滤
第 41 卷 第 7 期
2021 年 7 月
Vol.41 No.7
Jul. 2021
电 力 自 动 化 设 备
三阶锁相环阻尼因子
三阶锁相环阻尼因子锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)是一种常用的控制系统,广泛应用于通信、测量、时钟同步等领域。
在PLL中,阻尼因子(damping factor)是一个重要参数,它决定了系统阻尼的程度,直接影响到系统的稳定性和动态响应。
本文将对三阶锁相环阻尼因子进行讨论和分析。
一、三阶锁相环基本结构三阶锁相环是一种常用的锁相环结构,由相位比较器(Phase Detector)、环路滤波器(Loop Filter)、控制电压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)和分频器(Divider)等组成。
其中相位比较器负责将参考信号和VCO输出信号进行相位比较,得到一个误差信号;环路滤波器用于对误差信号进行滤波处理,产生一个控制电压;控制电压控制VCO的频率,使其与参考信号保持同步;分频器负责将VCO输出信号进行分频,用于与参考信号进行比较。
二、三阶锁相环阻尼因子的定义在三阶锁相环中,阻尼因子是指系统的阻尼程度。
在阻尼因子为零时,系统处于无阻尼状态;在阻尼因子为1时,系统处于临界阻尼状态;在阻尼因子大于1时,系统处于过阻尼状态。
阻尼因子的大小直接影响到系统的稳定性和动态响应。
当阻尼因子过小时,系统容易发生震荡;当阻尼因子过大时,系统响应速度过慢。
三、三阶锁相环阻尼因子的影响因素1. 相位比较器增益:相位比较器的增益决定了相位比较器输出信号与VCO控制电压之间的线性关系。
增加相位比较器的增益可以增加锁相环的阻尼因子,提高系统的稳定性。
2. 环路滤波器参数:环路滤波器的参数决定了系统的频率响应和相位延迟。
选择适当的滤波器参数可以实现对系统动态响应的调节,进而影响到阻尼因子的大小。
3. VCO增益:VCO的增益决定了VCO输出频率与控制电压之间的变化关系。
增加VCO的增益可以增加锁相环的阻尼因子,提高系统的稳定性。
四、三阶锁相环阻尼因子的计算方法计算三阶锁相环的阻尼因子可以采用两种方法:数学模型法和试验法。
环路滤波器参数设计
环路滤波器参数设计环路滤波器是一种常见的信号处理器件,广泛应用于通信、音频、视频等领域。
它通过引入反馈回路来实现滤波功能,具有简单、稳定、可靠的特点。
本文将从环路滤波器参数设计的角度介绍其原理和方法。
环路滤波器的参数设计是指在给定滤波器类型和要求的情况下,确定滤波器的各个参数,以满足设计要求。
常见的参数包括截止频率、增益、阻带衰减等。
下面将分别介绍这些参数的设计方法。
首先是截止频率的设计。
截止频率是指滤波器在频率响应中的特定频率点,对应着信号的边界。
常见的滤波器类型有低通、高通、带通和带阻滤波器。
对于低通滤波器,截止频率是指信号通过滤波器时被削弱到原始幅度的一半的频率点;对于高通滤波器,则是信号被削弱到原始幅度的一半的频率点。
带通和带阻滤波器的截止频率则是指信号通过滤波器时幅度衰减到原始幅度的一半的频率范围。
其次是增益的设计。
增益是指滤波器对特定频率范围内信号的幅度放大或衰减程度。
在滤波器设计中,通常需要根据应用需求来确定增益的大小。
例如在音频放大器中,为了保证声音的清晰度和真实性,增益要尽可能接近1,避免信号失真;而在通信领域,由于通信信号的弱小,需要通过滤波器放大增益来增强信号的强度。
最后是阻带衰减的设计。
阻带衰减是指滤波器对特定频率范围内信号的幅度衰减程度。
在滤波器设计中,常常需要将不需要的频率范围内的信号进行抑制,以减少干扰和噪声。
阻带衰减的大小取决于滤波器的类型和要求,通常以分贝为单位来表示。
在实际设计中,需要根据应用需求来确定阻带衰减的大小,以满足系统的性能要求。
在环路滤波器参数设计中,还需要考虑其他因素,如滤波器的稳定性、相位响应等。
稳定性是指滤波器的输出不会出现无限增长或发散的情况。
为了保证滤波器的稳定性,需要选择合适的滤波器结构和设计方法。
相位响应是指滤波器对输入信号的相位延迟情况。
在某些应用中,相位延迟可能会对系统性能产生影响,因此需要根据具体需求来进行相位响应的设计。
总结起来,环路滤波器参数设计是滤波器设计中的重要环节,涉及到截止频率、增益、阻带衰减等参数的确定。
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Param eter D esign for L oop F ilter of Th ird - order PLL
