基于PID控制的锁相环的制作方法

基于pid控制的锁相环
技术领域
1.本发明涉及锁相环技术领域，尤其涉及一种基于pid(proportional-integral-derivative，比例积分微分)控制的锁相环。


背景技术：

2.锁相环系统是输出信号跟踪输入信号的闭环反馈控制系统。输出信号与输入信号保持相位同步时，则锁相环处于“锁定”状态。而数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。
3.相关技术中的锁相环如图1所示，主要由dpd(digitalphase detector,数字鉴相器)、dlf(digital loop filter，数字环路滤波器)及nco(numerically controlled oscillator,数控振荡器)三个部分组成。然而，相关技术中的锁相环，存在着锁相范围窄、锁定速度慢、锁定精度差等问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于pid控制的锁相环，以提高锁相环的锁定速度和锁定精度。
5.为达到上述目的，本发明实施例提出了中基于pid控制的锁相环，包括：数字鉴相器，用于获取输入信号，并根据数控振荡器的输出信号得到反馈信号，以及获取所述输入信号与所述反馈信号之间的相位差；pid控制器，与所述数字鉴相器连接，用于计算所述相位差与目标值之间的第一差值，并对所述第一差值进行pid控制，得到频率控制字；所述数控振荡器，分别与所述数字鉴相器、所述pid控制器连接，用于根据所述频率控制字得到所述输出信号。
6.本发明实施例的基于pid控制的锁相环，在数字鉴相器获取输入信号和反馈信号之间的相位差之后，采用pid控制器计算得到相位差与目标值之间的第一差值，进而对第一差值进行pid控制，得到频率控制字，从而数控振荡器根据该频率控制字得到输出信号，数字鉴相器可以根据该输出信号得到反馈信号，由此，可以提高锁相环的锁定速度和锁定精度。
7.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
8.图1是相关技术中的锁相环的结构示意图；
9.图2是本发明一个实施例的基于pid控制的锁相环的结构示意图；
10.图3是本发明另一个实施例的基于pid控制的锁相环的结构示意图。
具体实施方式
11.下面参考附图描述本发明实施例的基于pid控制的锁相环，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。
12.图2是本发明一个实施例的基于pid控制的锁相环的结构示意图。
13.如图2所示，基于pid控制的锁相环10包括：数字鉴相器100、pid控制器200、数控振荡器300。
14.具体地，数字鉴相器100，用于获取输入信号，并根据数控振荡器300的输出信号得到反馈信号，以及获取输入信号与反馈信号之间的相位差；pid控制器200，与数字鉴相器100连接，用于计算相位差与目标值之间的第一差值，并对第一差值进行pid控制，得到频率控制字；数控振荡器300，分别与数字鉴相器100、pid控制器200连接，用于根据频率控制字得到输出信号。
15.假设上述输入信号为ui(nt)＝uisin[ω0nt θ1(nt)]，根据数控振荡器300的输出信号得到的反馈信号为u
oi
＝sin(ω0nt θ2)和u
oq
＝cos(ω0nt θ2)，则数字鉴相器100在获取得到该输入信号和该反馈信号后，将该输入信号和该反馈信号进行混频，并进行低通滤波，得到如下所示的低通滤波结果：
[0016]udi
(nt)＝lpf[ui(nt)*u
oi
(nt)]＝auiuosin[θ1(nt)-θ2(nt)]，
[0017]udq
(nt)＝lpf[ui(nt)*u
oq
(nt)]＝auiuocos[θ1(nt)-θ2(nt)]。
[0018]
其中，lpf表示低通算子，a＝1/2，ui为输入信号的幅值，u0为数控振荡器300的输出信号的幅值。
[0019]
在获取得到上述低通滤波结果u
di
(nt)、u
dq
(nt)后，利用反正切函数对该低通滤波结果进行求解，得到输入信号和反馈信号之间的相位差q(nt)＝arctan[u
di
(nt)/u
dq
(nt)]＝θ1(nt)-θ2(nt)。
[0020]
由此，通过该鉴相方法，可以实现较高的鉴相精度，避免了传统鉴相器过零检测带来的噪声污染。
[0021]
在获取得到相位差后，数字鉴相器100将该相位差输入至pid控制器200，pid控制器200首先获取用户设置的目标值，进而获取目标值与该相位差的第一差值，进而通过下式得到频率控制字：
[0022]
u(k)＝k
p
e(k) ki∑
i＝0
e(i) kd[e(k)-e(k-1)]，
[0023]
其中，u(k)为第k个周期的频率控制字，e(k)为第k个周期的第一差值，e(k-1)为第k-1个周期的第一差值，k
p
为比例控制系数，ki为积分控制系数，kd为微分控制系数，i＝0、1、2、
…
、k。上述目标值为0，即上述相位差的期望是0。
[0024]
在获取得到该频率控制字后，pid控制器200输出该频率控制字，数控振荡器300接收该频率控制字，并根据该频率控制字得到输出信号。
[0025]
在本发明的一个实施例中，参见图3，上述数字鉴相器100，包括相移模块101、混频模块102、低通滤波模块103、反正切模块104。上述pid控制器200，包括误差计算模块201、pid计算模块202。图3中的低通滤波模块103为数字低通滤波器bw order。
[0026]
具体地，相移模块101，与数控振荡器300连接，用于对输出信号进行相移，得到反馈信号；混频模块102，与相移模块101连接，用于获取输入信号，并对输入信号和反馈信号
进行混频，得到混频信号；低通滤波模块103，与混频模块102连接，用于对混频信号进行滤波，以滤除混频信号中的和频分量；反正切模块104，与低通滤波模块103连接，用于利用反正切函数对滤波后的混频信号进行运算，得到相位差。
[0027]
误差计算模块201，与数字鉴相器100连接，用于获取目标值，并计算目标值与相位差之间的第一差值；pid计算模块202，与误差计算模块201连接，用于对第一差值进行pid控制，得到频率控制字。
