基于PSPICE的鎖相環(huán)設(shè)計與分析

黃紅云, 李英博, 劉蘇杰

(上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

Cadence/OrCAD10.0 PSPICE是電路仿真語言SPICE移植到微機上的最早的一個版本。使用它可以很方便地在計算機上研究電路和系統(tǒng)的特性,能夠幫助真實電路在制作之前通過對其進(jìn)行仿真,了解電路和系統(tǒng)的性能。

該軟件操作方便、圖形化的波形顯示為建模和仿真數(shù)據(jù)的顯示提供了極大的便利,它提供的參數(shù)分析、交流分析、蒙特卡洛分析和最壞情況分析等分析手段能夠為實際電路和系統(tǒng)的設(shè)計選擇更好的參數(shù)[1]。與 MA TLAB相比,該軟件以SPICE建模為主,并提供了多種建模方式,能夠建立電路和系統(tǒng)的模型,更真實地反映實際電路的工作情況。

某接收機采用鎖相移頻環(huán),提取淹沒在噪聲中的雷達(dá)載頻信號,并完成雷達(dá)副載頻指令的接收和其信息提取。

本文采用PSPICE軟件對該接收機鎖相環(huán)路模型進(jìn)行建模,并可對環(huán)路穩(wěn)定性和指令解調(diào)兩方面進(jìn)行設(shè)計、分析和優(yōu)化,仿真結(jié)果也貼近于實際。

1 鎖相移頻環(huán)原理及建模

鎖相移頻環(huán)本質(zhì)上是一個采用鎖相體制的外差接收機[2],其原理框圖如圖1所示。

天線接收帶有調(diào)角的信號與本振信號混頻,并對輸出的中頻信號進(jìn)行放大處理。放大后的信號與中頻基準(zhǔn)信號進(jìn)行比相,比相輸出信號分成兩路:

a)一路經(jīng)過環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和混頻器閉合成環(huán)路,完成了外差接收和鎖相這兩個作用;

b)另一路則送給指令解調(diào)的相關(guān)電路。

圖1 鎖相移頻環(huán)原理框圖

從圖1中可以看出,鎖相環(huán)路是影響接收機性能的主要因素,外差接收僅完成移頻功能。為降低模型的復(fù)雜程度,考慮環(huán)路設(shè)計的主要因素,忽略載頻輸出射頻信號,將圖1進(jìn)行等效和簡化[3],如圖 2所示。

圖2 鎖相移頻環(huán)簡化模型框圖

在簡化后的框圖中,混頻器、中頻放大模塊都不影響整個接收機的穩(wěn)定性、解調(diào)等主要性能,因而,在PSPICE軟件中對 PLL等效環(huán)路進(jìn)行設(shè)計、建模和仿真。

鎖相移頻環(huán)等效模型的建模根據(jù)實際接收機的比相器、環(huán)路濾波器、VCO的具體電路形式,結(jié)合鎖相環(huán)理論的數(shù)學(xué)模型建立環(huán)路模型如圖3所示[4]。

圖3 鎖相移頻環(huán)簡化模型

比相器采用Analog Behavioral Modeling庫中的理論模型實現(xiàn),當(dāng)然也可以采用PSPICE軟件中控制關(guān)系滿足:V=f(V)的非線性受控源來建立,環(huán)路濾波器利用PSPICE軟件中的電容、電阻模型建模,以RC積分濾波器和無源比例積分濾波器的模型作為代表,在仿真中進(jìn)行比較。

VCO利用PSPICE軟件中的宏模型來建立,宏模型(Macro M odel)是電路或子系統(tǒng)的等效電路,以端點變量對原電路進(jìn)行精確的描述。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,含元件數(shù)比原來電路少,在模擬原電路的靜態(tài)和動態(tài)端特性內(nèi)的精度完全可以滿足要求。

2 仿真設(shè)計

采用PSPICE進(jìn)行鎖相移頻環(huán)仿真,可以代替采用簡化仿真模型理論計算系統(tǒng)特性,再通過原理樣機實驗進(jìn)行驗證的傳統(tǒng)設(shè)計方式,高效地進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的確定和方案的優(yōu)選。同時,仿真軟件能夠提供系統(tǒng)各方面的性能受關(guān)鍵參數(shù)的影響,更好地選擇和掌握接收機的特性、指標(biāo),對實際電路設(shè)計與調(diào)試具有指導(dǎo)意義。在對圖3中的環(huán)路模型進(jìn)行仿真過程中,將電阻、電容、比相器和壓控振蕩器等參數(shù)作了歸一化處理,使仿真方法和結(jié)果更具有通用性。

2.1 環(huán)路濾波器的設(shè)計

對RC積分濾波器和無源比例積分濾波器進(jìn)行幅頻、相頻特性分析,仿真結(jié)果如圖4所示,圖中Ⅰ、Ⅲ為圖3(a)所示RC積分濾波器的幅頻和相頻特性曲線;Ⅱ、Ⅳ為圖3(b)所示無源比例積分濾波器的幅頻和相頻特性曲線。

