数字化软件锁相环设计
数字化软件锁相环设计
摘要：本文介绍一种数字化工频锁相方法。通过频率校正环节和相位校正环节分别计算出基波分量频率和初相及其与标准信号的误差，用以调整标准信号的频率和相位。该方法不需要闭环反馈，结构简单，其响应速度能够满足一般电力电子设备数字化控制的时间要求。
关键词：软件锁相环过零检测
一、引言
软件锁相环设计是并联有源电力滤波器的一个重要环节，其谐波检测和谐波指令电流控制输出信号都必须建立在于电网电压同步的基础之上，以避免并网输出对电网冲击很大的电流和电压。因此软件锁相环的设计对于实现并网整流器的高可靠运行，起着至关重要的作用。
二、锁相环基本工作原理
锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。一般的模拟锁相环控制框图如图1所示，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF) 和压控振荡器(VCO) 组成。通过将压控振荡器的输出信号与电网电压的采样信号这两路频率和相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号，该信号是相位差的线性函数。经过低通滤波器后输出。压控振荡器在电压信号的控制下将改变输出电压信号的频率和相位，以便使信号和的频率和相位差减小。
三、锁相环的软件实现
在数字化控制中，采用软件锁相环代替传统的模拟锁相环，以减小硬件电路对锁相过程中产生的误差。本文实现软件锁相环的方法是先调整谐波检测过程的同步信号频率和电网电压的频率一致，然后再调整相位，最终实现频率和相位的一致。这种方法在调整相位时可能会使输出波形有微小的变化，但可以保证频率基本稳定，控制方法简单、直观、稳态误差较小而且易控制。
软件锁相环中标准信号正弦值通过查表法得到，每周期分为个点（以便在后面更改输出频率的时候可以比较方便）。本文设计中用=256个点来描述一个标准工频周期的正弦函数，即采样频率为12.8 kHz。通过Dsp2407的T1计数器产生，以实现对谐波电流的滤波，补偿指令电流的产生和生成相应PWM脉冲。而当市电频率或相角有所变化时，如果需要继续保持对该频率的256个点的采样，就要通过软件锁相环的频率输出值适当改变T1计数器的采样频率和相位输出改变正弦表指针的位置，以达到频率和相角的同步。
1.调频环节
当检测到市电频率高于(低于)T1采样信号所对应的市电频率时，按照一定步长逐渐增大(减小)T1周期计时器的值，直到T1采样频率能满足对被检测的市电信号的256等分。
2.调相环节
在有源滤波控制程序中使用正弦查表法得到每个T1采样时刻的正弦值，所以必然会在程序中有一正弦指针时刻指向市电在该时刻的相角值。
当发现相位超前则调整查表指针，使输出滞后一定相位，反之使输出超前一定相位，这种方法可以计算出最大的锁相时间，所以就可以根据所要求的参数来确定最小相位调节幅度。并且最终锁相的稳态误差就是一个相位的基本调节单位。
此调相法不是直接在过零点来的时候直接指回正弦表的零位，因为这样在频率变化的情况下造成相位大幅变化后，直接指回零位，会在输出波形上有一个畸变。所以我们也通过在正弦表上的指针的位置来判断实际输出波形的相位和输入波形的相位差。
对于正弦表的循环：当正弦表走到最后的时候要归零，但是调相又让我们向前追赶，那样Sinpoint的指针很有可能超过向量的最大范围，所以我们要做一步防溢出的工作就是取余，所以要在调相后做Sinpoint=Sionpoint%n，同样取余也是件麻烦事，因此将数组取为2的n次方后，就可以改为：Sinpoint=Sionpoint&0FFh(n=8)。
四、信号检测电路硬件设计
为了实现对市电380V交流电压的周期和相位的跟踪，采用LM393
迟滞过零比较器的过零检测电路，将变压器隔离的0-15v模拟采样信号整形为0-5v的矩形波，将此矩形波信号经电平转换芯片到0-3.3v 信号送入到TMS320F2407的捕获单元CAP口，过零检测电路经过LM393后的过零检测方波信号。
五、试验结果
如图1所示，蓝色线表示电网电压信号，通过TMS320F2407的CAP口捕捉如图1所示为紫色线的过零检测方波信号，在DSP捕捉中断中通过如上所述的频率校正环节和相位校正环节调整标准信号的
频率和相位，通过DA芯片TLV5620将调整后的同步信号输出至示波器黄色线显示，同步信号如图4黄色线所示，从图中可以清晰的看出，起始相位和电网相位有一定的误差，经过5个周期后，输出的同步信号基本上与电网电压信号同步，符合并联有源电力滤波器谐波检测和谐波指令电流控制输出的要求。
六、结论
本文所提出的采用基于过零检测电路的数字信号处理器
TMS320F2407的软件锁相环的实现方法，可以很好地满足并联有源电力滤波器谐波检测和谐波指令电流控制输出的要求，如相位的跟踪精度和速度，波形失真度等。实验结果验证了方法的可行性和有效性。
参考文献
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作者简介：赵海进，男，泰州人，本科，设备部负责人。
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锁相环测量简述 一、锁相环路的基本工作原理 锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。其组成方框图如下所示。 锁相环路的基本方框图 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。 如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。 环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。 二、环路部件的测量 I.鉴相器特性的测量 鉴相器的主要性能可用鉴相特性曲线和鉴相灵敏度来表示。 鉴相特性曲线是表示鉴相器的输出电压Vd与两个输入比相信号之间相位差θe的关系曲线，其测量方法如右图所示，在测量精度要求不高的情况下，可用双踪示波器来代替相位计。
