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。根据虚拟无线电技术的特点和锁相环的基本原理,提出一种适于计算机软件化实现的锁相环数学模型,分析不同参数对锁相环捕获和跟踪性能的影响,得出不同情况下参数设定的基本准则。计算机仿真结果表明,软件锁相环在加性高斯白噪声信道下具有较好的捕获与跟踪性能。最后提出软件锁相环在测控系统中实现信号实时处理的优化方借助于MATLAB中的Simulink仿真软件，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,MATLAB，Simulink，频率合成，仿真模块
ABSTRACT
Phase-locked loop is a closed loop frequency control system,which functioning is based on the phase sensitive detection of phase difference between the input and output signals of the controlled oscillator.It has been widely used in all aspects in radio field and ,has becomed a indispensable part in communication、radar、nevigation and electronic equipments.But with the disign complexity of phase-locked loop in works,there will meet a lot of datas and a long simulation time if simulating the PLL with SPICE ,what is worse, which need to simulate several times to extract the disign parameters,at that way,the disign term will be extended.With the help of flexibility and palpability of Matlab’s simulink,the behavioral model of DPLL is builded using the block in simulink based on the frequency systhesis.Through the DPLL applicating in frequency systhesis,the principle of phase-locked loop and the work process is simulated. According to the characteristics of the Virtual Radio technology and the basic theory of the Phase Look Loop ( PLL) ,this paper puts forward the mathematicalmodel of the PLL which is suitable for software realization by the computer. In this paper,the influences of the parameters to the cap ture performance and the tracking performance are analyzed, and the basic p rincip le of the parameter setting in different conditions is given. The results of the simulation p rove that the cap ture performance and the tracking performance of Software PLL in AdditiveWhite Gaussian Noise are good. At the last of the paper, the op timized method of the PLL signal realtime p rocessing in the Tracking, Telemetering and Control System is p resented.
KEYWORDS: MATLAB, phase-lockedloop, V oltage-controlled
oscillator ,locked,simulink, frequency systhesis, simulation
model
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：
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。
手机射频部分的关键电路----锁相环电路 锁相坏电路是一种用来消除频率误差为目的反馈控制电路，目前市场销售的手机基本上都是采用这种电路来控制射频电路中的压控振荡器。使其输出准确稳定的振荡频率。如锁相坏(PLL)电路出现故障将导致本振的频率输出不准确，则导致手机无信号。 目前通信终端设备中对频率的稳定采用的是频率合成CSYN技术。频率合成的基本方法有三种：第一种直接频率合成；第二种锁相频率合成(PLL)；第三种直接数字频率合成(DDS)。由于锁相频率合成技术在电路设计方面(简单)，成本方面控制灵敏度方面，频谱纯净度方面等。都要胜于直接频率合成，与直接数字频率合成。所以被移动通信终端设备广范采用。它在手机电路中的作用是控制压控振荡器输出的频率，相位与基准信号的频率，相位保持同步。 锁相坏电路的构成与工作原理： 1、构成：它是由鉴相器(PD)低通滤波器(LPF) 压控振荡器(VCO)三部分组成。 鉴相器：它是一个相位比较器。基准频率信号和压控振荡器输出的取样频率在其内部 进行相位比较，输出误差电压。 低通滤波器：是将鉴相器输出的锁相电压进行滤波，滤除电流中的干扰和高频成分。得到一个纯净的直流控制电压。 压控振荡器：产生手机所要的某一高频频率。 （注：SYNEN、SYNCLK、SYNDATA来自CPU控制分频器，对本振信号进行N次分频）。 当VCO产生手机所须的某一高频频率。一路去混频管，另一路反馈给锁相环，中的分频器进行N次分频。在这里为什么要进行N次分频呢？首先要说明一下基准频率与VCO振荡取样频率在鉴相要满足3个条件。 ①频率相同。②幅度相同。③相位不同。为了满足鉴相条件，所以在电路中设置了分 频器。VCO振荡频率取样信号送入分频器完成N次分频后，得到一个与基准频率相位不同，但频率
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。
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。
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。
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 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：
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)
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:
%%***********************************************% % 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)});
锁相环 一、实验原理 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，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，锁相环组成框图如图1所示。 )t 图1 锁相环基本原理框图 图1所示的是锁相环基本原理框图。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。 锁相环法载波提取: 当u i(t)为固定频率正弦信号（θi(t)为常数）时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率ωo(即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用是VCO的振荡频率)，变化到输入信号频率ωi，此时θo(t)也是一个常数，u d(t)、u c(t)都为直流。称此为环路的锁定状态。定义△ω=ω-ωo为环路固有的频率差，△ωp表示环路的捕捉带，△ωh表示环路的同步带，模拟锁相环中△ωp<△ωh。当|△ωo|<△ωp时，环路可以进入锁定状态；当|△ωo|<△ωh时，环路也可以保持锁定状态；当|△ωo|>△ωp时，环路不能进入锁定状态，环路锁定后若△ωo发生变化使|△ωo|>△ωh，环路也不能保持锁定状态。这两种情况下，环路都将处于失锁
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。
锁相环是一种控制晶振使其相对于参考信号保持恒定相位的电路，在数字通信系统中使用比较广泛。目前微处理器或DSP集成的片上锁相环，主要作用则是通过软件实时地配置片上外设时钟，提高系统的灵活性和可靠性。此外，由于采用软件可编程锁相环，所设计的系统处理器外部允许较低的工作频率，而片内经过锁相环微处理器提供较高的系统时钟。这种设计可以有效地降低系统对外部时钟的依赖和电磁干扰，提高系统启动和运行的可靠性，降低系统对硬件的设计要求。 TMS320F28l2处理器的片上晶振和锁相环模块为内核及外设提供时钟信号，并且控制器件的低功耗工作模式。片上晶振模块允许使用2种方式为器件提供时钟，即采用内部振荡器或外部时钟源。如果使用内部振荡器，必须在XI/XCLKIN和X2这两个引脚之间连接一个石英晶体，一般选用30 MHz。如果采用外部时钟，可以将输人的时钟信号直接接到XI/XCLKIN引脚上，而X2悬空，不使用内部振荡器。晶体振荡器及锁相环模块结构如图1 所示。
图1 晶体振荡器及锁相环模块 外部X PLL DIS引脚可以选择系统的时钟源。当XPLLDIS为低电平时，系统直接采用外部时钟或外部晶振作为系统时钟；当XPLLDIS为高电平时，外部时钟经过PLL倍频后为系统提供时钟。系统可以通过锁相环控制寄存器来选择锁相环的工作模式和倍频的系数。表1列出了锁相环配置模式。 表1 锁相环配置模式 锁相环模块除了为C28x内核提供时钟外，还通过系统时钟输出提供快速和慢速2种外设时钟，如图2所示。而系统时钟主要通过
外部引脚XPLLDIS及锁相环控制寄存器进行控制。因此，在系统采用外部时钟并使能PLL（XPLLDIS＝1）的情况下，可以通过软件设置C28x内核的时钟输人。 图2 处理器内部时钟电路 如果XPLLDIS为高电平，使能芯片内部锁相环电路，则可以通过控制寄存器PLLCR软件设置系统的工作频率。但要注意，在通过软件改变系统的工作频率时，必须等待系统时钟稳定后才可以继续完成其他操作。此外，还可以通过外设时钟控制寄存器使能外设时钟。在具体的应用中，为降低系统功耗，不使用的外设最好将其时钟禁止。外设时钟包括快速外设和慢速外设两种，分别通过HISPCP和LOSPCP寄存器进行设置。下面给出改变锁相环倍频系数和外设时钟的具体应用程序。