兩種濾波器都具有低通特性,當(dāng)頻率很高時,RC積分濾波器,幅度趨于零;無源比例積分濾波器則等于電阻分壓比。在相頻特性曲線中,可以看到,RC積分濾波器的相位滯后,當(dāng)頻率增大時趨近于90°;無源比例積分濾波器的相位先滯后,趨向于某一最大相位值(具體由τ1、τ2兩時間常數(shù)確定),頻率再增大時,又返回而趨近于0°。

圖4 環(huán)路濾波器頻率響應(yīng)曲線

因而,RC積分濾波器在抑制帶外噪聲方面,性能較好,而使用無源比例積分濾波器則具有超前校正作用,對改善環(huán)路的穩(wěn)定性有積極的作用。

2.2 閉環(huán)頻率響應(yīng)的設(shè)計

閉環(huán)頻率響應(yīng)是鎖相移頻環(huán)設(shè)計的重要內(nèi)容,即對圖3進(jìn)行閉環(huán)仿真。圖5是對兩種濾波器構(gòu)成的鎖相環(huán)路參數(shù)仿真的結(jié)果,圖5(a)中Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和圖5(b)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 、Ⅳ的濾波器參數(shù)相對應(yīng),以電容的倍數(shù)變化進(jìn)行掃描。為了證實RC積分濾波器收斂,對該濾波器額外掃描了曲線Ⅴ。

圖5 閉環(huán)幅頻特性曲線

從圖5中可以看出,使用RC積分濾波器的環(huán)路在參數(shù)掃描過程中,波形變化較大。在環(huán)路帶寬變窄時,該環(huán)路閉環(huán)頻率響應(yīng)對帶外衰減增大,但是在通帶到阻帶轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生振蕩,最大的一個有大約40 dB,穩(wěn)定性能受到嚴(yán)重影響。使用無源比例積分濾波器的環(huán)路在同樣的情況下,在通帶到阻帶的轉(zhuǎn)換過程中振蕩較小,最大的也不超過5dB,穩(wěn)定性較強,但帶外衰減卻并沒有隨著環(huán)路帶寬的減小而優(yōu)化。

環(huán)路濾波器和閉環(huán)頻率響應(yīng)的仿真結(jié)果表明,RC積分濾波器有較好的帶外抑制能力,但相位滯后,環(huán)路的穩(wěn)定性相對較差。接收機選用無源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器,以獲取較好的穩(wěn)定性能。同時,適度的減小圖3(b)中R2的值,增大R1的大小,可以提高無源比例積分環(huán)路對帶外噪聲的抑制能力,具體取值需要綜合考慮該環(huán)路的相位裕量。

2.3 相位裕量的設(shè)計

根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則,無需知道開環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式,也無需知道它的零極點位置,僅有環(huán)路的波特圖就可以判斷閉環(huán)的穩(wěn)定性。在工程上,通常采用漸進(jìn)開環(huán)波特圖或采用實驗的方法得到環(huán)路開環(huán)頻率響應(yīng)的波特圖來判定鎖相環(huán)閉環(huán)穩(wěn)定性,使用PSPICE軟件可以畫出準(zhǔn)確的開環(huán)波特圖,更為真實地反映環(huán)路的相位裕量和增益裕量,采用無源比例積分濾波器的鎖相環(huán)的波特圖如圖6所示,Ⅰ為幅頻特性曲線,Ⅱ為相頻特性曲線。

圖6 使用無源比例積分濾波器的開環(huán)波特圖

如圖6所示,PSPICE提供的頻率軸共用的畫圖方法,可以更加清楚地讀出相位裕量,或增益裕量。相位裕量的優(yōu)化可以使用與圖5類似的參數(shù)掃描方法,選取更優(yōu)的參數(shù),也可以采用PSPICE軟件中的優(yōu)化模塊對環(huán)路參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)選擇[5]。

圖6即為使用參數(shù)掃描方法的優(yōu)化結(jié)果,環(huán)路的相位裕量為82.8295(180-97.1705),優(yōu)化設(shè)計后的環(huán)路相位裕量足夠大,即使有寄生相移也不會影響環(huán)路的穩(wěn)定性。

2.4 指令解調(diào)設(shè)計

鎖相環(huán)路在完成穩(wěn)定的載波跟蹤后,還需要完成相位調(diào)制信號的解調(diào),即對天線信號所攜帶的無線電修正指令進(jìn)行碼元檢測。

碼元解調(diào)是針對鎖相環(huán)路比相器的輸出信號進(jìn)行,對無源比例積分濾波器的鎖相環(huán)的指令解調(diào)通路幅頻特性在前面確立的最優(yōu)參數(shù)附近進(jìn)行參數(shù)掃描分析,曲線如圖7中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ所示。

