射频锁相环电路故障仿真与诊断方法

孙慧贤，郝晓雪，张玉华，赵 斌

(1.陆军工程大学 电子与光学工程系， 石家庄 050003； 2.电子科技大学 通信抗干扰国家级重点实验室, 成都 6117312；3.中国人民解放军66132部队， 北京 102100)

锁相环是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动跟踪系统，具有捕获、跟踪和窄带滤波的作用。被广泛应用于无线电的各个领域，已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的组成部分[1-4]。射频锁相环电路是电台、雷达等无线设备发射机和接收机的重要组成部分，其故障分析与诊断是设备维修保障领域的重要研究内容[5-8]。

锁相环电路是一种具有负反馈能力的闭合回路，任何一个模块发生故障，都会将异常状态信号传递到整个射频环的各个模块上，尽管环路的每个模块上都有其特殊的信号特征，但在出现故障时却难于在环路闭合情况下将故障准确定位到某一模块上，因此，锁相环电路的故障诊断定位是无线设备故障诊断分析的难点问题。

本文首先对锁相环电路原理进行分析；然后，建立了典型锁相环电路仿真模型，仿真分析了各模块对环路整体性能的影响；采用开环故障隔离法对环路可能出现的典型故障进行模拟和诊断分析，通过实验说明了开环故障隔离法在故障诊断定位中的应用方法。本文研究为锁相环电路故障模拟及诊断提供了理论依据，对于实际电路故障诊断具有一定参考价值。

1 锁相环电路基本原理

锁相环电路通过比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位,取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率,达到使其与输入信号频率相等的目的。此类电路具有良好的窄带载波跟踪性能、良好的宽带调制跟踪性能、易于集成的优点[9-10]。

锁相环(PLL)由三个基本部件组成,即鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO),如图1所示。

图1 锁相环基本构成

鉴相器是相位比较器，它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于相位差的误差电压ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压uc(t)的控制，uc(t)引导压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。这个过程被称为捕获或捕捉。

当环路锁定后，如果ur(t)的角频率ωr在一定范围内变化，uo(t)的角频率ωo会紧随其变化，并始终保持ωo=ωr。这个过程称为跟踪或保持。

设参考信号为:

ur(t)=Ursin[ωrt+θr(t)]

(1)

式(1)中，Ur和ωr分别为参考信号的振幅和角频率；θr(t)为参考信号以其载波相位ωrt为参考的瞬时相位。若参考信号是未调载波时，则θr(t)=θr=常数。设输出信号为:

uo(t)=Uocos[ωot+θo(t)]

(2)

式(2)中，Uo和ωo分别为压控振荡器输出信号的振幅和自由振荡角频率；θo(t)为输出信号以其载波相位ωot为参考的瞬时相位，在VCO未受控之前它是常数，受控后它是时间的函数。因此，鉴相器所比较的两信号之间的瞬时相位差为:

θe(t)=(ωrt+θr)-[ωot+θo(t)]=

(ωr-ωo)t+θr-θo(t)

由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为:

(3)

当环路锁定后式(3)最终为一固定的稳态值，即

此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率ωo，其偏移量为:

则，输出信号的频率为

由此可见，通过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。

2 锁相环电路建模与仿真

2.1 典型锁相环电路

以某型无线通信设备锁相环电路为例，进行电路仿真分析。该电路主要由混频器、低通滤波器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、射频放大器等组成，其原理框图如图2所示。该电路的主要功能是将跳频主控单元送来的14.5 MHz已调信号频谱搬移到发射机所要求的30.0～87.975 MHz范围内，同时将频率合成器可控频率范围扩大1倍，为功率放大器提供所需的激励信号。

针对图2所示的典型锁相环电路，利用Simulink软件进行电路仿真，仿真模型如图3所示。其组成主要包括正弦信号发生器、混频器、带通滤波器、环路滤波器、压控振荡器以及示波器等。

在图3所示的仿真模型中,信号发生器1的作用是模拟产生由频率合成器单元送来的44.5～73.475 MHz的混频信号。混频器1将信号发生器1产生的混频信号和VCO的输出信号进行混频，产生接近中频的信号。

