基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计讲解
本科生毕业设计（申请学士学位）
论文题目基于Matlab的
数字锁相环的仿真设计
作者姓名
专业名称电子信息工程
指导教师
2014年5月
学生：（签字）学号：
答辩日期：2014 年 5 月24 日指导教师：（签字）
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
1 绪论 (2)
1.1 本文研究背景 (2)
1.2 本文研究意义 (2)
1.3 锁相环和仿真方式 (2)
1.3.1 锁相环 (2)
1.3.2 仿真方式 (2)
1.4 本文研究内容 (3)
2 模拟锁相环Matlab仿真 (3)
2.1 模拟锁相环方案 (3)
2.1.1 模拟鉴相器 (3)
2.1.2 模拟低通滤波器 (6)
2.1.3 模拟压控振荡器 (7)
2.2 模拟锁相环仿真 (8)
2.3 本章小结 (9)
3 数字锁相环Matlab仿真 (10)
3.1 数字锁相环方案 (10)
3.1.1 数字鉴相器 (10)
3.1.2 数字滤波器 (12)
3.1.3 数字压控振荡器 (13)
3.2 数字锁相环仿真 (14)
3.3 本章小结 (15)
4 总结与展望 (15)
参考文献 (16)
致谢 (18)
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计
摘要：锁相环是一种能够自动跟踪信号相位并达到锁频目的的闭环负反馈系统。数字锁相环在无线电领域得到较广泛的应用和发展。而且已经成为雷达、通信、导航等各类电子信号产品不可替代的元器件之一。锁相环的窄带跟踪性能使其得到较广泛应用。因为锁相技术在实际应用中较为复杂，所以锁相环的设计通常采用仿真设计这种方式。本次设计采用Matlab这一软件进行辅助仿真设计，完全能达到设计预期的目标。Matlab中的Simulink仿真软件,具有很强的灵活性和直观性。本次设计所采用的方法是在simulink中搭建模拟锁相的模型，并对模拟锁相环的组成、结构、设计进行不断的分析和改进。然后根据模拟锁相环的原理进行改进，并搭建数字锁相环。
关键词：锁相环；自动跟踪；matlab；simulink
Simulative design of digital phase-locked loop based on Matlab
Abstract:PLL is the automatic tracking system of close loop atracking signal phase. It is widely used in various fields of radio. It has become an irreplaceable part of radar, communication, navigation and all kinds of electronicsignal device. PLL is able to be widely used. Because, it has unique narrow-band tracking performance. However, because of the complexity of phase lock technique, for the design of PLL have brought great difficulty. This design uses Matlab, the simulative software for design assistance, can completely meet the design expectations. Simulink simulative software on Matlab, has strong flexibility and intuitive. Methods used by this project is to build the analog phase locked in the Simulink model, and the composition, structure, design of analog phase-locked loop of continuous improvement and analysis. It improved according to the principle of analog PLL, build digital phase-locked loop in Simulink, and then reach the simulation design of digitalphase-locked loop based on Matlab the design objective .
Key words: PLL, Automatic tracking, Matlab, simulink
1 绪论
1.1 本文研究背景
19世纪30年代法国H.de Bellescize首次提出同步检波这一概念，并且设计出锁相环电路这一划时代的研究成果 [1]。19世纪40年代,锁相环开始应用于接收机水平和垂直扫描同步这一方面[2]。19世纪50年代，空间技术得到不断发展，Jaffe和Rechtin将锁相环电路应用于导弹信号跟踪。空间技术的发展促使锁相环的研究更进一步[3]。19世纪70年代，大规模集成电路不断涌现，数字集成电路得到发展。大规模的集成电路不但精确，而且体积较小价格低廉，表示数字化的时代已经到来[4]。美国在2003年6月份推出的各个系列锁相环芯片，其操作频率较高，适用于无线网、移动电话等无线操作领域。相对国际数字电路的研究状态，中国的研究成果是较为落后的，产品和应用就更加少之又少。数字锁相环现在在生活中的应用是较为广泛的，但对于工厂化大生产来说，无论是集成设计还是工艺设计都是较难实现的，仿真设计是相对很方便的一种研究方式[5]。从2008年至今，移动
通信、有线网络、移动网络的发展，以及互联网电视等电子技术的发展更加迅速。
1.2 本文研究意义
锁相环被广泛用于调制解调,频率合成、接收机载波提取、调频解码等方面。从19世纪电子技术的不断发展和广泛应用,各种数字锁相环和模拟锁相环,在信号的传输、相干解调、载波同步以及位同步等方面发挥巨大作用。从锁相环的诞生后已广泛应用于科研、生产和生活，并会在电子科学与技术的未来发展起着至关重要的作用。随着大规模集成电路版的设计和不断制成,高速的数字集成电路得到较多关注,为数字锁相环路的研究和应用提供了广阔的空间。21世纪人们对信息的所求需要更加准确更加迅速。面对精准信息的获取锁相环的发展便显得更加重要，锁相环的研究也应跟上
时代步伐[6]。
1.3 锁相环和仿真方式
1.3.1 锁相环
按照电路元器件的组成分别为模拟电路或数字电路，锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环。（1）本文研究的模拟锁相环基本上是由模拟鉴相器、模拟滤波器、模拟压控振荡器三个部分组成。连续的模拟信号通过模拟电路进行模拟锁相。（2）本文研究的数字锁相环基本上是由数字鉴相器、数字滤波器、数字压控振荡器三个部分组成。离散的数字信号经过全部由数字元器件组成的数字电路进
行数字锁相从而达到消除频率误差的目的。
1.3.2 仿真方式
MATLAB是由MathWorks公司出品的一款数学软件。Simulink是Matlab中比较重要的仿真组
件之一，也是这次设计所需要用到的仿真软件。在Simulink环境中，用户只需要通过简单的鼠标操作，就可以选取适当的封装好的库模块，构造出较为复杂的仿真模型。与之前在Matlab中使用程序进行编程和调试具有很大差别。在Simulink环境中，可以根据用户的不同需求构造出不同的仿真系统，例如，电路中的模拟的连续的信号或者，数字的离散的信号。所组成的整个仿真模型中的库模块外表以方块图形式呈现，采用分层结构进行封装。这一仿真软件既适用于自上而下的设计流程，又适用于与之相反的自下而上的逆程设计。仿真较为精细，更接近实际效果，是一种理想化的设计
方式。且，模型内码更容易往数字信号和程序设计等硬件方面移植[7]。
1.4 本文研究内容
在simulink 中对锁相环的组成部分进行仿真，并且根据源信号和元器件的不同，组成模拟锁相环和数字锁相环。本次设计将论文研究过程分为两大部分，分别是模拟锁相环和数字锁相环。（1）先对模拟锁相环以及其元器件进行研究和设计。将理论数据和实际数据进行对比，仿真的环境是理想条件下，应该是无差的。然后根据将各个元器件合成电路组成模拟锁相环并进行仿真和总结。（2）对数字锁相环组成的各个元器件进行研究和仿真。计算实际数据，和理论数据相对比，确定仿真数据的正确性。根据元器件的性质组成数字锁相电路，以达到锁相目的，并仿真和总结。（3）将数字锁相环电路和模拟锁相环电路进行对比，并且比较两个锁相环的优劣之处。总结整个设计的过程和研究方法。
2 模拟锁相环Matlab 仿真
2.1 模拟锁相环方案
