電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動(dòng)建模與仿真

摘 要：提出采用Matlab實(shí)現(xiàn)電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動(dòng)建模與仿真的方法，改變了傳統(tǒng)方法按固定步長(zhǎng)對(duì)時(shí)間進(jìn)行掃描的方式，它只計(jì)算特定的時(shí)間點(diǎn)，因此能夠快速并準(zhǔn)確的仿真。以三階環(huán)路為例，首次推導(dǎo)環(huán)路的相位遞歸方程，并對(duì)頻率固定信號(hào)和頻率階躍變化的信號(hào)分別進(jìn)行鎖定時(shí)間仿真，驗(yàn)證了仿真的正確性。

關(guān)鍵詞：電荷泵；鎖相環(huán)；鎖定時(shí)間；事件驅(qū)動(dòng)模型

Event-Driven Modeling and imulation of a CP-PLL

ZAO aiguo，LI Wei，WANG Zili

(Beijing Institute of Remote ensing Equipment，Beijing，100039，China)

Abstract：An event-driven modeling and simulation technique for CP-PLL，implemented in Matlab is presented in this paperIt is different from the traditional method，which scans the time in fixed stepIt enables rapid and accurate simulation as it only calculates the time instants of interesthe phase recursive equation of loop on the triple-order loop for the first time has gained，and simulation is made on locked time with respect to the signals of both constant frequency and stepped frequencyFurthermore，the correctness of the simulation is tested by experiment

Keywords：charge-pump;phase locked loop;locked time;event-driven model

1 引 言

現(xiàn)代高集成度的數(shù)/模混合集成電路中，鎖相環(huán)廣泛的應(yīng)用于頻率合成和時(shí)鐘恢復(fù)電路。其中，電荷泵鎖相環(huán)以其電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、無(wú)限的捕獲帶及非常穩(wěn)定的性能受到青睞。對(duì)電荷泵鎖相環(huán)鎖定時(shí)間的仿真，傳統(tǒng)的方法都是基于固定步長(zhǎng)按時(shí)間掃描的方式進(jìn)行的，模型精確的計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的環(huán)路參數(shù)的變化情況。為了達(dá)到較高的時(shí)間分辨率，時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠小，那就意味著，整個(gè)仿真過(guò)程需要計(jì)算大量時(shí)間點(diǎn)，而仿真一次需要的總時(shí)間和計(jì)算量是由要計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)數(shù)成正比的，所以，傳統(tǒng)的仿真方法從根本上限制了仿真速度的提高。

本文下面要介紹的事件驅(qū)動(dòng)模型則完全擺脫了按步長(zhǎng)計(jì)算的模式，它只需要計(jì)算特定的時(shí)間點(diǎn)，使得時(shí)間點(diǎn)的總數(shù)相比按步長(zhǎng)掃描的方式大大減小了，從而大大地提高了仿真速度，并且這種方法具有良好的精確性。本文主要在事件驅(qū)動(dòng)思想的基礎(chǔ)上提出了對(duì)電荷泵鎖相環(huán)鎖定時(shí)間進(jìn)行快速仿真的方法，并且用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了模型。

2 電荷泵鎖相環(huán)的基本原理

環(huán)路包括如下幾個(gè)部分：鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器。下面簡(jiǎn)單的描述它的工作原理：環(huán)路通過(guò)鑒頻鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)fi(φ)與輸出信號(hào)fy(φ)之間的相差和頻差，產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)UP和DN來(lái)控制電荷泵工作，電荷泵電路對(duì)環(huán)路濾波器充、放電以產(chǎn)生加在壓控振蕩器的控制電壓，該控制電壓與鑒相誤差成正比，從而迫使壓控振蕩器的頻率或相位向鑒相誤差減小的方向改變。當(dāng)鑒相誤差為零時(shí)，就表示鎖相環(huán)路進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。

3 事件驅(qū)動(dòng)的基本思想

事件驅(qū)動(dòng)思想[3]的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，下面做簡(jiǎn)單的介紹，一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)模型一般由以下3個(gè)部分組成：事件產(chǎn)生源、調(diào)度室、事件處理器，如圖2(a)所示。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明事件驅(qū)動(dòng)的基本思想：對(duì)一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，所謂的事件產(chǎn)生源就好比鼠標(biāo)的1次點(diǎn)擊，或者鍵盤(pán)的1次操作。調(diào)度室收集這些事件并且按某種優(yōu)先順序建立1個(gè)處理列隊(duì)，同時(shí)按順序喚醒相應(yīng)的處理進(jìn)程來(lái)處理這些事件。

4 電荷泵鎖相環(huán)的事件驅(qū)動(dòng)模型

41 事件驅(qū)動(dòng)思想應(yīng)用于電荷泵鎖相環(huán)

對(duì)于電荷泵鎖相環(huán)，能發(fā)現(xiàn)它同上述的事件驅(qū)動(dòng)思想有類似的地方，作為一個(gè)頻率與相位反饋系統(tǒng)，鑒頻鑒相器收集收入與輸出信號(hào)，進(jìn)行頻率與相位比較，根據(jù)下降沿到達(dá)的時(shí)刻(假設(shè)鑒頻鑒相器工作在下降沿觸發(fā)方式)，輸出UP和DN信號(hào)，電荷泵根據(jù)UP和DN信號(hào)的不同，工作在3種狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和高阻狀態(tài)[1]。低通濾波器和VCO因?yàn)殡姾杀霉ぷ鞯牟煌瑺顟B(tài)而做出不同的響應(yīng)，控制輸出頻率與相位的向頻差和相差減小的方向變化，新的VCO頻率與相位重新與參考信號(hào)進(jìn)行比較，形成新的事件，可以用圖2(b)表示這種事件驅(qū)動(dòng)的工作方式。

圖2(b)中，A，B和C三種處理模塊對(duì)應(yīng)著電荷泵工作在充電、放電和高阻三種工作狀態(tài)時(shí)VCO所發(fā)生頻率與相位的變化，VCO頻率與相位的變化又會(huì)觸發(fā)新事件的產(chǎn)生、形成循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、直到環(huán)路鎖定。