锁相环学习总结
通过这段的学习，我对锁相环的一些基本概念、结构构成、工作原理、主要参数以及simulink 搭建仿真模型有了较清晰的把握与理解，同时，在仿真中也出现了一些实际问题，下面我将对这段学习中对锁相环的认识和理解、设计思路以及中间所遇到的问题作一下总结：
1. 概述
锁相环（PLL ）是实现两个信号相位同步的自动控制系统，组成锁相环的基本部件有检相器（PD ）、环路滤波器（LF ）、压控振荡器（VCO ），其结构图如下所示：
2. 锁相环的基本概念和重要参数指标
锁相是相位锁定的简称，表示两个信号之间相位同步。若两正弦信号如下所示：
相位同步是指两个信号频率相等，相差为一固定值。
)
(sin )sin()()(sin )sin()('t U t U t u t U t U t u o o o o o i i i i i θθωθθω=+==+=
当i ω=o ω，两个信号之间的相位差 为一固定值，
不 随时间变化而变化，称两信号相位同步。
当i ω≠o ω，两个信号的相位差 ，不论i
θ 是否等于o θ，只要时间有变化，那么相位差就会随时间变化而
变化，称此时两信号不同步。若这两个信号分别为锁相环的输入和输出，则此时环路出于失锁状态。
当环路工作时，且输入与输出信号频差在捕获带范围之内，通过环路的反馈控制，输出信号的瞬时角频率)(t v ω便由o ω向i ω方向变化，总会有一个时刻使得i ω=o ω，相位差等于0或一个非常小的常数，那么此时称为相位锁定，环路处于锁定状态。若达到锁定状态后，输入信号频率变化，通过环路控制，输出信号也继续变化
并向输入信号频率靠近，相位差保持在一个固定的常数之内，则称环路此时为跟踪状态。锁定状态可以认为是静态的相位同步，而跟踪状态则为动态的相位同步。 环路从失锁进入到锁定状态称为捕获状态。
其他几个环路工作时的重要概念：
快捕带：能使环路快捕入锁的最大频差称为环路的快捕带，记为
L ω?，两倍的快捕带为快捕范围。
捕获带：能使环路进入锁定的最大固有频差，用P ω?表示，两倍的捕获带为捕获范围。
同步带：环路在所定条件下，可缓慢增加固有频差，直到环路失
o i t t θθθθ-=-)()('
o i o i t t t θθωωθθ-+-=-)()()('
锁，把能够维持环路锁定的最大固有频差成为同步带，用H ω?，2H ω?为同步范围。 三者关系为：H P L ωωω?
在理想二阶环的情况下，在捕获状态下，评价捕获性能的主要指标为P ω?、L ω?和捕获时间P T 。计算式如下：
3
2
02/2n
P P n L T ξωωωξωω?=∞=?=?
其中，n ω为自然谐振角频率，后面将介绍n ω在设计环路滤波器时，将与ξ（阻尼系数，由于考虑到不同ξ对多种输入信号的误差响应和输出响应的影响，选取使响应曲线最平稳的最佳值0.707）决定滤波器两个参数的大小，仿真中可通过设定快捕带得到n ω。从这可以看到，P T 不仅与环路参数有关，而且与初始频差有关，固有频差越大，则需捕获时间就越长。
在同步状态下，重要的指标有稳态相位误差)(∞e θ和H ω?，环路锁定后，频差等于0，但稳态相差通常会存在，它反映了环路的跟踪精度，稳态相差越小，跟踪精度越高。理想二阶环条件下，
∞=?H ω。
3. 锁相环的构成及工作原理
从锁相环结构图看到，其包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。
3.1. 鉴相器
正弦型鉴相器即一乘法器（有些资料后接LPF ），用于检测环路输入信号相位与输出信号相位间的相位误差)(t e θ，设输入输出信号分别为：
作如下变换：
通过鉴相器后得到，
m K 为相乘系数，这里为1/2。
3.2. 环路滤波器
由通过检相器式子看出，检相器输出包含了和频分量和差频分量，通过环路滤波器，由于其具有低通特性，和频分量将被滤除，输出为振荡器的控制信号)(t u c 。记F(p)为环路滤波器的传递函数，则)()()(t u p F t u d c =。
)
(sin )sin()(t U t U t u i i i i i θθω=+=)
(cos ))(cos()('t U t t U t u o o o o o θθω=+=)()()
()()(;)()(2'11t t t t t t t t t t t t o o i o o i o i o i o i i θωθθωθθωθωωωθωωωθωθ+=+=+?=-=?+-+=+=)]()(2sin[)]()({sin[***)2/1()()(2121t t t t t U U K t u t u K o o i m o i m θθωθθ+++-=)
()(t U t u e d d θ=
3.3. 压控振荡器
压控振荡器为电压频率变换器，其瞬时频率为 当)(t u c =0时，)(t v ω=0ω。瞬时相位可以表示为
通过以上分析，得到模拟锁相环的相位模型为：
相应的数字锁相环的模型为
则PLL 的动态方程为
4. 数字锁相环的设计及simulink 仿真
数字锁相环的设计主要在于环路滤波器和NCO 的设计，而鉴相器则为一简单的数字乘法器。下面将主要介绍数字环路滤波器和NCO 的设计。
)
()]([)(t u K t u f t c o o c v +==ωω)
(*p /)(dt
)(dt
)()(2t
0t
0't u K t t u K t t c o c o o v ）（=?+=?=θωωθ)
(sin )p (KF )(p )(p 1t t t e e θθθ-=
4.1.数字环路滤波器设计
在清楚数字环路滤波器的结构后，数字环路滤波器的系数是设计的主要部分，其结构如下图所示（simulink仿真图）：
传输函数为：)
1/(
)(
/)(
)(1
2
1
-
-
+
=
=z
C
C
k
u
k
u