模拟锁相环是全部由模拟电路实现锁相目的的电路。模拟锁相环主要包括三个方面：模拟鉴相器、模拟环路滤波器和模拟压控振荡器。锁相环是一种反馈电路，其实质就是在于消除频率误差。锁相环是利用消除相位误差来消除频率误差。在经过不断的反馈调节之后，相位误差也许会有残余，但是频率误差可以达到完全消除。模拟锁相环是一种闭环负反馈系统，通过自身反馈系统不断调节来达到一种相对静止的稳定状态[8]
。频率源和反馈信号通过鉴相器可以得到相位差电压，即相乘信号。然后相乘信号通过环路滤波器进行低频滤波器消除噪音信号后得到滤波信号。滤波信号经过压控振荡器，压控振荡器根据滤波信号的大小使压控振荡器产生不同频率信号，即得到输出信号。经过不断反馈后的频率源信号和输出信号是无差的，就达到了锁相目的。锁相环在实际的应用中，它的反馈系统中还包括例如放大器、分频器、混频器等之类模块。但是这些模块的缺少不会影响锁相环的基本锁相功能，本设计中没有添加额外模块，但同样可以达到锁相目的[9]
。
2.1.1 模拟鉴相器
模拟锁相环中的模拟鉴相器又称为模拟相位检波器或模拟相敏检波器。它的作用是鉴别两个输入信号的相位差，并将这种相位差转化成电压信号输出，对振荡器输出的信号的频率进行控制。在锁相环中鉴相器电路可以使用一个乘法电路进行实现即相乘型鉴相器。鉴相器特性用t k t u ?=)(表示。其中k 为模拟鉴相器的增益系数即12()()t t t θθ?=-，来表示两个输入信号之间的相位差电压。乘法鉴相器是一种较为简单的传统的检相方法，其原理是基于以下数学表达式
)]sin()[sin(2
1
)sin(*)(sin B A B A B A ++-= (2-1)
假设输入信号1
()111sin[t ]X wt θ=+
假设输入信号2
()222sin[]X w t t θ=+
可以得到
1122121212121*2
sin[()]*sin[()]
11
sin[()()]sin[()()()]22
X X w t t w t t w t w t t t w w t t t θθθθθθ=++=++++-+- (2-2)
式子左边是一个接近两倍基频的波分分量，经过反馈调节和低频滤波后，频率相差不大。式子右边部分可以近似认为是一个低频或者直流分量。则，我们可以认为输入输出相乘后得到的结果为
121
sin[()()]2
t t θθ- (2-3) 近似认为 121211
sin[()()][()()]()22
t t t t t θθθθδθ-=-= (2-4)
根据公式(2-4)可以得到相角差[7]
。
鉴相器组成框图
图2-2乘法鉴相器
乘法鉴相器在simulink 中进行仿真图形及结果
信号源1：振幅为1，频率为1HZ ，相位差：π，采样时间：1/1000，每帧采样数：1 信号源
2：振幅为1，频率为1HZ ，相位差：/2π，采样时间：1/1000，每帧采样数：1
图2-3乘法鉴相器仿真图形
图2-4 乘法鉴相器仿真图像情况
信号源1
()1sin 2X t ππ=+????
信号源2
()2sin 2/2X t ππ=-????
相乘理论结果
1*2
sin[(2)]*sin[(2)/2]113=sin[(4)]sin()22221
sin[(4)]2
X X t t t t πππππππππ=+-++=- 实际计算结果
信号周期：1 ，幅度：0.5 角频率公式为
2=
T π
ω （2-5） 3241/2πωπ==
1
3sin[(4)]2
X t ππ=-
从仿真图像中可以明显看到相乘后的结果，但是理论值和实际值无差别。相乘后得到的结果是公式（2-2），经过反馈和低频滤波后可得到之前所计算的滤波后的数值()t δθ。仿真时没有使用滤波器滤波和反馈调节。在之后的设计中还需要用到低频滤波器和压控振荡器。为了方便设计和介绍，在之后的设计中将对这两部分元器件进行介绍和仿真。我们可以很明显的从图中看出两个波形相乘后的结果。
2.1.2 模拟低通滤波器
低通滤波器是电路中滤除高频只允许通过低频信号的元器件。锁相环电路中采用的低频滤波方式是巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器频率曲线较为平坦,几乎没有起伏,曲线逐渐下降到零。巴特沃斯滤波器在一阶滤波时衰减率为每倍频6dB ，每十倍频20dB 。在二阶滤波时的衰减率为每倍频12dB 、三阶滤波时衰减率为每倍频18dB 。巴特沃斯滤波器无论任何阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的滤波曲线形状的滤波器。滤波阶层越大，曲线的下降就速度越快。其他滤波器在滤波阶数增加时振幅对角频率图和低阶滤波时的振幅对角频率有不同的曲线形状[10]
。
巴特沃斯低通滤波器可以使用频率的振幅的平方公式表示
n
p
n
c
H 2222
)
(11
)
(11
|)(|ωωεωωω+=
+=
(2-6)
其中：
n = 滤波器阶数
c ω= 截止频率 = 振幅下降为-3dB 的频率
p ω= 通频带边缘频率
22
|)(|11
ωε
H =+通频带边缘数值
图2-5模拟滤波器在simulink 中仿真图形
图2-6 模拟滤波器仿真的图形
元器件参数设置
信号源1：频率为1HZ ，幅度为1 信号源2：频率为1000HZ ，幅度为10 信号源3：频率为500HZ ，幅度为5
设计中巴特沃斯滤波器参数：低频滤波，3阶滤波，带通边缘频率为1HZ 从滤波图形可以很明显得看出滤波效果[5]
。
2.1.3 模拟压控振荡器
压控振荡器是种将电压和频率之间进行对应变换原器件，在环路中作为被控振荡器，它输出电压的振荡频率随输入电压的线性地变化而变化，它的压控特性如下图所示。 静止频率：0ω；电压：)(t u c ；频率：()t u ω
图中压控振荡器的振荡频率以0ω静止频率为中心，随输入电压)(t u c 而线性变化。
)()(00t u k t c u +=ωω （2-7）
图2-7压控振荡器的压控特性
输入电压)(t u c 随时间变化时，压控振荡器的振荡频率)(u t ω也随之而变。当锁相环经过不断反馈会使)(t u c 处于一个稳定状态。这样，振荡频率也会处于一个锁定状态，锁相环也就锁住了频率。
图2-8压控振荡器仿真测试电路
图2-9 压控振荡器测试图形
模拟压控振荡器的输出幅度为3，静止频率为3HZ ，灵敏度为2HZ/V 。根据以上图形可知，模拟
压控振荡器输出信号的幅度为3。静止频率也就是物体自身的振荡频率为3HZ ，也就是0ω为3HZ 。灵敏度也就是没当输入电压变化单位1时，输出频率变化2HZ ，也就是图中参数0K 。从压控振荡器在simulink 中的测试波形可以看出压控振荡器输入电压相同时，输出电压频率相同。
2.2 模拟锁相环仿真
设计中有元器件模拟信号发生器、模拟相乘器、巴特沃斯滤波器、模拟压控振荡器以及示波器。示波器分别显示的波形是信号发生器的波形、锁相环波形、相乘后波形、巴特沃斯滤波后波形这四个波形。设计所涉及的元件较为简单，在实际的时钟电路中，模拟锁相环涉及原器件较多例如分频器和其他原器件，而本设计中简化设计同样能达到锁频的目的。
图2-10模拟锁相环仿真
图2-11模拟锁相环仿真图形
图中四个图形分别是：原信号、目的信号、滤波后信号和相乘后信号。
信号源参数：振幅：1，频率：1HZ，采样时间：1/100
鉴相器参数：输入信号数：2，采样时间：-1（表示和前一原器件采样时间相同）
巴特沃斯滤波器参数：滤波阶数：20，带通边缘频率：2HZ
HZ/V
连续压控振荡器参数：幅度：1，静止频率：1HZ，灵敏度：32
仿真的结果是原信号和目的信号的频率基本无差异。虽然相位有细微差别，但是想要的频率同步已经达到。
2.3 本章小结
模拟锁相环是由模拟鉴相器、模拟滤波器以及模拟压控振荡器三个主要原器件构成的反馈线路。（1）模拟鉴相器本设计采用模拟相乘器达到鉴相的目的，是将相位差变成电压的元器件。（2）模拟滤波器采用变化曲线较为平滑的巴特沃斯滤波器进行低频滤波。滤波器滤除电路中不需要的高频信号，保证相位差电压的不失真。（3）模拟压控振荡器是一种输出信号频率与输入控制信号电压有对
应关系的振荡原器件。将相位差电压变成与相位差电压所对应频率的信号一种元器件。
原信号和反馈信号经过模拟鉴相器鉴别相位差别，然后经过模拟滤波器进行低频滤波，滤除噪音信号，最后经过模拟压控振荡器，根据不同的电压产生不同频率的锁相环信号，从而改变原锁相环信号的频率。经过不断的反馈调节，不断将原信号和锁相环信号进行对比将整个环形电路的信号频率调整在一个和原信号频率相同的状态，从而达到锁频目的。
3 数字锁相环Matlab仿真
3.1 数字锁相环方案
数字锁相环主要由数字鉴相器、数字环路滤波器和数字压控振荡器三部分原器件组成。相对于数字锁相环，数字锁相环环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称PLL)。频率源信号和反馈信号从数字鉴相器的输入端进入，在鉴相器中进行比较并产生输出电压，即相乘信号。如果频率源信号和反馈信号相位相同则相乘信号电压为0，否则相乘信号为一实数。相乘后信号经过环路滤波器滤除电路中的高频分量，然后到达数字压控振荡器并经压控振荡器产生一个输出信号，再将输出的反馈信号和输入信号进行比较。这样电路就形成一个循环，直至频率源信号和输出信号相位相同，整个电路的相位处于一个相对的锁定状态[11]。
图3-1数字锁相环模型
3.1.1 数字鉴相器