從圖7中,可以看出,使用無源比例積分濾波器的指令解調(diào)通路幅頻特性曲線呈現(xiàn)高通濾波特性,當(dāng)環(huán)路參數(shù)變化時,指令解調(diào)通道的幅頻特性曲線變化較大。對于相位調(diào)制的天線信號,為使環(huán)路不會抑制調(diào)制信號,應(yīng)該將攜帶無線電修正指令的副載頻搬移到曲線的通帶內(nèi)。在PSPICE軟件中有專用函數(shù)可以求出該通道的3 dB的截止頻率,從而為在參數(shù)掃描分析中選擇合適的環(huán)路參數(shù)提供依據(jù),最終實現(xiàn)鎖相環(huán)路碼元檢測的優(yōu)化。

圖7 指令解調(diào)通路幅頻特性曲線

3 可生產(chǎn)性分析

在生產(chǎn)過程中,接收機的電阻值、電容值以及壓控斜率都將受到試驗溫度、參數(shù)容差的影響,實際產(chǎn)品將與上述仿真結(jié)果有所差異。對于質(zhì)量是生命、工作環(huán)境可能極端惡劣的航天產(chǎn)品來說,在設(shè)計階段對生產(chǎn)中可能遇到的問題進(jìn)行分析無疑具有重大意義。

3.1 溫度掃描分析

在實際環(huán)路中,電阻、電容等模型參數(shù)值與溫度的關(guān)系非常密切,溫度變化必然通過這些元器件參數(shù)值的變化導(dǎo)致電路特性的變化。對于軍工產(chǎn)品而言,都必須經(jīng)過高低溫實驗才能成品。通過PSPICE軟件對接收機進(jìn)行溫度掃描分析,在高低溫實驗前了解到關(guān)于電路受溫度影響的信息,在必要時,對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在ORCAD/PSPICE中的各個元器件模型都考慮了模型參數(shù)與溫度的關(guān)系,在前面的特性分析中,PSPICE的默認(rèn)溫度為27℃。

圖8給出了優(yōu)化后的環(huán)路參數(shù)在溫度掃描情況,Ⅰ為指令解調(diào)通路3 dB截止頻率與溫度的變化關(guān)系曲線,Ⅱ為環(huán)路的相位裕量與溫度的變化關(guān)系曲線。圖中可以看出,相位裕量和3 dB截止頻率都是隨著溫度的升高而減小。

3.2 蒙特卡羅分析

圖8 最優(yōu)環(huán)路的溫度特性曲線

前面通過仿真優(yōu)化,確定了鎖相環(huán)的最優(yōu)環(huán)路參數(shù)。但在實際生產(chǎn)中,按照最優(yōu)環(huán)路參數(shù)設(shè)計要求采用的元器件值不可能與其標(biāo)稱值完全相同,而是具有一定的離散性,即使用器件存在容差。這樣,實際組裝的鎖相環(huán)就不可能與標(biāo)稱值模擬的結(jié)果完全相同。

因而模擬實際生產(chǎn)中因環(huán)路參數(shù)的元器件值的分散所引起的電路特性分散性是很必要的。這一點可以由ORCAD/PSPICE中由蒙特卡羅分析來完成。

鎖相環(huán)的相位裕量、指令解調(diào)通路3 dB點頻率的直方圖,如圖9(a)和9(b)所示。

圖9 最優(yōu)環(huán)路的蒙特卡羅分析

仿真共運行400次,每次運行的環(huán)路參數(shù)變化情況如下。電阻獨立隨機變化,服從高斯分布,容差范圍為1%;電容獨立隨機變化,服從高斯分布,容差范圍為10%;壓控斜率進(jìn)行蒙特卡羅分析,獨立隨機變化,服從高斯分布,容差范圍為50%。

通過蒙特卡羅分析結(jié)果的直方圖可以得知,生產(chǎn)中只要按照前面說明的容差要求選定相應(yīng)的參數(shù),盡管在實際生產(chǎn)中存在某些元器件參數(shù)有較大的分散性,但是產(chǎn)品的相位裕量和指令解調(diào)通路幅頻特性變化不大,基本不影響環(huán)路的穩(wěn)定性和指令通路幅頻特性。如即使產(chǎn)品偏差較大,也可以根據(jù)前面的電容、電阻值的掃描仿真分析結(jié)果,對環(huán)路進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)鎖相環(huán)路理論,采用PSPICE軟件在電路建模方面的優(yōu)勢,對鎖相移頻環(huán)路進(jìn)行簡化建模和仿真分析。

通過環(huán)路濾波器、閉環(huán)傳遞函數(shù)等仿真和優(yōu)化,選擇了較優(yōu)的環(huán)路參數(shù);通過溫度掃描和蒙特卡羅分析,證實了該參數(shù)有較好的可生產(chǎn)性。該方法還可以應(yīng)用于接收機多普勒速度跟蹤環(huán)路、機械控制回路等環(huán)路參數(shù)的設(shè)計和分析,為這些環(huán)路設(shè)計提供依據(jù)。

[1] 李永平,儲成偉 Pspice電路仿真程序設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 高烽多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭信號處理技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[3] A.Blanchard.Phase-Locked Loops:Application to Coherent Receiver Design[M].W iley,New York,1997.

[4] 張厥盛,鄭繼禹,萬心平 鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994.

[5] 劉蘇杰,帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計與分析[J].制導(dǎo)與引信,2005,26(4):49-52.