全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日 摘要：锁相环是一种相位负反馈系统，它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展，全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此，本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究，并用VHDL语言编程，利用FPGA仿真。 为解决软件无线电应用扩展到射频，即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题，本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一，它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础，还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。 关键词：全数字锁相环；锁定时间；锁定精度；PID控制；自动变模控制；数控振荡器；时间数字转换器；数字环路滤波器；FPGA； Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言 锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展，但是其应用领域也在不断扩大，随着高新科技的发展，使得它的性能需要不断地改进和提高，因此，锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3]，以适应不同场合的需求。
安徽大学 本科毕业论文（设计、创作） 题目：全数字锁相环的研究与设计 学生姓名：郑义强学号：P3******* 院（系）：电子信息工程学院专业：微电子 入学时间：2011年9月 导师姓名：吴秀龙职称/学位：教授/博士 导师所在单位：安徽大学电子信息工程学院 完成时间：2015 年5月
全数字锁相环的研究与设计 摘要 锁相环路的设计和应用是当今反馈控制技术领域关注的热点，它的结构五花八门，但捕获时间短，抗干扰能力强一直是衡量锁相环性能好坏的一个标准。本文是在阅读了大量国内外关于全数字锁相环的技术文献的基础上，总结了锁相环的发展现状与技术水平，深入分析了全数字锁相环的基本结构与基本原理，利用VHDL语言，采用自上而下的设计方法，设计了一款全数字锁相环.本文主要描述了一种设计一阶全数字锁相环的方法，首先分析了课题研究的意义、锁相环的发展历程研究现状，然后描述了全数字锁相环的各个组成部件，并且详细分析了锁相环鉴相器、变模可逆计数器、加减脉冲电路、除H计数器和除N计数器各个模块的工作原理。接着我们使用了VHDL语句来完成了鉴相器、数字滤波器和数字振荡器的设计，并且分别使用仿真工具MAX＋plus II逐个验证各个模块的功能。最后，将各个模块整合起来，建立了一个一阶全数字锁相环的电路，利用仿真工具MAX＋plus II 验证了它的功能的能否实现，仿真结果与理论分析基本符合。 关键词：全数字锁相环；数字滤波器；数字振荡器；锁定时间
Design and research of ALL Digital Phase-Locked Loop Abstract The design and application of phase-locked loop is the focus of attention in the field of feedback control technology today, phase- locked loop has played a very important and unique role in variety of applications. such as the radar, measurement,communications, etc. All-digital phase-locked loop has its unique advantages. Its structure is varied, but short capture time, small synchronization error, excellent anti-interference ability is the standard measure of performance of a phase-locked loop. On the basis of reading a lot of DPLL technology literature of domestic and abroad, this article summed up the present situation and the development level of phase-locked loop technology, analysis the basic structure and principle of all-digital phase-locked loop in-depth, designed a quick all-digital phase-locked loop by using VHDL language and top-down design approach. In this brief, we presented a way of designing a first-order ALL Digital Phase-Locked Loop (ADPLL) first analyzes the significance of research, the development course of phase-locked loop current research status, and then describes the component parts of all digital phase-locked loop, and detailed analysis of the phase lock loop phase discriminator, reversible counter change mould, add and subtract pulse circuit, in addition to H counter and divide N working principle of each module. Then we use the VHDL statements to complete the phase discriminator, digital filter and the design of