数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与反馈信号相位的元器件，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的函数。它是锁相环路中的关键部件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器型数字鉴相器和奈奎斯特鉴相器等不同种类的鉴相器[9]。本设计中采用相乘电路实现。
图3-2数字相乘器仿真图形
图3-3 数字相乘器仿真
图3-4 数字相乘器仿真数据图像
设计1设置（数值见下表2-1）
信号源1：幅度：1，频率：1HZ，采样时间：1/5
信号源2：幅度：1，频率：4HZ，采样时间：1/5
表3-1
信号源1数值信号源2 数值相乘后数值
1 -1 -1
0.5 -0.5 -0.5
-0.5 0.5 -0.5
0 0 0
1 -0.5 -0.5
0.5 1 0.5
-0.5 -1 0.5
-1 0.5 -0.5
得到信号源1和信号源2相乘后所得到的结果。数字相乘器和模拟相乘器一样，经过反馈和低频滤
波后可以得到跟时间有关的相位差电压。
3.1.2 数字滤波器
数字低通滤波器和模拟滤波器的作用几乎一样，都是滤除高频噪音信号，降低振荡器输出频率的抖动。本设计采用巴特沃斯数字低通滤波器，来滤除噪音信号。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线比较平坦,。其他滤波器采用高阶滤波时，振幅对角频率的数量和低振幅角频率有不同的形状。
巴特沃斯滤波器和其他滤波器特性
图3-5滤波器的频率响应图
上图是巴特沃斯滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）的频率响应图[12]。
图3-6多频率噪声提取
图3-7多频率噪声提取图像
低通滤波器从噪声干扰的多频率混合信号中获取1HZ 的信号[10]
信号源1：幅度：1，频率：1HZ ，抽样频率：1/1000 信号源2：幅度：10，频率：100HZ ，抽样频率：1/1000 信号源3：幅度：5，频率：300HZ ，抽样频率：1/1000
数字滤波器设置：滤波阶层：10，截止频率c f ：2HZ ，抽样频率s f ：1000HZ
将不同频率的信号进行叠加，再通过低通滤波器，对噪声进行提取。可以，明显看出滤波效果。
3.1.3 数字压控振荡器
数字压控振荡器，又称为数字钟。和模拟压控振荡器的特性几乎相同，即对不同的输入电信号会产生不同频率的输出信号。前一采样时刻得到的校正信号将改变下一个采样时刻的脉冲时间位置（电压——频率变化装置）[13]。
图3-8数字压控振荡器simulink 仿真图形
图3-9 数字压控振荡器simulink图形
信号源参数：幅度1，频率1HZ，抽样频率：1/5
数字压控振荡器参数：幅度：1，静止频率：5HZ，灵敏度：15，抽样频率：0.01
仿真时间：2.0s；
在仿真时间的2.0秒内，信号源在1秒变化5次电压。同时这不同的5次电压对应输出信号的5个不同频率的信号。而且第2秒和第1秒相同电压的输出信号的频率相同。数字压控振荡器的电压—频率变化
可以较明显的看出。
3.2 数字锁相环仿真
设计中有数字信号发生器、数字相乘器、数字巴特沃斯滤波器、数字压控振荡器以及示波器。示波器分别显示的波形是信号发生器的波形、锁相环波形、巴特沃斯滤波后、波形相乘后波形。
图3-10 数字锁相环仿真设计
图3-11数字锁相环simulink10s 内仿真图形
图中四个图形分别是：原信号、目的信号、滤波后信号和相乘后信号。 信号源参数：振幅：1,频率：1HZ,采样时间：1/5
鉴相器参数：输入信号数：2,采样时间：-1（和前一原器件采样时间相同） 巴特沃斯滤波器参数：滤波阶数：3,带通边缘频率c f ：2HZ,阻带频率s f ：2000HZ 数字压控振荡器参数：幅度：1,静止频率：1HZ,灵敏度：32 HZ/V
仿真的结果是原信号和目的信号的频率基本无差异。虽然相位有细微差别，但是所要的频率同步已经达到。
3.3 本章小结
数字锁相环基本上是由数字鉴相器、数字滤波器和数字压控振荡器组成的负反馈系统。数字鉴相器可以根据两个输入信号是否有相位差信号产生相位差电压信号的原器件。数字滤波器和模拟滤波器的功能较为相似，都是滤除高频信号，得到想要的低频信号的原器件。数字压控振荡器是一种电压频率转换装置，根据输入信号电压的大小产生不同频率的信号的原器件。
数字锁相环原信号经过数字相乘器产生相位差电压，再经过滤波器滤除噪音信号，经过压控振荡器进行频率变换，最后再进行反馈调节使频率得以不断反馈从而实现锁频。经过仿真对比可以发现经过数字仿真锁相环后的数字波形和原信号的波形几乎一模一样。数字锁相环更加精确无误得得到了频率无差，实现了锁频的目的
[14]
。
4 总结与展望
锁相环有四种工作状态：
1、锁定状态:输入信号和反馈信号达到相同频率或者频率的整数倍状态。这时候，整个反馈系
统处于平衡状态。每个原器件的输入信号和输出信号都是稳定几乎无变换的。
2、失锁状态:反馈信号和输入信号经过鉴相器后的相位差电压不为0.而且输入信号和反馈信号无固定关系，整个系统处于不稳定状态。
3、捕获过程:由失锁状态到锁定状态之间的一个过程状态。表示系统在趋于稳定，但是还没有达到稳定状态，只是一个不断降低频率误差的过程。
4、跟踪过程:整个系统进入锁定状态，但是输入信号在不断变化，所以整个反馈系统在不断调节15]。
模拟锁相环和数字锁相环的组成方面并没有太大区别。模拟锁相环是模拟电路，由模拟元器件组成并对模拟信号在模拟电路中进行锁频。数字锁相环和模拟锁相环区别于信号源和元器件组成和原器件参数的设置。模拟器件是对所有输入的信号进行处理，但是在数字原器件这里是将输入的信号进行抽样再进行处理。在数字原器件这里抽样的频率是对数据影响较大的一个参数。在实际电路中模拟电路和数字电路可以通过数模转换和模数转换进行不断变换。但是无论是模数转换或者数模转换实际上是有损耗的过程，在变化的过程中会产生数据丢失或者出现虚假数据。
最近几年电子技术得到了不断的发展，尤其是数字化的发展更是飞速。数字锁相环因为其在数字信号的应用以及与模拟锁相环相比不含无源器件、面积小、具有较强的抗噪声能力、锁定时间短等优点替代了模拟锁相环。数字锁相环因为集成电路的应用和发展，在电子设备充斥的今天得到较广泛的应用。而且，数字原器件之所以能够在很多应用中替代模拟原器件是因为数字原器件的平稳、容易加密和解码等方面。数字锁相环和数字电路意义可靠性能比较高解决了模拟原器件中零点漂移受环境温度变化较大等特点。数字锁相环的优点是简单有效,可采用没有压控的晶振,降低成本,提高整个电路系统的稳定性。现在的数字原器件基本上都是体积小、作用全，而且很多的功能可以使用集成线路板并载入程序进行实现。全数字锁相环路已在航天领域、军工产业、无线电接收领域、移动设备等各个领域得到了极为广泛的应用。全数字锁相环精度比较高、不容易受温度和电压影响、环路带宽和中心编程频率可调、易于构建高阶锁相环等优点。随着集成数字电路技术和无线电的发展和广泛应用，不仅能够制成频率较高的锁相环路，而且可以把整个系统集成到一个芯片上去。工厂化大生产，集成电路较为普及的今天，数字锁相环的应用较为广泛[16]。
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[16] Floyd M．Gardner. Phase lock Techniques[M]. New York. New York press ,1979:3-1
锁相环电路设计
锁相环的原理 2007-01-23 00:24 1．锁相环的基本组成 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的 输入信号与部的振荡信号同步，利用锁相环 路就可以实现这个目的。 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路部振荡信号的频率和相位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成u D（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。 2．锁相环的工作原理 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： （8-4-1） （8-4-2） 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压u D为： 用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C （t）。即u C（t）为： （8-4-3） 式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：
锁相环应用电路仿真
高频电子线路实训报告锁相环路仿真设计 专业 学生姓名 学号 2015 年 6 月24日