z
F
d
c
由PLL的线性化数字模型得到的传递函数，将N(z)和F(z)代入得到
12
()
121
()
12
1[()2](1)
121
K K C C z K K C z
o d o d
H z
K K C C z K K C z
o d o d
--
+-
=
--
++-+-
由PLL的线性化模拟模型得到传递函数并代入N(s)及F(s)，然后进行双线性变换（)
1/()
1)(
/2(1
1-
-+
-
=z
z
T
s
s
）得到
22122
[4()]2()[()4]
()
2221
[44()](1)[2()8]
T T T z T T z
n n n n n
H z
T T z T z
n n n
ξωωωωξω
ξωωω
--
+++-
=
--
++++-
比较两式得到C1、C2，分别为
)
)
(
4
4
/(
)
(4
*)
/1(
)
)
(
4
4
/(
8*)
/1(
2
2
2
2
1
T
T
T
K
K
C
T
T
T
K
K
C
n
n
n
d
o
n
n
n
d
o
ω
ξω
ω
ω
ξω
ξω
+
+
=
+
+
=
通常
d
o
K
K
K=取1，ξ取0.707，nω可由自己设定的快捕带得到，T为抽样间隔，经计算然后可以求得两参数。
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：
Simulink仿真 摘要：simulink作为matlab的衍生模组，具有强大的仿真能力。原则上你可以将任意具有明确映射关系的物理量进行仿真模拟。对于相互间关系不明确的物理量，则可以通过输入输出数据的采集，然后通过模糊控制的方案替代明确的映射关系。本文主要针对的是以电焊机电路为主，其他仿真为辅的教程性质的文章。关键词：matlab Simulink 仿真电焊机教程 第一章初识软件 (2) 1.1 simulink 简介 (2) 1.2 simulink基础页面 (2) 1.3 常用库的介绍 (3) 1.3.1 simulink库 (4) 1.3.1.1 常用模块库 (4) 1.3.1.2 其他常用子库模块 (6) 1.3.2 电气库Simscape (7) 1.3.2.1 Electrical库 (7) 1.3.2.2 Specialized Technology库 (8) 1.4模块连接 (9) 第二章简单仿真系统的建立 (11) 2.1传递函数S信号仿真 (11) 2.1.1 运放环节的等效替代 (11) 2.1.2 等效变换 (12) 2.1.3 逻辑仿真 (13) 2.2电气库仿真 (13) 2.3子系统和模块的建立 (15) 2.3.1 子系统的建立 (15) 2.3.2 模块的建立 (16) 第三章复合仿真 (18) 3.1 m函数模块 (18) 3.1.1 简单编程 (18) 3.1.2 部分函数介绍 (19) 3.2 整体模型 (21) 3.3 仿真注意事项 (22) 3.3.1 注意事项1 (22) 3.3.2 注意事项2 (23) 3.3.3 注意事项3 (24) 3.3.4 注意事项4 (24) 结语 (25)
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 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
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 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 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。
相信大家在联合仿真ADAMS和SIMULINK时都会遇到很多的问题：ADAMS/contro中的例子ball_beam通过联合仿真，更容易理解adams和simulink的联合仿真精髓。小球在一脉冲力的作用下沿着横梁滚动，此时梁的两端受力不平衡，梁的一段倾斜，为了使得小球不掉下横梁，在横梁上施加一个绕Z轴的力矩，横梁达到一定的角度之后逆向转动，然后小球就在这个作用力矩的控制下来回滚动而不掉下横梁！其中控制力矩在整个过程中是个动态变化的，力矩Torque_In是通过位移Position 和横梁转角Beam_Angle确定，这个是在simulink中通过框图完成的。 首先我申明一下我用的是adams2003和matlab6.5 以下我说明一下我的操作步骤： 1、把control中的ball_beam文件copy到另外一个文件夹下，同时设置adams和matlab的默认路径即为ball_beam文件夹，这样可以省略很多不必要的麻烦！ 2、用aview打开ball_beam.cmd文件，先试试仿真一下，可以看到小球会在脉冲的作用下滚动，仿真时间最好大于8s 3、载入control模块，点击tools|plugin manager在control框选定。 4、点击control|plant export在file prefix下输入你的文件名，这个可以随便的，我输入的是myball，在plant input点击右键点