the digital oscillator, and using the simulation tool of MAX + plus II one by one to verify the function of each module. Finally, the various modules together, established a first-order digital phase-locked loop circuit, using the simulation tool of MAX + plus II verify the realization of its function, the simulation results and principle Keywords: All Digital Phase-Locked Loop; Digital filter; Digital oscillator, Locking time
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：
PLL(锁相环)电路原理及设计[收藏] 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。
数字锁相环介绍
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数字锁相环试验讲义 一、锁相环的分类 模拟、数字如何定义？何谓数字锁相环。是指对模拟信号进行采样量化之后（数字化）的“数字信号”的处理中应用的锁相环，还是指的对真正的“数字信号”如时钟波形进行锁定的锁相环？ 二、数字锁相环的实际应用 欲成其事，先明其义。 现代数字系统设计中，锁相环有什么样的作用。 1）在ASIC设计中的应用。 主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。 例一：为了达到ASIC设计对时钟的要求,许多工程师都在他们的设计中加入了锁相环(PLL)。PLL有很多理想的特性，例如可以倍频、纠正时钟信号的占空比以及消除时钟在分布中产生的延迟等。这些特性使设计者们可以将价格便宜的低频晶振置于芯片外作为时钟源，然后通过在芯片中对该低频时钟源产生的信号进行倍频来得到任意更高频率的内部时钟信号。同时，通过加入PLL，设计者还可以将建立-保持时间窗与芯片时钟源的边沿对齐，并以此来控制建立-保持时间窗和输入时钟源与输出信号之间的延迟。 2）在信号源产生方面的应用 例二：由于无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高，而且要求能方便地改换频率。实现频率合成有多种方法，但基本上可以归纳为直接合成法与间接合成法（锁相环路）两大类。 3）无线通信领域的实际应用 例三：GSM手机的频率系统包括参考频率锁相环，射频本振锁相环、中频本振锁相环。 广义的数字锁相环包括扩频通信中的码跟踪。 三、数字锁相环的基本原理 一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，但这些部件全部采用数字电路。具体来说数字锁相环由：数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。 四、实际应用中的数字锁相环的实现方法 PLL的结构和功能看起来十分简单，但实际上却非常复杂，因而即使是最好的电路设计者也很难十分顺利地完成PLL的设计。 在实际应用中，针对数字信号或数字时钟的特点，数字锁相环多采用超前滞后型吞吐脉冲的锁相环路来实现。 下面的框图是一个实用的数字锁相环的实现框图。
锁相电路（PLL）及其应用 自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的围。 目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。 一、锁相环路的基本工作原理 1．锁相环路的基本组成 锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。 图1 锁相环路的基本组成框图 将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。 在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出
控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。 2．锁相环路的捕捉与跟踪过程 当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。 当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。 捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。 由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ） 鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。 鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路． （1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。 （2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。 （3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。 图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。