锁相环应用电路仿真 锁相环是一种自动相位控制系统，广泛应用于通信、雷达、导航以及各种测量仪器中。锁相环及其应用电路是“通信电子电路”课程教学中的重点容，但比较抽象，还涉及到新的概念和复杂的数学分析。因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难。为此，我们将基于Multisim的锁相环应用仿真电路引入课堂教学和课后实验。实践证明，这些仿真电路可以帮助学生对相关容的理解，并为进行系统设计工作打下良好的基础。锁相环的应用电路很多，这里介绍锁相环调频、鉴频及锁相接收机的Multisim仿真电路。 1.锁相环的仿真模型 首先在Multisim软件中构造锁相环的仿真模型(图1)。基本的锁相环由鉴相器(PD)、环路滤波器(I P)和压控振荡器(VCO)三个部分组成。图中，鉴相器由模拟乘法器A 实现，压控振荡器为V3，环路滤波器由R1、C1构成。环路滤波器的输出通过R2、R3串联分压后加到 压控振荡器的输入端，直流电源V2用来调整压控振荡器的中心频率。仿真模型中，增加R2、R3及的目的就是为了便于调整压控振荡器的中心频率。 图1 锁相环的仿真模型 2.锁相接收机的仿真电路 直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图2所示。
图2 锁相环调频电路的原理框图 实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，也就是说，锁相环路只对慢变化的频率偏移有响应，使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上。而随着输人调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。 图3 锁相环调频的仿真电路 根据图2建立的仿真电路如图3所示。图中，设置压控振荡器V1在控制电压为0时，输出频率为0；控制电压为5V时，输出频率为50kHz。这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz，为此设定直流电压V3为2.5V。调制电压V4通过电阻Rs接到VCO的输人端，R实际上是作为调制信号源V4的阻，这样可以保证加到VCO输人端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和，从而满足了原理图的要求。本电路中，相加功能也可以通过一个加法器来完成，但电路要变得相对复杂一些。 VCO输出波形和输人调制电压的关系如图4所示。由图可见，输出信号频率随着输人信号的变化而变化，从而实现了调频功能。
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计金佳琪
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计 1115101021 金佳琪 摘要：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。它广泛应用于无线电的各个领域，并且，现在已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的一部分。然而由于锁相环设计的复杂性，用SPICE对锁相环进行仿真，数据量大，仿真时间长，而且需进行多次仿真以提取设计参数，设计周期长。本文借助于Matlab中Simulink仿真软件的灵活性、直观性，在Simulink 中利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型。利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型，通过仿真达到了设计的目的，验证了此全数字锁相环能达到的各项功能要求。 关键词：锁相环，MATLAB，锁定，Simulink，频率合成 全数字锁相环 随着最近几年数字电路技术的发展，锁相环路在数字领域获得了越来越多的使用。与模拟锁相环相比，全数字锁相环不含无源器件、面积小、具有较强的抗噪声能力，锁定时间短，可以很方便地在各个工艺之间转换，重用性高，设计周期短。 方案介绍 全数字锁相环包括数字鉴相鉴频器（PDF）、数字滤波器（LPF）、数字振荡器（NCO）三部分，如下图12所示： 图1 全数字锁相环的仿真框图 由图12和图11的比较可以看出，全数字锁相环实际上是通过将模拟锁相环路替换成数字电路得到的。这意味着鉴相鉴频器（PDF）、环路低通滤波器（LPF）需要转换到离散系统。环路低通滤波器（LPF）可以通过一个希望的传输函数的拉普拉斯变换的z变换而得到。压控振荡器需要转换成数控振荡器（Numerically Controlled Oscilaator）。下面详细讨论鉴相鉴频器（PDF）、环路低通滤波器（LPF）以及数控振荡器（Numerically Controlled Oscilaator）模型的建立。 模型的建立 正和上述基于频率合成的模拟锁相环的仿真模型的建立相似，全数字锁相环仿真模型的建立也基于相同的算法： 锁相环闭环系统状态的变化依赖于PFD输出的相位误差。相位误差输出一次，锁相环状态改变一次；PFD不输出相位误差，锁相环里的所有信号均不改变状态。根据上
模拟锁相环实验报告
实验一 模拟锁相环模块 一、实验原理和电路说明 模拟锁相环模块在通信原理综合实验系统中可作为一个独立的模块进行测试。在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz 时钟锁在发端的256KHz 的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 f 0=256K H z 64K H z U P 04U P 03B U P 02 U P 01512K H z 分频器÷4 分频器÷8 H D B 3 环路 滤波器 放大器图 2.1.1 模拟锁相环组成框图 T P P 02T E S T 跳线器K P 02V C O T P P 03T P P 06 T P P 04T P P 05 256K b itp s T P P 07带通滤波器 T P P 01 U P 03A 64K H z 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D 触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz ）组成。在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见图2.1.1。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz 时钟分量，经UP03B 构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz 时钟信号，该信号再通过UP03A 放大，然后经UP04A 和UP04B 两个除二分频器（共四分频）变为64KHz 信号，进入UP01鉴相输入A 脚；VCO 输出的512KHz 输出信号经UP02进行八分频变为64KHz 信号，送入UP01的鉴相输入B 脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz 频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计 摘要：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。它广泛应用于无线电的各个领域，并且，现在已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的一部分。然而由于锁相环设计的复杂性，用SPICE对锁相环进行仿真，数据量大，仿真时间长，而且需进行多次仿真以提取设计参数，设计周期长。本文借助于Matlab中Simulink仿真软件的灵活性、直观性，在Simulink 中利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型。先借助模拟锁相环直观形象、易于理解的特点，通过锁相环在频率合成方面的应用，先对模拟锁相环进行了仿真，对锁相环的工作原理进行了形象的说明。在模拟锁相环的基础上，重新利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型，通过仿真达到了设计的目的，验证了此全数字锁相环完全能达到模拟锁相环的各项功能要求。 关键词：锁相环，压控振荡器，锁定，Simulink，频率合成，仿真模块 1引言 1932年法国的H.de Bellescize提出同步捡波的理论，首次公开发表了对锁相环路的描述。到1947年，锁相环路第一次应用于电视接收机的水平和垂直扫描的同步。到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件，为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。锁相环独特的优良性能使其得到了广泛的应用，其被普遍应用于调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等。随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环，它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。而Matlab强大的数据处理和图形显示功能以及简单易学的语言形式使Matlab在工程领域得到了非常广泛的应用，特别是在系统建模与仿真方面，Matlab已成为应用最广泛的动态系统仿真软件。利用MATLAB建模可以快速地对锁相环进行仿真进而缩短开发时间。 1.1选题背景与意义 Matlab是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。1980年，时任美国新墨西哥大学计算机系主任的Cleve Moler教授在给学生讲授线性代数课程时，为使学生从繁重的数值计算中解放出来，用FORTRAN语言为学生编写了方便使用Linpack和Eispack的接口程序并命名为MATLAB，这便是MATLAB的雏形。经过几年的校际流