WAN G Yu - zhou
( Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China ) Abstract: PLL has the w ide app lication in communication, telemetry and navigation field. B ecause of fre2 quency slope tracking capability, the third - order PLL gets more and more attention in the very narrow 2 band app lication for deep space exp loration. B y using of system stability analysis methods and high - order system analysis theory, the parameter designing formulas of two kinds of second - order loop filters which are ideal second - order and three - parameter filters are derived respectively . The analog and digital loop formulas of third - order PLL designing parameters are p rovided, and also compared w ith experienced for2 mulas of JPL ’ s DPLL designing param eters . The sim ulation results show that the three kinds of methods are sim ilar, but the position of system zero points, pole points and dump ing parameter in this deduced pa2 rameters design m ethod can be set freely, so it can p rovide p rincip les and app lication basis for each kind of variable bandw idth and adap tive algorithm. Key words: deep space exp loration; digital PLL (DPLL ) ; loop filter; stability condition; high - order system analysis; parameter design
( 6)
[8]
3
2
2
2
2
2
2 锁相环线性模型
锁相环的线性模型如图 1 所示 , 图中 K, F ( s ) ,
1 / s分别是环路总增益 、 环路滤波器 、 VCO 环节
[ 8, 9 ]
;
由图可以得到系统的开环传递函数 、 闭环传递函数 [ 8, 9 ] 和误差传递函数 。
利用伯德法则 : 当开环增益为 1 时 ,其相位余 量必须大 于 0, 闭环 才 能 稳 定 。根 据 开 环 方 程 式 ( 5 ) ,计算出增益临界频率为 τ 2 ωT = K 2 ( 7) τ 1 环路稳定的相位条件 : ωTτ 2a rc tg + 180 °> 0 2 - 270 ° 由上式可求得稳定条件 : 2 τ 1 K > 3 τ 2 令
r = ωTτ 2 = ( 8)
( 9)
图 1 锁相环线性模型
开环传递函数为
H0 ( s) = K ・F ( s) ・1 / s ( 1)
τ K 2 τ
2 1
3
( 10 )
闭环传递函数为
H ( s) = H0 ( s) 1 + H0 ( s) ( 2)
利用积分规则
误差传递函数为
He ( s ) =
第 48 卷 第 9 期 2008 年 9 月
Telecommunication Engineering
H0 ( s) = H ( s) = = K ( 1 +τ 2 s)
2
Vol . 48 No. 9 Sep. 2008
( 5)