全数字锁相环的设计 锁相环()技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现，而全数字锁相环()与传统的模拟电路实现的相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需及转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片()的深入研究，必然会在其中得到更为广泛的应用。 这里介绍一种采用硬件描述语言设计的方案。 结构及工作原理 一阶的基本结构如图所示。主要由鉴相器、变模可逆计数器、脉冲加减电路和除计数器四部分构成。变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为和。这里是环路中心频率，一般情况下和都是的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。 图数字锁相环基本结构图 鉴相器 常用的鉴相器有两种类型：异或门()鉴相器和边沿控制鉴相器()，本设计中采用异或门()鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号相位和输出信号相位之间的相位差ФФФ，并输出误差信号作为变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时，为一占空比的方波，此时的绝对相为差为°。因此异或门鉴相器相位差极限为±°。异或门鉴相器工作波形如图所示。
图异或门鉴相器在环路锁定及极限相位差下的波形 变模可逆计数器 变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号中的高频成分，保证环路的性能稳定。变模可逆计数器根据相差信号来进行加减运算。当为低电平时，计数器进行加运算，如果相加的结果达到预设的模值，则输出一个进位脉冲信号给脉冲加减电路；当为高电平时，计数器进行减运算，如果结果为零，则输出一个借位脉冲信号给脉冲加减电路。 脉冲加减电路 脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整，最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上，工作波形如图所示。 图脉冲加减电路工作波形 除计数器
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。
全数字锁相环的设计 锁相环(PLL)技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现，而全数字锁相环(DPLL)与传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片(SoC)的深入研究，DPLL必然会在其中得到更为广泛的应用。 这里介绍一种采用VERILOG硬件描述语言设计DPLL的方案。 DPLL结构及工作原理 一阶DPLL的基本结构如图1所示。主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。 图1 数字锁相环基本结构图 鉴相器 常用的鉴相器有两种类型：异或门(XOR)鉴相器和边沿控制鉴相器(ECPD)，本设计中采用异或门(XOR)鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号Fin相位和输出信号Fout相位之间的相位差Фe=Фin-Фout，并输出误差信号Se作为K变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时，Se为一占空比50%的方波，此时的绝对相为差为90°。因此异或门鉴相器相位差极限为±90°。异或门鉴相器工作波形如图2所示。
图2 异或门鉴相器在环路锁定及极限相位差下的波形 K变模可逆计数器 K变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号Se中的高频成分，保证环路的性能稳定。K变模可逆计数器根据相差信号Se来进行加减运算。当Se 为低电平时，计数器进行加运算，如果相加的结果达到预设的模值，则输出一个进位脉冲信号CARRY给脉冲加减电路；当Se为高电平时，计数器进行减运算，如果结果为零，则输出一个借位脉冲信号BORROW给脉冲加减电路。 脉冲加减电路 脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整，最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上，工作波形如图3所示。 图3 脉冲加减电路工作波形 除N计数器
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：
奈奎斯特型全数字锁相环（NR-DPLL） 注：本文截取于通信原理课程综合设计，载波提取部分中的锁相环解调部分中的基础锁相环。MATLAB编程仿真实现，想要simulink实现的同学要失望啦。代码在本文末，抱歉未加注释。理解本文需要的知识：信号与系统，数字信号处理，同步技术。
2.7载波的同步提取 提取载波信息可用锁相环进行跟踪载波或调制信息。本文采用奈奎斯特型全数字锁相环（NR-DPLL ）对接收信号进行载波同步提取，并用于相干解调。 2.7.1 NR-DPLL 结构介绍 数字锁相环的基本组成如下 图2-6 数字锁相环的组成 NR-DPLL 是基于奈奎斯特采样鉴相器、数字环路滤波器、数字控制振荡器的一种数字锁相环。下面分别对各部分作简要介绍。 2.7.2 奈奎斯特采样鉴相器 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图如图2-7所示。 图2-7 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图 为了表述方便，设数字控制振荡器（NCO ）输出的本振数字信号为 0002()cos(())k k k u t U t t ωθ=+ (2.7-1) 输入信号 101()sin(())i u t U t t ωθ=+ (2.7-2)
其中 100()(),i i o t t t θωθωωω=?+?=- 输入信号经A/D 采样后，第k 个采样时刻采样量化后的数字信号为 01()sin(())i k i k k u t U t t ωθ=+ (2.7-3) 对输入信号进行A/D 变换的采样速率由带通信号奈奎斯特采样定理确定，但为防止信号频谱混叠并保证信号相位信息的有效抽取，采样速率一般选取前置带通滤波器的两倍带宽以上。 令()(),()()i k i o k o u t u k u t u k ==，即()i u k 和()o u k 相乘后，经低通滤波得到的数字误差信号 ()sin ()d d e u k U k θ= (2.7-4) 式中 12()()()e k k k θθθ=- (2.7-5) 2.7.3 数字环路滤波器 数字环路滤波器与模拟环路中环路滤波器的作用是一样的，都是为了抑制高频分量及噪声，且滤波器的参数直接影响环路的性能。在实际应用中一阶数字环路滤波器的实现形式如图2-8所示。 图2-8 一阶数字环路滤波器的实现形式 其Z 域传递函数： 2 11 ()z ()1c d u k G F G u k z -=+-（）= (2.7-6) 按照图2-8中所实现的数字滤波器，其频率特性与理想积分滤波器的频率特性一致；两种滤波器参数之间也有着一定的对应关系。 对理想积分滤波器的传递