基于锁相环的频率合成电路设计
基于锁相环的频率合成电路设计 0 引言 锁相环简称PLL，是实现相位自动控制的一门技术，早期是为了解决接收机的同步接收问题而开发的，后来应用在电视机的扫描电路中。由于锁相技术的发展，该技术已逐渐应用到通信、导航、雷达、计算机到家用电器的各个领域。自从20 世纪70年代起，随着集成电路的发展，开始出现集成的锁相环器件、通用和专用集成单片锁相环，使锁相环逐渐变成一个低成本、使用简便的多功能器件。如今，PLL 技术主要应用在调制解调、频率合成、彩电色幅载波提取、雷达、FM立体声解码等各个领域。随着数字技术的发展，还出现了各种数字PLL器件，它们在数字通信中的载波同步、位同步、相干解调等方面起着重要的作用。随着现代电子技术的飞快发展，具有高稳定性和准确度的频率源已经成为科研生产的重要组成部分。高性能的频率源可通过频率合成技术获得。随着大规模集成电路的发展，锁相式频率合成技术占有越来越重要的地位。由一个或几个高稳定度、高准确度的参考频率源通过数字锁相频率合成技术可获得高品质的离散频率源。 1 锁相环及频率合成器的原理 1．1 锁相环原理 PLL是一种反馈控制电路，其特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因PLL可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以PLL通常用于闭环跟踪电路。PLL在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相同时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是PLL名称的由来。PLL通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，PLL组成的原理框图如图1所示。 PLL中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2所示。
基于matlab的二阶锁相环仿真设计
1 绪论 1.1 课题背景及研究意义 在现代集成电路中，锁相环（Phase Locked Loop）是一种广泛应用于模拟、数字及数模混合电路系统中的非常重要的电路模块。该模块用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说,相干的）。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步，用于完成两个信号相位同步的自动控制，即锁相。它是一个闭环的自动控制系统，它将自动频率控制和自动相位控制技术融合，它使我们的世界的一部分有序化，它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化，也可以将之称为一个相位差自动跟踪系统，它能够自动跟踪两个信号的相位差，并且靠反馈控制来达到自动调节输出信号相位的目的。其理论原理早在上世纪30年代无线电技术发展的初期就已出现，至今已逐步渗透到各个领域。伴随着空间技术的出现，锁相技术大力发展起来，其应用范围已大大拓宽，覆盖了从通信、雷达、计算机到家用电器等各领域。锁相环在通信和数字系统中可以作为时钟恢复电路应用；在电视和无线通信系统中可以用作频率合成器来选择不同的频道；此外，PLL还可应用于频率调制信号的解调。总之，PLL已经成为许多电子系统的核心部分。 锁相环路种类繁多，大致可分类如下]1[。 1.按输入信号特点分类 [1]恒定输入环路：用于稳频、频率合成等系统。 [2]随动输入环路:用于跟踪解调系统。 2.按环路构成特点分类 [1]模拟锁相环路：环路部件全部采用模拟电路，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型的锁相环也被称作线性锁相环。 [2]混合锁相环路：即由模拟和数字电路构成，鉴相器由数字电路构成，如异或门、JK触发器等，而其他模块由模拟电路构成。 [3]全数字锁相环路：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的模块完全由数字电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容。 [4]集成锁相环路：环路全部构成部件做在一片集成电路中。
简述锁相环
南京机电职业技术学院 毕业设计(论文) 题目 40MHz简易锁相环的设计 系部电子工程系专业电子信息技术工程 姓名王鑫学号 G1210145 指导教师吕彬森 2015 年 04 月09日
摘要 在无线收发信机电路中，除了发射机和接收机外，还有一个非常重要的部分就是本地振荡电路。为了保证本地振荡模块输出信号的频率稳定性和较低的相位噪声，通常本振采用锁相环技术来实现，特别在无线通信领域。 本文阐述了锁相环的基本结构和工作原理，从锁相环稳定性的角度出发，给出了无线通信电路中使用40MHz 锁相环的电路设计，并且将方案中锁相环电路进行了仿真，最终满足40MHz 锁相环的设计要求。 关键词：锁相环；鉴相器；压控振荡器
Abstract（外语专业的需要） 【英文摘要正文输入】 In the wireless transceiver circuit, in addition to the transmitter and the receiver, there is a very important part of the local oscillator circuit is. In order to ensure the stability of the local oscillator module, output signal frequency and low phase noise, the vibration by using phase locked loop technique, especially in the field of wireless communications. This paper introduces the basic structure and working principle of the phase-locked loop PLL, starting from the stability of the 40MHz PLL circuit design is given of the use of wireless communication circuit, and the scheme of PLL circuit simulation, and ultimately meet the design requirements of 40MHz phase locked loop. Keywords: Attenuation network; Attenuation quantity; Amplifier; broadband
锁相环仿真(基于MATLAB)
锁相环仿真 1.锁相环的理论分析 1．1锁相环的基本组成 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图示： 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成u D（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。 1．2锁相环的工作原理 1.2.1鉴相器 锁相环中的鉴相器（PD）通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图示： 鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡 器输出的信号电压分别为： 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压u D为：
