基于PSPICE的锁相环设计与分析

2011-12-03黄红云李英博刘苏杰

制导与引信 2011年3期

黄红云, 李英博, 刘苏杰

(上海无线电设备研究所,上海200090)

0 引言

Cadence/OrCAD10.0 PSPICE是电路仿真语言SPICE移植到微机上的最早的一个版本。使用它可以很方便地在计算机上研究电路和系统的特性,能够帮助真实电路在制作之前通过对其进行仿真,了解电路和系统的性能。

该软件操作方便、图形化的波形显示为建模和仿真数据的显示提供了极大的便利,它提供的参数分析、交流分析、蒙特卡洛分析和最坏情况分析等分析手段能够为实际电路和系统的设计选择更好的参数[1]。与 MA TLAB相比,该软件以SPICE建模为主,并提供了多种建模方式,能够建立电路和系统的模型,更真实地反映实际电路的工作情况。

某接收机采用锁相移频环,提取淹没在噪声中的雷达载频信号,并完成雷达副载频指令的接收和其信息提取。

本文采用PSPICE软件对该接收机锁相环路模型进行建模,并可对环路稳定性和指令解调两方面进行设计、分析和优化,仿真结果也贴近于实际。

1 锁相移频环原理及建模

锁相移频环本质上是一个采用锁相体制的外差接收机[2],其原理框图如图1所示。

天线接收带有调角的信号与本振信号混频,并对输出的中频信号进行放大处理。放大后的信号与中频基准信号进行比相,比相输出信号分成两路:

a)一路经过环路滤波器、压控振荡器和混频器闭合成环路,完成了外差接收和锁相这两个作用;

b)另一路则送给指令解调的相关电路。

图1 锁相移频环原理框图

从图1中可以看出,锁相环路是影响接收机性能的主要因素,外差接收仅完成移频功能。为降低模型的复杂程度,考虑环路设计的主要因素,忽略载频输出射频信号,将图1进行等效和简化[3],如图 2所示。

图2 锁相移频环简化模型框图

在简化后的框图中,混频器、中频放大模块都不影响整个接收机的稳定性、解调等主要性能,因而,在PSPICE软件中对 PLL等效环路进行设计、建模和仿真。

锁相移频环等效模型的建模根据实际接收机的比相器、环路滤波器、VCO的具体电路形式,结合锁相环理论的数学模型建立环路模型如图3所示[4]。

图3 锁相移频环简化模型

比相器采用Analog Behavioral Modeling库中的理论模型实现,当然也可以采用PSPICE软件中控制关系满足:V=f(V)的非线性受控源来建立,环路滤波器利用PSPICE软件中的电容、电阻模型建模,以RC积分滤波器和无源比例积分滤波器的模型作为代表,在仿真中进行比较。

VCO利用PSPICE软件中的宏模型来建立,宏模型(Macro M odel)是电路或子系统的等效电路,以端点变量对原电路进行精确的描述。其拓扑结构简单,含元件数比原来电路少,在模拟原电路的静态和动态端特性内的精度完全可以满足要求。

2 仿真设计

采用PSPICE进行锁相移频环仿真,可以代替采用简化仿真模型理论计算系统特性,再通过原理样机实验进行验证的传统设计方式,高效地进行系统参数的确定和方案的优选。同时,仿真软件能够提供系统各方面的性能受关键参数的影响,更好地选择和掌握接收机的特性、指标,对实际电路设计与调试具有指导意义。在对图3中的环路模型进行仿真过程中,将电阻、电容、比相器和压控振荡器等参数作了归一化处理,使仿真方法和结果更具有通用性。

2.1 环路滤波器的设计

对RC积分滤波器和无源比例积分滤波器进行幅频、相频特性分析,仿真结果如图4所示,图中Ⅰ、Ⅲ为图3(a)所示RC积分滤波器的幅频和相频特性曲线;Ⅱ、Ⅳ为图3(b)所示无源比例积分滤波器的幅频和相频特性曲线。

两种滤波器都具有低通特性,当频率很高时,RC积分滤波器,幅度趋于零;无源比例积分滤波器则等于电阻分压比。在相频特性曲线中,可以看到,RC积分滤波器的相位滞后,当频率增大时趋近于90°;无源比例积分滤波器的相位先滞后,趋向于某一最大相位值(具体由τ1、τ2两时间常数确定),频率再增大时,又返回而趋近于0°。

图4 环路滤波器频率响应曲线

因而,RC积分滤波器在抑制带外噪声方面,性能较好,而使用无源比例积分滤波器则具有超前校正作用,对改善环路的稳定性有积极的作用。

2.2 闭环频率响应的设计

闭环频率响应是锁相移频环设计的重要内容,即对图3进行闭环仿真。图5是对两种滤波器构成的锁相环路参数仿真的结果,图5(a)中Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和图5(b)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 、Ⅳ的滤波器参数相对应,以电容的倍数变化进行扫描。为了证实RC积分滤波器收敛,对该滤波器额外扫描了曲线Ⅴ。

图5 闭环幅频特性曲线

从图5中可以看出,使用RC积分滤波器的环路在参数扫描过程中,波形变化较大。在环路带宽变窄时,该环路闭环频率响应对带外衰减增大,但是在通带到阻带转换时产生振荡,最大的一个有大约40 dB,稳定性能受到严重影响。使用无源比例积分滤波器的环路在同样的情况下,在通带到阻带的转换过程中振荡较小,最大的也不超过5dB,稳定性较强,但带外衰减却并没有随着环路带宽的减小而优化。