闭环锁相环闭环控制框图推导过程 对于并网发电系统的进网电流品质，相关国际标准做了严格规定和限制，进网电流的频率和相位必须与电网电压同步。对此，首先要保证的是进网电流参考信号能够精确、快速跟踪电网电压的相位和频率。若所获取的电网电压相位不准确，则会对并网发电系统的控制造成干扰。日前电力电子系统中广泛采用的电网相位跟踪方法是利用硬件电路检测电网电压过零点，然后根据基波信号频率来估测并获取电网电压相位。这种相位获取方式不存在相差自动调节系统，可以称为是“开环’，的，因而无法抑制电网电压的畸变和干扰。 Dian/T 锁相环采用闭环控制系统，其控制框图如图所示，通过该控制可以得到电网的相位角，作为电流相位的给定。 v αv β(2? 根据系统控制框图可以得到以下关系： d grid q grid v =v cos θv =-v sin θ ????? ???? 将电网电压代入上式，φ为电网相位角，可以得到： grid grid v =V sin φ?d grid q grid v =V sin cos θv =-V sin sin θ φφ??????????? 利用三角函数积化和差公式可以得到： ()()()(22grid d grid q V v =sin sin V v =cos cos φθφθφθφθ???)????++????????????+??????? 对进行求偏导，近似认为θ的角速度为工频角速度q v ff ω，可以得到： ()()()()22q grid ff q grid ff dv V d =sin sin d dt dv V d =sin sin d dt φφθφθωφθφθφθωθ?????????+?????????????????+?????? 从而得到对时间的微分方程如下： q v
目录 第一章绪论..................................... 错误！未定义书签。 1.1锁相环技术的发展及研究现状................................................ 错误！未定义书签。 1.2课题研究意义 ........................................................................... 错误！未定义书签。 1.3本课题的设计内容.................................................................... 错误！未定义书签。第二章 FPGA的设计基础............................ 错误！未定义书签。 2.1硬件设计语言－Verilog HDL.................................................. 错误！未定义书签。 2.2 FPGA的设计流程 ...................................................................... 错误！未定义书签。第三章锁相环的原理. (2) 3.1全数字锁相环基本结构 (3) 3.2全数字锁相环的工作原理 (4) 第四章数字锁相环的设计 (5) 4.1基于FPGA的数字锁相环总体设计方案 (5) 4.2数字鉴相器的设计 (6) 4.3 K变模可逆计数器的设计 (7) 4.4脉冲加减器的设计 (10) 4.5 N分频器的设计 (12) 第五章实验仿真与调试 (14) 5.1数字锁相环的仿真 (14) 5.2数字锁相环的系统实验 (15) 结束语 (19) 参考文献 (20) 附录 (21)
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。
通信原理实验报告三数字锁相环实验
实验3数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中，同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。 图2.2.1 数字锁相环的结构 数字锁相环的结构如图所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA内部实现，其工作过程如图所示。
T1时刻T2时刻T3时刻T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F对D信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该，图中D点的时钟与输入参考时钟C没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D点信号前沿提前。在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D点时钟信号的时钟沿在E、F时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中，各测试点定义如下： 1、TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz） 2、TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz） 3、TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz） 4、TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz） 5、TPMZ05：数字锁相环调整信号
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