1.2.2 低通滤波器 低通滤波器（LF）的将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C（t）。即u C（t）为： 式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： 即 则，瞬时相位差θd为 对两边求微分，可得频差的关系式为 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，u c（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，u c（t）随时间而变。 1.2.3 压控振荡器 压控振荡器（VCO）的压控特性如图示 该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压u c（t）线 性地变化，变化的关系如下：
基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计讲解
本科生毕业设计（申请学士学位） 论文题目基于Matlab的 数字锁相环的仿真设计 作者姓名 专业名称电子信息工程 指导教师 2014年5月
学生：（签字）学号： 答辩日期：2014 年 5 月24 日指导教师：（签字）
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 绪论 (2) 1.1 本文研究背景 (2) 1.2 本文研究意义 (2) 1.3 锁相环和仿真方式 (2) 1.3.1 锁相环 (2) 1.3.2 仿真方式 (2) 1.4 本文研究内容 (3) 2 模拟锁相环Matlab仿真 (3) 2.1 模拟锁相环方案 (3) 2.1.1 模拟鉴相器 (3) 2.1.2 模拟低通滤波器 (6) 2.1.3 模拟压控振荡器 (7) 2.2 模拟锁相环仿真 (8) 2.3 本章小结 (9) 3 数字锁相环Matlab仿真 (10) 3.1 数字锁相环方案 (10) 3.1.1 数字鉴相器 (10) 3.1.2 数字滤波器 (12) 3.1.3 数字压控振荡器 (13) 3.2 数字锁相环仿真 (14) 3.3 本章小结 (15) 4 总结与展望 (15) 参考文献 (16) 致谢 (18)
基于Matlab的数字锁相环的仿真设计 摘要：锁相环是一种能够自动跟踪信号相位并达到锁频目的的闭环负反馈系统。数字锁相环在无线电领域得到较广泛的应用和发展。而且已经成为雷达、通信、导航等各类电子信号产品不可替代的元器件之一。锁相环的窄带跟踪性能使其得到较广泛应用。因为锁相技术在实际应用中较为复杂，所以锁相环的设计通常采用仿真设计这种方式。本次设计采用Matlab这一软件进行辅助仿真设计，完全能达到设计预期的目标。Matlab中的Simulink仿真软件,具有很强的灵活性和直观性。本次设计所采用的方法是在simulink中搭建模拟锁相的模型，并对模拟锁相环的组成、结构、设计进行不断的分析和改进。然后根据模拟锁相环的原理进行改进，并搭建数字锁相环。 关键词：锁相环；自动跟踪；matlab；simulink Simulative design of digital phase-locked loop based on Matlab Abstract:PLL is the automatic tracking system of close loop atracking signal phase. It is widely used in various fields of radio. It has become an irreplaceable part of radar, communication, navigation and all kinds of electronicsignal device. PLL is able to be widely used. Because, it has unique narrow-band tracking performance. However, because of the complexity of phase lock technique, for the design of PLL have brought great difficulty. This design uses Matlab, the simulative software for design assistance, can completely meet the design expectations. Simulink simulative software on Matlab, has strong flexibility and intuitive. Methods used by this project is to build the analog phase locked in the Simulink model, and the composition, structure, design of analog phase-locked loop of continuous improvement and analysis. It improved according to the principle of analog PLL, build digital phase-locked loop in Simulink, and then reach the simulation design of digitalphase-locked loop based on Matlab the design objective . Key words: PLL, Automatic tracking, Matlab, simulink
锁相环设计与MATLAB仿真
本科毕业设计论文 题目锁相环设计与MATLAB仿真 _______________________________________ 专业名称电子科学与技术 学生姓名何鹏 指导教师李立欣 毕业时间2010年6月
毕业 任务书 一、题目 《锁相环设计与MATLAB 仿真》 二、指导思想和目的要求 在了解锁相环的基本工作原理的基础上，熟悉其构成及数学模型，在对锁相环有了充分的要了解后，运用MATLAB 仿真软件对其进行仿真。通过仿真看锁相环是否工作正常，参数指标是否合格来判断是否达到了仿真要求。 三、主要技术指标 1.锁相环的基本原理 2.锁相环工作期间是否经历了失锁、跟踪、捕获、锁定等四个状态。 3.锁定后平率相位是否平稳。 四、进度和要求 第3~5 周：查阅和整理资料文献，确定研究模型和研究方向； 第6~8 周：分析模型，找出其中的缺陷； 第9~11 周： 提出更容易实现的结构，对该结构具体分析； 第11~13 周：整理资料进行论文撰写、装订并翻译英文文献； 第14~15 周： 论文评阅，答辩准备，答辩 五、主要参考书及参考资料 Floyd M ．Gardner,锁相环技术（第三版）姚剑清 译，人民邮电出版社,2007 Roland E.Best,锁相环设计、仿真与应用（第五版），李永明 等译，清华学出版社，2007.4 学生 ___________ 指导教师 ___________ 系主任 ___________ 设计 论文
目录 中文摘要 (3) 英文摘要 (4) 前言 (6) 第一章绪论 (7) 1．1 锁相环的发展及国内外研究现状 (7) 1．2 本文的主要内容组织 (9) 第二章锁相环的基本理论 (10) 2.1锁相环的工作原理 (11) 2.1.1鉴相器 (11) 2.1.2 低通滤波器 (13) 2.1.3 压控振荡器 (15) 2.2锁相环的工作状态 (15) 2.3锁相环的非线性工作性能分析 (17) 2.3.1跟踪性能 (18) 2.3.2捕获性能 (18) 2.3.3失锁状态 (19) 2.4锁相环的稳定性 (20) 2.5信号流程图 (21) 2.6锁相环的优良特性 (21) 2.7锁相环的应用 (22) 2.7.1锁相环在调制和解调中的应用 (22) 2.7.2锁相环在频率合成器中的应用 (23) 2.8本章小结 (23) 第三章锁相环的噪声分析 (24)
Saber常见电路仿真实例介绍
Saber常见电路仿真实例 一稳压管电路仿真 (2) 二带输出钳位功能的运算放大器 (3) 三5V/2A的线性稳压源仿真 (4) 四方波发生器的仿真 (7) 五整流电路的仿真 (10) 六数字脉冲发生器电路的仿真 (11) 七分频移相电路的仿真 (16) 八梯形波发生器电路的仿真 (17) 九三角波发生器电路的仿真 (18) 十正弦波发生器电路的仿真 (20) 十一锁相环电路的仿真 (21)
一稳压管电路仿真 稳压管在电路设计当中经常会用到，通常在需要控制电路的最大输入、输出或者在需要提供精度不高的电压参考的时候都会使用。下面就介绍一个简单例子，仿真电路如下图所示： 在分析稳压管电路时，可以用TR分析，也可以用DT分析。从分析稳压电路特性的角度看，DT分析更为直观，它可以直接得到稳压电路输出与输入之间的关系。因此对上面的电路执行DT分析，扫描输入电压从9V到15V，步长为0.1V，分析结果如下图所示： 从图中可以看到，输入电压在9～15V变化，输出基本稳定在6V。需要注意的是，由于Saber仿真软件中的电源都是理想电源，其输出阻抗为零，因此不能直接将电源和稳压管相连接，如果直接连接，稳压管将无法发挥作用，因为理想电源能够输