环路滤波器和闭环频率响应的仿真结果表明,RC积分滤波器有较好的带外抑制能力,但相位滞后,环路的稳定性相对较差。接收机选用无源比例积分滤波器作为环路滤波器,以获取较好的稳定性能。同时,适度的减小图3(b)中R2的值,增大R1的大小,可以提高无源比例积分环路对带外噪声的抑制能力,具体取值需要综合考虑该环路的相位裕量。

2.3 相位裕量的设计

根据奈奎斯特准则,无需知道开环传递函数的表达式,也无需知道它的零极点位置,仅有环路的波特图就可以判断闭环的稳定性。在工程上,通常采用渐进开环波特图或采用实验的方法得到环路开环频率响应的波特图来判定锁相环闭环稳定性,使用PSPICE软件可以画出准确的开环波特图,更为真实地反映环路的相位裕量和增益裕量,采用无源比例积分滤波器的锁相环的波特图如图6所示,Ⅰ为幅频特性曲线,Ⅱ为相频特性曲线。

图6 使用无源比例积分滤波器的开环波特图

如图6所示,PSPICE提供的频率轴共用的画图方法,可以更加清楚地读出相位裕量,或增益裕量。相位裕量的优化可以使用与图5类似的参数扫描方法,选取更优的参数,也可以采用PSPICE软件中的优化模块对环路参数进行最优选择[5]。

图6即为使用参数扫描方法的优化结果,环路的相位裕量为82.8295(180-97.1705),优化设计后的环路相位裕量足够大,即使有寄生相移也不会影响环路的稳定性。

2.4 指令解调设计

锁相环路在完成稳定的载波跟踪后,还需要完成相位调制信号的解调,即对天线信号所携带的无线电修正指令进行码元检测。

码元解调是针对锁相环路比相器的输出信号进行,对无源比例积分滤波器的锁相环的指令解调通路幅频特性在前面确立的最优参数附近进行参数扫描分析,曲线如图7中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ所示。

从图7中,可以看出,使用无源比例积分滤波器的指令解调通路幅频特性曲线呈现高通滤波特性,当环路参数变化时,指令解调通道的幅频特性曲线变化较大。对于相位调制的天线信号,为使环路不会抑制调制信号,应该将携带无线电修正指令的副载频搬移到曲线的通带内。在PSPICE软件中有专用函数可以求出该通道的3 dB的截止频率,从而为在参数扫描分析中选择合适的环路参数提供依据,最终实现锁相环路码元检测的优化。

图7 指令解调通路幅频特性曲线

3 可生产性分析

在生产过程中,接收机的电阻值、电容值以及压控斜率都将受到试验温度、参数容差的影响,实际产品将与上述仿真结果有所差异。对于质量是生命、工作环境可能极端恶劣的航天产品来说,在设计阶段对生产中可能遇到的问题进行分析无疑具有重大意义。

3.1 温度扫描分析

在实际环路中,电阻、电容等模型参数值与温度的关系非常密切,温度变化必然通过这些元器件参数值的变化导致电路特性的变化。对于军工产品而言,都必须经过高低温实验才能成品。通过PSPICE软件对接收机进行温度扫描分析,在高低温实验前了解到关于电路受温度影响的信息,在必要时,对设计参数进行调整。

在ORCAD/PSPICE中的各个元器件模型都考虑了模型参数与温度的关系,在前面的特性分析中,PSPICE的默认温度为27℃。

图8给出了优化后的环路参数在温度扫描情况,Ⅰ为指令解调通路3 dB截止频率与温度的变化关系曲线,Ⅱ为环路的相位裕量与温度的变化关系曲线。图中可以看出,相位裕量和3 dB截止频率都是随着温度的升高而减小。

3.2 蒙特卡罗分析

图8 最优环路的温度特性曲线

前面通过仿真优化,确定了锁相环的最优环路参数。但在实际生产中,按照最优环路参数设计要求采用的元器件值不可能与其标称值完全相同,而是具有一定的离散性,即使用器件存在容差。这样,实际组装的锁相环就不可能与标称值模拟的结果完全相同。

因而模拟实际生产中因环路参数的元器件值的分散所引起的电路特性分散性是很必要的。这一点可以由ORCAD/PSPICE中由蒙特卡罗分析来完成。

锁相环的相位裕量、指令解调通路3 dB点频率的直方图,如图9(a)和9(b)所示。

图9 最优环路的蒙特卡罗分析

仿真共运行400次,每次运行的环路参数变化情况如下。电阻独立随机变化,服从高斯分布,容差范围为1%;电容独立随机变化,服从高斯分布,容差范围为10%;压控斜率进行蒙特卡罗分析,独立随机变化,服从高斯分布,容差范围为50%。

通过蒙特卡罗分析结果的直方图可以得知,生产中只要按照前面说明的容差要求选定相应的参数,尽管在实际生产中存在某些元器件参数有较大的分散性,但是产品的相位裕量和指令解调通路幅频特性变化不大,基本不影响环路的稳定性和指令通路幅频特性。如即使产品偏差较大,也可以根据前面的电容、电阻值的扫描仿真分析结果,对环路进行调整。