信号发生器2产生14.5 MHz的中频信号,信号发生器3模拟生成未调制业务信号,由信号发生器2和信号发生器3的信号经过混频器2混频后产生的信号可以模拟无线通信设备在加密与跳频控制单元中进行的数字化中频调制过程所产生的已调中频信号，供射频环的鉴相器进行鉴相。

带通滤波器的中心频率设计成为14.5 MHz，其作用是将接近中频信号14.5 MHz的窄带信号滤出来送入鉴相器进行鉴相。鉴相器利用混频器实现，比较带通滤波器输出信号和14.5 MHz中频信号，产生频差信号。

压控振荡器是整个环路调节频率的核心环节，它根据控制信号的幅度大小，控制输出频率变化到设定的频点。此外，仿真模型中设置多个示波器(scope)，用于监测各个节点的信号情况，并能帮助判断各环节的工作状态。

图2 典型射频锁相环电路原理图

图3 锁相环路的仿真模型

环路滤波器接收鉴相器的信号滤除其中的高频分量和噪声并对环路参数调整，增加环路的稳定性，为压控振荡器提供控制信号，是环路调节的重要环节。通常，采用无源比例积分滤波器作为环路滤波器，其传递函数为：

(4)

式(4)中，τ1=(R1+R2)C,τ2=R2C,它们是两个独立的可调参数。

2.2 正常状态下各节点信号波形

利用Simulink软件对环路进行计算机仿真，按连续系统特性进行仿真，信号发生器1的Sample time设置为0，其余各模块的Sample time设置为-1，环路滤波器传递函数分子系数设置为[2.5×10-61]，分母系数设置为[0.525×10-41]。

在射频锁相环电路正常状态下，设置信号发射器1的输出频率为44.5 MHz，信号发射器2的输出频率为14.5 MHz，信号发生器3的输出频率为200 Hz。经过仿真后，可以得到各节点的信号波形，具体如图4所示。

从图4(a)中可以看出，混频器1在5×10-7s时间内输出的信号中，包含较低频率成分信号有7个周期左右，频率约为14.5 MHz。图4(b)所示为混频器1的输出经过带通滤波器后的波形，也就是将图4(a)中较高频率成分滤掉后的波形，其频率也在14.5 MHz附近。图4(c)、图4(d)、图4(f)三个节点的波形对比起来分析，用于鉴相的中频信号是一个已调的信号，它包含有电台所要发射传递的信息，所以其变化规律是同调制信号一致的，能将信息准确地传递到发射端。

3 锁相环故障定位方法

3.1 开环故障隔离法

从上文所述的锁相环电路工作原理与仿真分析结果可知，整个环路是一个有机的整体，只有通过各模块之间的相互协调、共同作用才能使整个射频环路进入正常工作状态；在闭合环路中，任何一个节点上出问题都会将错误信息传递到整个射频环的各个模块上，尽管环路的每个节点上都有其特殊的信号特征，但在出现故障时却无法在环路闭合的情况下将故障准确定位到某一模块上，鉴于此，本文采用开环故障隔离法进行故障诊断定位。

图4 锁相环电路正常状态下各节点波形

开环故障隔离方法查找故障的具体步骤为：

1) 运用理论分析环路正常工作时各节点的信号特征，并结合正常工作时的测试记录弄清每个节点的信号具体形式，以便在模拟各节点时有参考依据。

2) 采用信号发生器以及其他相关手段来模拟环路正常工作时相关节点上的具体信号，为开环后的测试提供正确的输入信号。

3) 将待测试的模块的前端输入与上一模块的输出断开，引入另外模拟的正确信号到该模块的输入上。

4) 用示波器等相关测试仪器对该待测模块的输出信号，以及它之后所连接模块的输出信号进行测试，分析信号特征是否与正常工作条件下一致，以此作为判断该模块是否出现故障的依据。