出足以超出稳压管工作范围的电流。 二带输出钳位功能的运算放大器 运算放大器在电路设计中很常用,在Saber软件中提供了8个运放模板和大量的运放器件模型,因此利用Saber软件可以很方便的完成各种运方电路的仿真验证工作.如下图所示的由lm258构成的反向放大器电路,其放大倍数是5,稳压二极管1N5233用于钳位输出电压. 对该电路执行的DT分析,扫描输入电压从-2V->2V,步长为0.1V,仿真结果如下图所示:
数字锁相环参数设计与仿真
%%***********************************************% % author: sjqian % date: 2013 07 17 % description: %**************************************************** %*************system initial************************* clc; clear all; close all; Legtick=['g-o';'k-x';'b-v';'r-o';'m-x';'c-v';'r-s';'y-v';'g-s';'k-x';'b-o';]; adB=10; Qb=10; % generate input signal f=100; fs=400; Ts=1/fs; N=10;% depth of lookuptable resulution=fs/(2^N); freqCon=round(f/resulution); Kd=2^(adB+Qb); K0=2*pi/(2^N); loop=1; BL=10; BWacq=0.42*BL; wn=BL/0.53; Tacq=1.2/BL/Ts; Gain=Kd*K0; zeta=sqrt(2)/2; c1=2*zeta*wn*Ts/Gain; c2=(wn*Ts)^2/Gain; t=0/fs:1/fs:2;
fmod=f+BWacq; a=2^adB*sin(2*pi*fmod*t+pi/6)+10*randn(1,length(t)); a=round(a); b=zeros(1,length(a)); index=(0:2^N-1)/(2^N); table=round(2^Qb*sin(2*pi*index)); phaseindex=freqCon+1; b(1)=table(1);b(2)=table(freqCon+1); path2(1)=0; for i=2:length(t) dp(i)=a(i-1)*b(i)-a(i)*b(i-1); path1=c1*dp(i); path2(i)=path2(i-1)+c2*dp(i); phaseindex=phaseindex+freqCon+path1+path2(i); phaseindex=mod(round(phaseindex),2^N); b(i+1)=table(phaseindex+1); end figure; plot(a); hold on; plot(b,'r'); title('timing waveform'); grid on; figure; plot(dp); stit=sprintf('phase detector output,converge time=%d point',Tacq); title(stit); grid on; figure; plot(path2*resulution); title({'frequency offset estimation value ',num2str(BWacq)});
模拟锁相环实验报告
实验十四模拟锁相环实验 一、实验目的 1、了解用锁相环构成的调频波解调原理。 2、学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。 二、实验容 1、掌握锁相环锁相原理。 2、掌握同步带和捕捉带的测量。 三、实验仪器 1、1号模块1块 2、6号模块1块 3、5号模块1块 4、双踪示波器1台 四、锁相环的构成及工作原理 1、锁相环路的基本组成 锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为V i(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。下面逐一说明基本部件的作用。 图14-1 锁相环组成框图 一、压控振荡器（VCO） VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，也就是一个电压－频率变换器，实际上还有一种电流－频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。 二、鉴相器（PD）
PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号V 0(t)与输入信号V i (t)之间的相位差θe (t)，并把θe (t)转化为电压V d (t)输出，V d (t)称为误差电压，通常V d (t)作为一直流分量或一低频交流量。 三、环路滤波器（LF ） LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在V d (t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe (t)大小的控制信号V e (t)。 按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V 0(t)与V i (t)的相位差θe (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V d (t)，此误差电压经LF 滤波后得到V c (t)，由V c (t)去改变VCO 的振荡频率使趋近于输入信号的频率，最后达到相等。环路达到最后的这种状态就称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即 )()(t t V e d θ∝ 因此在锁定状态，θe (t)不可能为零，换言之在锁定状态V 0(t)与V i (t)仍存在相位差。 2、 锁相环锁相原理 锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。 当调频信号没有频偏时，若压控振荡器的频率与外来载波信号频率有差异时，通过相位比较器输出一个误差电压。这个误差电压的频率较低，经过低通滤波器滤去所含的高频成份，再去控制压控振荡器，使振荡频率趋近于外来载波信号频率，于是误差越来越小，直至压控振荡频率和外来信号一样，压控振荡器的频率被锁定在与外来信号相同的频率上，环路处于锁定状态。 当调频信号有频偏时，和原来稳定在载波中心频率上的压控振荡器相位比较的结果，相位比较器输出一个误差电压，如图14-2，以使压控振荡器向外来信号的频率靠近。由于压控振荡器始终想要和外来信号的频率锁定，为达到锁定的条件，相位比较器和低通滤波器向压控振荡器输出的误差电压必须随外来信号的载波频率偏移的变化而变化。也就是说这个误差控制信号就是一个随调制信号频率而变化的解调信号，即实现了鉴频。
锁相环电路设计
锁相环电路设计 PLL(锁相环)电路原理及设计 在通信机等所使用的振荡电路，其所要求的频率范围要广，且频率的稳定度要高。无论多好的LC振荡电路，其频率的稳定度，都无法与晶体振荡电路比较。但是，晶体振荡器除了可以使用数字电路分频以外，其频率几乎无法改变。如果采用PLL(锁相环)(相位锁栓回路，PhaseLockedLoop)技术，除了可以得到较广的振荡频率范围以外，其频率的稳定度也很高。此一技术常使用于收音机，电视机的调谐电路上，以及CD唱盘上的电路。 一 PLL(锁相环)电路的基本构成 PLL(锁相环)电路的概要 图1所示的为PLL(锁相环)电路的基本方块图。此所使用的基准信号为稳定度很高的晶体振荡电路信号。 此一电路的中心为相位此较器。相位比较器可以将基准信号与VCO (Voltage Controlled Oscillator……电压控制振荡器)的相位比较。如果此两个信号之间有相位差存在时，便会产生相位误差信号输出。 (将VCO的振荡频率与基准频率比较，利用反馈电路的控制，使两者的频率为一致。) 利用此一误差信号，可以控制VCO的振荡频率，使VCO的相位与基准信号的相位(也即是频率)成为一致。 PLL(锁相环)可以使高频率振荡器的频率与基准频率的整数倍的频率相一致。由