击guess选定tmp_MDI_PINPUT，在tmp_MDI_PINPUT中就是输入力矩Torque_In，只有一个输入参数；同样在plant output 中点击右键guess选定tmp_MDI_POUTPUT，这是模型的输出变量横梁转角Beam_Angle和小球与横梁中心轴的距离position。control package选择matlab，type是non_linear,初始化分析选择no，然后按ok！此时m文件已经生成了！ 5、打开matalb，设置你的工作路径在ball_beam文件夹上，键入myball，马上有 %%% INFO : ADAMS plant actuators names : 1 Torque_In %%% INFO : ADAMS plant sensors names : 1 Beam_Angle 2 Position 出现 6、再键入adams_sys,弹出一个控制框图，这时可以新建一个mdl文件，将adams_sub拖入你新建的mdl框图中，其实再这里有一个偷懒的办法，就是在matlab中打开ball_beam.mdl文件，然后把他的那个adams_sub用你的刚产生的这个代替，然后另存为my_ball.mdl!
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
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
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)
实验三 模拟锁相环与载波同步 一、实验目的 1.掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方环法从 2DPSK 信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解2DPSK 相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、实验原理 通信系统常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从 2DPSK 信号中提取相干载波。本实验使用平方环提取想干载波，其载波同步原理方框图如图 l 所示。 图1 载波同步方框图 锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）、及压控振荡器（VCO ）组成，如图2所示。 图2 锁相环方框图 模拟锁相环中，PD 是一个模拟乘法器，LF 是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD 检测 u i (t)与 u o (t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压 u d (t),LF 来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压 u c (t)，在 u o (t)的作用下、u o (t)的相位向u i (t)的相位靠近。设u i (t)=U i sin [ωi t+θi (t)]，u o (t)=U o sin [ωo t+θo (t)]，则 ud(t) =Udsin θe (t)，θe (t) =θi (t)- θo (t)，故模拟锁相环的 PD 是一个正弦PD 。设u c (t)=u d (t)F (P)，F （P ）为LF 的传输算子，VCO 的压控灵敏度为K ，则环路的数学模型如图 3 所示。 图3 模拟环数学模型 当6)(π θ≤t e 时，U d sin =)(t c θU d e θ，令d d U K =为PD 的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad ，则环路线性化数学模型如图4所示。
%%***********************************************% % 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)});
SIMULINK & DEE简介 ※如何进入SIMULINK？ Step1：进入MATLAB Step2： 方法一：在workspace输入simulink的指令。 方法二：点选MATLAB Command Window上方之利用以上方法会获得下面的结果
※ 如何利用SIMULINK 解ODE Example1：2311+-='x x Step1：?'=dt x x 11 ? 在Library 中点选Continuous ，在Continuous 中选取integrator ，按住鼠标左键拖曳至untitled 中，分别在各接点拉上连接线并标明各个涵义。 Step2:2311+-='x x （1）从Math 中点选Gain 的图标，拖曳至untitled 中，并选取命令列中Format/Flip Block 使其转ο180
（2）从Math中，拖曳Sum至untitled中 （3）从Source中，用鼠标拖曳Constant至untitled，并把各点连结起来。 （4）从Sink中拖曳Scope至untitled中，并与 x连结 1
（5）把Constant改为2，把Gain改为-3。 Step3：设定参数 （1）选择Simulation/Parameters （2）调整适当的起始时间、结束时间和数值方法。
（3）点选Simulation/Start ，开始仿真。 （4）点选Scope ，显示仿真的结果。 Example2：???+-='+='-)cos(212 211t x x x e x x x t 1)0(0)0(21==x x Step1：???'='=??dt x x dt x x 2211 ? （1）点选Continuous 中之Integrator ，拖曳至untitled 。
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 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 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