3.2 典型故障模拟与诊断分析

以VCO故障与环路滤波器故障为例，分析利用开环故障隔离法进行故障诊断和定位。

3.2.1 VCO故障模拟与分析

压控振荡器是一个电压-频率变换器，它的输入信号应该是一个控制电压，输出只对控制电压的幅度敏感。所以在对VCO外加激励源时，可以加上恒定的直流源，VCO的输出频率应该保持不变，如果变的话，可以诊断出VCO模块出现故障。此外，也可以将激励源设计成幅度变化的电压信号，同理，VCO的输出信号应该是一个随着输入信号幅度变化的信号，否则，也可以判断出VCO有故障存在。

可以将外部激励源加上后，仍然保持其他电路的畅通，如图5所示。这样做的好处是：能够直接控制外部激励源的输入，从而达到人为控制环路的目的，而不需要依靠环路自身的调整，实现链路故障的定位。

通过开环在VCO上外加恒定直流激励源的仿真，当环路各模块正常工作时，各节点的信号波形如图6所示。

在仿真中，利用方波和VCO的组合来完成VCO故障模拟，其他功能模块工作正常。此时，VCO模块和环路上其他各节点的信号波形情况如图7所示。

图5 开环外加直流激励分析VCO故障

图6 开环时VCO外加恒定直流激励源各节点信号

图7 VCO故障下各模块输出信号

从图7可以看出，VCO的输出波形是一个频率不断变化的信号；带通滤波器的输入信号随VCO的变化而变化，但它的输出信号中仍旧能滤除高频分量，从图7(c)中可以大概估计出其频率在15MHz左右，仍旧在带通滤波器的带宽范围内；环路滤波器的输入输出信号则已经紊乱。

从图7分析可知，当VCO故障时，整个后续的电路的波形都受到了严重影响，有的节点甚至失去信号本应有的特征。可以通过VCO的前后信号特征判断VCO模块存在故障。

在判断出VCO存在故障后，为了进一步检测是否还有其他模块存在故障，可将VCO与混频器之间的连线断开，用正弦发生器产生一个接近30MHz的正弦信号来替代VCO的输出，接入到混频器，进一步判断混频器是否故障。

3.2.2 环路滤波器故障模拟与分析

利用图5所示的开环方式，在VCO输入处断开环路，利用外部激励源作为模拟输入，控制环路状态，进行链路故障诊断定位。

由于环路滤波器的性能取决于组成它的电阻、电容值的大小，即不同的电阻、电容值对应着环路滤波器不同的传递函数形式，因此，在设置环路滤波器故障时，可以通过改变它的传递函数的各部分参数来达到模拟环路滤波器出现故障的目的。

当改变参数模拟环路滤波器故障时，各节点的波形如图8所示。

对比图8与图6中各节点的波形，可以确定除环路滤波器模块的输出波形外，其他各节点的波形与开环正常工作是的信号波形一致，则可以直接将故障定位在环路滤波器上，说明利用开环故障隔离方法能有效减少故障诊断的步骤、简化诊断过程。

当输出信号为图8(e)，即情况1时，可以发现环路滤波器的输入输出波形特征完全一致，这说明环路滤波器没有将信号中的高频分量滤除，则可以初步判定是由于环路滤波器的带宽过宽造成的；当输出信号为图8(f)，即情况2时，可以发现环路滤波器的输出端是一个幅度基本为零的信号，这说明信号被环路滤波器截止了，则可以判断是由于环路滤波器的带宽过窄或者环路滤波器已被损坏等故障造成的。

由VCO和环路滤波器的故障模拟和诊断的仿真分析可知，通过比对输入输出波形的特征，不仅能够判断出故障点的位置，还有利于确定故障的类型。在这一前提下，可以实现简化诊断过程。

图8 环路滤波器带宽过大时各点信号

4 结论

针对典型射频锁相环电路，建立了其等效电路模型，仿真分析了该环路正常条件下各模块输出信号的特征。针对压控振荡器故障和环路滤波器故障，利用开环故障隔离法进行故障诊断定位，通过实例证明本文所提出的方法的有效性和可行性。