于，基准振荡器大多为使用晶体振荡器，因此，高频率振荡器的频率稳定度可以与晶体振荡器相比美。 只要是基准频率的整数倍，便可以得到各种频率的输出。 从图1的PLL(锁相环)基本构成中，可以知道其是由VCO，相位比较器，基准频率振荡器，回路滤波器所构成。在此，假设基准振荡器的频率为fr，VCO的频率为fo。 在此一电路中，假设frgt;fo时，也即是VC0的振荡频率fo比fr低时。此时的相位比较器的输出PD会如图2所示，产生正脉波信号，使VCO的振荡器频率提高。相反地，如果frlt;fo时，会产生负脉波信号。 (此为利用脉波的边缘做二个信号的比较。如果有相位差存在时，便会产生正或负的脉波输出。) 此一PD脉波信号经过回路滤波器(LoopFilter)的积分，便可以得到直流电压VR，可以控制VCO电路。 由于控制电压vr的变化，VCO振荡频率会提高。结果使得fr=f。在f与f的相位成为一致时，PD端子会成为高阻抗状态，使PLL(锁相环)被锁栓(Lock)。 相位比较器的工作原理 此所说明的相位比较器为相位．频率比较器(PFC：Phase-Frequency Comparator)之型式，后述之LSI MC145163P便内藏有此一电路。 此一型式的相位此较器并非只做相位的比较，也即是，并非只做之比较，在频率f不同的场合，也可以做为频率比较器工作原理。 所谓相位差利时△与时间t的关系为
锁相环电路设计和调试
锁相环电路设计和调试 1．锁相环的设计的起因： 这个电路设计的初衷就是为了我项目中的DDS电路提供可选的时钟输入。因为我选用的DDS电路本身自带有内部的倍频器，其实现的方法就是内部的锁相环。开始我一位内部的锁相环会比我自己外部设计性能更好，但是后来查到AD的技术资料，发现内部的锁相环的性能并不是达到很好的配置，仔细一想，也是这样的，因为外部的环路滤波器的配置对于任意的频率都如此，显然没有经过精心设计的更加有效果。鉴于上面分析的原因，我把采用锁相环提供时钟作为一项可选的优化方案。 再有一个原因，就是大学的时候采用的锁相环，到最后也没有调好，所以对这件事情还是老放不下，所以想借此机会完善一下这个过程。 2．锁相环的设计过程： 整个设计过程，比起dds电路来说，时间是非常的短的。原因之一就是整个PLL的设计就是一个芯片实现。比大学的PLL要简单一些。再有就是，这个毕竟不是项目的重点，而是一个改进方案。电路板采用两层板设计，环路滤波器在背板设计。环路滤波器的设计采用AD公司的ADSIMPLL。开始的供电设计，由于电路板的走线上比较困难，所以采用多处引线的方法。后来调试过程中发现，这样做是在是太麻烦，也比较危险，因为万一出现加反电，或加错电压就危险了。所以我建议以后做电路时，采用通用的便携式的变压器插头，这样调试起来就非常的简单了，不用再依赖于庞大的稳压电源了，而且绝对不会出现危险。调试时发现电路中的测试点对于测试非常的方便，对于地，可以留两个焊盘，然后安装弧形的金属勾，这样对于采用示波器测试是非常方便的，可以很方便的用小架子加上。再有就是安装孔的问题，内径为3mm的安装空可以采用通用的八角螺母进行固定，这样对于调试和焊接，即方便有安全。在一个就是SMA接头到底是选朝上的还是侧面的，其实再对于空间和对接口电路要求来考虑。在PCB 中间的接头肯定是选朝上的。如果没有别的要求，在电路板的边上的信号尽量采用侧面的接头。调节电流在技术资料上说是典型为50uA,最大值为100uA.我采用的是50K的电位器调节。25K*50uA=1.25V。显然由于输入的变化造成输出的变化是一定的。建议以后采用值比较小的电阻或电位器。 3．锁相环的调试过程： 真正是调试才能发现设计中的问题。太哦是工程的第一件就是先调节电源电路。在电电原的调试过程中，我发
锁相仿真电路
直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低,而采用晶体振荡器的调频电路,其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图1 所示。 图1 锁相环调频电路的原理框图 实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外,也就是说,锁相环路只对慢变化的频率偏移有响应,使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上。而随着输入调制信号的变化,振荡频率可以发生很大偏移。 图2锁相环调频的仿真电路 根据图1 建立的仿真电路如图2 所示。图中,设置压控振荡器V 1 在控制电压为0 时,输出频率为0;控制电压为5V 时,输出频率为50kHz。这样,实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz ,为此设定直流电压V 3 为2. 5V。调制电压V 4 通过电阻R5 接到VCO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源V 4 的内阻,这样可以保证加到VCO 输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和,从而满足了原理图的要求。本电路中,相加功能也可以通过一个加法器来完成,但电路要变得相对复杂一些。VCO 输出波形和输入调制电压V 4 的关系如图3 所示。由图可见,输出信号频率随着输入信号的变化而变化,从而实现了调频功能。 图3锁相环调频实验结果波形
用锁相环可实现调频信号的解调,其原理框图如图4 所示。为了实现不失真的解调,要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏,环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度。 图4 锁相环鉴频电路的原理框图 图5为相应锁相鉴频电路的仿真电路。图中的压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同。为了进一步改善低通滤波器的输出波形,在R1 、C1 的输出端,又串接了一级低通滤波电路( R4 、C2 ) 。 图5 锁相环鉴频的仿真电路 由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内,因此电阻R1 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中, R1 = 10kΩ。仿真波形如图6 所示。由图可见,该电路实现了鉴频功能。如果将R4 、C2 的输出作为VCO 的输入,则仿真结果不再正确,这在实际仿真时需要注意。 图6 锁相环鉴频实验结果波形
锁相环频率合成器的仿真设计
锁相环频率合成器的仿真设计 1任务 设计一个具有输出jhhug 频率等于N/M输入频率功能的锁相环频率合成电路，并用Proteus 完成仿真。电路示意图如下图所示。 2基本要求 分别用地址开关控制M分频和N分频，当输入信号频率10kHz时，使输出信号频率能在1kHz—200kHz范围内步进变化，步进值为0.5kHz和5kHz。 3提高要求 分别用“加”、“减”按钮开关控制M分频和N分频，当输入信号频率10kHz时，使输出信号频率能在1kHz—200kHz范围内步进变化，步进值为0.5kHz和5kHz。 RC有源滤波器的仿真设计 1任务 设计一组RC有源滤波器电路，它们分别为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、和全通滤波器，并用Proteus完成仿真。 2基本要求 二阶低通滤波器：截止频率f0=1kH z±10%，通带增益<3，Q<10； 二阶高通滤波器：截止频率f0=100H z±10%，通带增益<3，Q<10； 二阶带通滤波器：中心频率f0=3kH z±10%，通带增益<5，Q<10； 二阶带阻滤波器：中心频率f0=50H z±10%，Q<10； 一阶全通滤波器：频率f0=1kH z±10%，通带增益=1，相移=90°； 3提高要求 分别将上述电路进行组合，使之成为一些实用的电路。并综合出调整电路参数改变性能指标的方法。
图1 系统示意图 信号合成电路的仿真设计与制作 1任务 设计制作一个具有产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和三角波功能的电路。系统示意图如图1所示： 2基本要求 2.1方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为1kHz 和3kHz 与5kHz 的正弦波信号，这三种信号应具有确定的相位关系；产生的信号波形无明显失真；幅度峰峰值分别为6V 与2V 和1.2V； 2.2制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的1kHz 和3kHz 正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。 图2利用基波和3次谐波合成的近似方波 2.3再用5kHz 的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波，波形幅度为5V； 2.4根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的1kHz、3kHz、5kHz 各个正弦信号，合成一个近似的三角波形，波形幅度为5V； 3提高要求 合成波形的幅度与直流电平能数字设置和数控步进可调，步进值为0.5V 和0.05V； 1KHz 正弦波