[0028]
其中，上述相移模块101在接收到输出信号后，对该输出信号进行相移得到反馈信号，使得该反馈信号包括输出信号和相移后的输出信号。
[0029]
混频模块102对该反馈信号与输入信号进行混频，得到包含和频分量及差频分量的混频后的信号。该混频模块102可以使用dsp(digital signal processing，数字信号处理)乘法器，例如可以为fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)内部的dsp乘法器。
[0030]
低通滤波模块103在接收到上述混频后的信号后，对该混频后的信号进行滤波，滤除该混频后的信号中的和频分量。该低通滤波模块103采用数字rc滤波实现，从而避免了传统的fir滤波器不能做到极低频信号滤波的问题，使得本技术中的基于pid控制的锁相环10可以锁定一个宽范围的正弦信号或方波信号。其中，一阶rc滤波器的传递函数为：
[0031]
uo1/ui1＝1/(2*pi*rc*f)^2 1)^0.5，
[0032]
其中，uo1为该一阶rc滤波器的输出，ui1为该一阶rc滤波器的输入，rc为该rc滤波器的时间常数，f为待滤波信号的频率。
[0033]
则有着m阶的级联型rc滤波器的传递函数为：
[0034]
uom/ui1＝1/((2*pi*rc*f)^2 1)^(0.5*m)，
[0035]
其中，uom为该有着m阶的级联型rc滤波器的输出。
[0036]
由此，可以基于上述传递函数构建低通滤波器，在本发明实施例中，采用的低通滤波器优选为有着8阶的级联型rc滤波器，即该低通滤波器的传递函数中的m为8，基于该传递函数构建低通滤波器。在实际应用中，可以采用两个乘法器和一个加法器实现该低通滤波器，且该乘法器和加法器均可以使用fpga中的，构建得到的低通滤波模块103通过下式进行滤波：
[0037][0038]
其中，x
out
为滤波后信号，x
in
为滤波前信号，ts为信号采样率，n为采样的第n个点，τn为低通滤波模块103的时间常数。
[0039]
具体而言，该式指的是具体进行数字运算的方式，而上述的传递函数则是计算不同阶数rc滤波器时间常数与截止频率的对应关系，比如说，如若需要使一个四阶rc滤波器的截止频率是xhz，则可根据时间常数与截止频率的对应关系得到对应的时间常数，从而将该时间常数代入当前
[0040]
在低通滤波模块103进行滤波后，反正切模块104对滤波结果进行反正切计算，该反正切模块104采用反正切ip核或者cordic反正切迭代算法实现，例如可以采用fpga中的。
[0041]
需要说明的是，上述基于pid控制的锁相环10，还包括载频估计器，用于对输入信号的频率进行估计，得到频率估计值。
[0042]
具体地，输入信号在输入至数字鉴相器100之前，还需要首先输入至载频估计器，以得到输入信号的频率估计值，进而实现低通滤波模块103的带宽根据频率估计值得到。
[0043]
而且，pid控制器200中使用的控制系数同样可根据频率估计值得到。具体而言，由于载频估计器的存在，后续的pid控制器200可以采取分段式环路滤波带宽，即获取上述频率估计值，并获取频率估计值对应的频段，从而根据提前标定出的频段与比例控制系数k
p
、积分控制系数ki及微分控制系数kd之间的对应关系获取所需要的控制系数。由此，可以大大缩减锁定速度并提高锁定精度。
[0044]
进一步地，pid控制器200在计算得到上述u(k)后，再将该频率控制字加上上述频率估计值作为最终的频率控制字，进而将该最终的频率控制字输入至数控振荡器300。而且，pid控制器200在计算得到上述u(k)时，需要根据频率估计值对u(k)进行限幅处理，限幅的大小是提前标定并预留余量得到的一个合理值。上述数控振荡器300例如可以采用fpga中的dds ip核实现。
[0045]
上述u(k)的上下限取决于载频估计器的精度，载频估计器的精度越高，u(k)的上下限范围越窄，pid控制器200越容易锁定。
[0046]
需要说明的是，上述基于pid控制的锁相环10中的数字鉴相器100、pid控制器200、数控振荡器300、载频估计器均可采用fpga实现，并利用fpga并行流水线计算的特点进行数据计算，即在fpga内针对上述数字鉴相器100、pid控制器200、数控振荡器300、载频估计器均开设一个流水线，实现上述数字鉴相器100、pid控制器200、数控振荡器300、载频估计器均进行流水线式的计算，从而进一步提高运行效率。
[0047]
综上，本发明实施例的基于pid控制的锁相环，在数字鉴相器获取输入信号和反馈信号之间的相位差之后，采用pid控制器计算得到相位差与目标值之间的第一差值，进而对第一差值进行pid控制，得到频率控制字，从而数控振荡器根据该频率控制字得到输出信号，数字鉴相器可以根据该输出信号得到反馈信号，由此，可以提高锁相环的锁定速度和锁定精度。而且，通过提前知晓输入信号所属频段，根据不同频率段选取相对应的pid系数，并结合本发明中精确的数字鉴相器，在很大的被测范围内仍能保证锁相环锁定速度，同时依然能保证锁相环的锁定精度。
[0048]
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0049]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述
实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0050]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0051]
在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
[0052]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0053]
在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0055]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。