设计的场合 , 就要从模拟设计建模开始进行分析 。 为此 ,本文利用系统稳定性分析方法和高阶线性系 统分析理论 ,分别对两种不同的环路滤波器模型 ,进 行了参数设计公式推导 , 并对得到的模拟参数进行 数字化 。所推导的参数公式 , 可以通过合理配置环 路的零 、 极点的位置和阻尼系数等多种参数实现系 统的优化 ,并可以和各种算法配合 ,用于变带宽或自 [ 6, 7 ] 适应算法等锁相环路设计 。
τs
2
2 3 1
K ( 1 +τ 2 s)
2 2 2
2 3 2 τ 1 s + K ( 1 +τ 2 s)
(K τ τ τ τ τ 2 / 1 ) s + ( 2K 2 / 1 ) s + K/ 1
2
2
τ τ τ τ τ s + (K 2 / 1 ) s + ( 2K 2 / 1 ) s + K/ 1
联立求解 ,可得参数的计算公式 :
2 (2m ξ ξ + 1) (m + 2)ξ - m 2 2 2 2 2 (m + 2) (2m ξ + 1)ξ ξ ξ + (2m + 1) - (m + 2)m 2
式中 , fs = 1 / T 是采样频率 。滤波器的逻辑结构如图 2 所示 。
( m + 2 )ξ ωn ・ k
( 20 )
ωn = kc mξ 利用积分规则
BL =
[ 6, 8 ]
3
,进行等效噪声带宽计算 :
ka b + b - ac bak - c
2 2
τ τ 2 2 (T +2 2 ) τ τ 42
2 τ 1 2 2 2 1
k
( 15 )
ωn =
4BL ・
a = b = c =
4
・
( 21 )
G2 = G3 =
是负的才能保证系统稳定 。通过合理对其位置的选 择 ,系统的性能可以进行修正 ,同样可以调节三阶环 的阻尼系数 m 来改变系统的性能 。 比较闭环系统特征函数可知 , 两者代表同一个 系统 ,对应的系数应该相等 ,得到 ωn + 2 ξ ωn = ka mξ
2 2 ω2 ξ ωn = kb n + 2m
3
摘 要 : 锁相环在通信 、 遥测 、 导航等领域有着广泛的应用 ,三阶锁相环由于其频率斜率跟踪能力 ,越 来越受到重视 ,特别是深空探测的极窄带应用 。利用系统稳定性分析方法和高阶系统分析理论 ,分 别对两种模型的二阶环路滤波器 ,即理想二阶滤波器和三参数滤波器模型 ,推导了参数设计公式 ,给 出三阶锁相环设计参数的模拟及数字环路公式 , 并与 JPL 数字锁相环 ( DPLL ) 的设计参数经验公式 进行比较 。仿真结果表明 , 3 种设计方法近似相同 ,而所推导的参数设计方法优点在于可以灵活配 置系统的零 、 极点的位置以及阻尼系数等多种参数 ,为各种变带宽和自适应算法提供理论和应用基 础。 关键词 : 深空探测 ; 数字锁相环 ; 环路滤波器 ; 稳定条件 ; 高阶系统分析 ; 参数设计 中图分类号 : TN713 文献标识码 : A
n n- 1
+ … + an = 0 ( a0 > 0 ) 的系为三参数滤波器 , 其模型 如下 :
F ( s) = as + bs + c 2 s
2
n = 3 时的劳思 - 赫尔维茨稳定判据为 : a1 a2 - a0 a3
2 ( 1 + 2mξ ) ω2 ・ n k
mξ 3 ωn ・ k
( 21 )
式 ( 21 )即为所求的参数计算公式 , 可以利用进 行滤波器的参数设计 。其稳定性的分析采用劳思 图 2 三阶数字滤波器结构
赫尔维茨稳定判据 ,判据的内容如下 : 特征方程形如
D ( s) = a0 s + a1 s
其地面锁相接收机中的应用
[1 - 4]
。极少有文献对三
1 引 言
锁相环在通信 、 遥测 、 导航等领域有着广泛的应 用 ,目前的工程应用以二阶环为主 ,三阶环由于 其对加速度的跟踪能力 ,已经得到一定程度的应用 ,
[1 - 7]
阶锁相环的参数设计进行讨论 , 而一般以 JPL 的数 字锁相环 (DPLL ) 的经验参数公式直接进行数字锁 相环设计
利用式 ( 14 )可以进行环路滤波器的参数设计 , 设计时通过式 ( 9 ) 确保环路稳定 , 通过式 ( 13 ) 选取 环路的相位余量 。 要说明的一点是 , 利用模型推导出的参数计算 公式 ( 14 )在理论上是有缺陷的 , 通过高阶系统的分 析方法 (第 4 节所介绍的方法 ) , 所得到的方程是欠 定的 ,因为可选参数有 4 个 , 而独立参数只有 3 个 ,
[1 - 4]
。但 JPL 的参数公式已经是数字化形
式 ,对于在需要利用理论推导进行环路优化 ,或者需 要设计变带宽环路 , 甚至进行自适应算法变带宽环
并正受到越来越多的重视 , 特别是在深空探测器及
3
收稿日期 : 2008 - 06 - 20; 修回日期 : 2008 - 08 - 29 ・51・