锁相环实验报告
厦门大学嘉庚学院
实验课程：电子技术课程设计
设计专题：锁相环
指导教师：黄云鹰、郑福林
专业班级：电子信息工程
学生学号：EIE12053
学生姓名：侯功翔
实验组别：B组
2013-2014学年第二学期日期2015-05-29
压表
专题五 锁相环
实验一、PLL 参数测试 （一）、压控灵敏度K O 的测量
实验原理如右图5。用直流电压表测VCO 的控制端9脚电压V （9），用示波器和频率计测VCO 输出端4脚的波形和频率f ，因CD4046的带
载能力很差，所以频率计要用高阻输入方式。这时示波器上显示出的波形应是很标准的方
波。V （9）从0~9V 每隔1伏测一点，作出f-V(9)曲线，并求曲线中点处K O （K O 的单位是rad/s.v ）
。同时测出1(9) 4.52
DD V V V ==时VCO 的频率fo （即中心频率）。 图5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V(9)(V)
f (kHz)
o k =
o f =
（二）、同步带、捕捉带测量 同步带、捕捉带测量实验如下图。
PD1
LPF
VCO
Ui
Uo
信号源
(4046B)
(4046A)
2
3
4
49
14
OUT
信号源（4046B ） LPF PD1、VCO (4046A)
4.同步带的测量：
f HH ＝ f HL ＝
Δf H ＝ f HH －f HL ＝ 5.捕捉带的测量：
f PH ＝ f PL ＝
Δf P ＝ f pH －f pL ＝
实验二、PLL 应用实验
（一）、PLL 频率合成器实验
频率合成器的基本原理如图8。 fi 从PLL 原理知，当PLL 处于锁定状 fo 态时，PD 两个输入信号的频率一定 精确相等。否则LPF 会产生一个控制
电压去改变VCO 的振荡频率，最终使 两频率精确相等。所以可得：
f 0 = N f i 图8
若fi 为晶振标准信号，则通过改变分频比N ，便可获得同样精度的不同频率信号输出。选用不同的分频电路就可组成各种不同的频率合成器。
R1 (100k)
V
P D L PF V CO
1/N
U i U o
12
34
5
6
7
8
9
10
1112131440691
2
3
456789
10
1112131415164518
12345678
9
10
1112131415164518
一）1KHZ 标准信号源制作
1、 用CMOS 与非门和4M 晶体组成
4MHz 振荡器，如图9。图中Rf 使
F1工作于线性放大区。晶体的等效
电感，C1、C2构成谐振回路。C1、 C2可利用器件的分布电容不另接。
F1、F2、F3使用CD4069。
2、据讲义后面的CD4518管脚图， 测量并画出Q1，Q2、Q
3、Q4及
CP 之间的相位关系图。
CD4518 图9 是CMOS 器件，输入的CP 信号一
定要用CMOS 信号,即低电平为地，高电平接近VDD ，（不能用直流电平为0的交流方波信号）其高低电平不能超过器件电源的正负电平。测量时示波器的一个通道固定测Q4，且以Q4的下降沿作示波器的同步触发源，即示波器的开始扫描点是Q4的下降沿。另一个通道轮流测其他信号（CP 、Q1、Q2、Q3）这样就能保证相位准确而且开始扫描点为计数器的“0”状态。同时调节CP 信号的频率或示波器的扫描速度让示波器标尺的每大格代表一个CP 周期。这样就可方便测量。
3、根据上面测出的4518的波形图，用二片CD4518（共4个计数器）组成一个4000分频器，也就是一个四分频器，三个十分频器，这样就可把
4MHz 的晶振信号变成1KHz 的标准信号。连线时应注意清零端的灵活应用
具体接线如下图
12345678910
0Q1
Q2Q3Q4
CP
R="1" CLEAR
OR
CP="0" AND EN=EN="1" AND CP=R EN
CP R EN CP 131153COUNT
二）、用一片CD4017作分频器组成2-9KHZ 频率合成器
1、根据附录2中的4017管脚图，用示波器测试4017（十进制计数分配器）功能。测量时应固定一个通道测“0” ，并以该信号上升沿作为示波器的同步触发源。测量并画出4017的“0”，“1”，“2”，“9”输出端信号相对CP 信号的波形。理解4017的工作原理。
、CD4017作分频器
将CP （14）作输入端，“0”（3） 作输出端，R(15)分别接“2”、“3”，┅“9”，则4017就成为二、三，┅九等分频器，
3、 CD4017作频率合成器
将上述4017组成的分频器代入图8 中的1/N 分频器，就组成2——9KHZ 频率合成器。 如图10
三）、拨盘开关式1——999KHZ
频率合成器 1、单片CD4522频率合成器。 （1）单片CD4522分频器 （2）单片CD4522频率合成器
用图11电路代替图10中4017部分，
组成1－9KHz 频率合成器。
EN="0" AND CP=CP="1" AND EN=OR:
COUNT
R="1"
CLEAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CP "0"
"1"
"2"
"9"
（二）、PLL 调频（FM ）解调 实验步骤：
1． 测由运放TL082组成的有源LPF 的截止频率f H （输入信号应加在10μ电容左侧，但又不能加到4046A （10）脚。应调节输入信号幅度使输出信号在低频时也不被限幅）；
f H =
2． 4046A(14)接地，测其中心频率f o （应断开4046B(4)） f o =
3． 调4046B(4)的VCO 频率至4046A 的f o ; 4． 4046B(4)接4046A(14)，观察锁定波形；
加入Vi （100Hz 1KHz 的正弦波）观察并画出Vi 、4046A(10)及Vo 的波形。
Vi
Vo
V(10)
全数字锁相环原理及应用
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。
全数字锁相环毕业设计终稿
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
数字锁相环实验
实验二 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。 B C A H G F E D 本地时钟14336KHz 外部测试64KHz 倍频 ÷63 ÷64 ÷65 ÷28 ÷4 延时10ns 采样1 采样2 UM01：FPGA TPMZ03 TPMZ05 图2.2.1 数字锁相环的结构 TPMZ04 TPMZ02 ÷8 TPMZ01 数字锁相环的结构如图2.2.1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2.2.2所示。
A ：14336KHz B ：448KHz C ：64KHz E ：16KHz F ：16KHz 000111011/631/641/651/64 D ：16KHz (G, H) 可变分频器分频数 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2.2.1，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2.2.2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2.2.2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。由于振荡器为惯性方式，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 注：以上测试点通过JM05测试头引出，测量时请在测试引出板上进行。JM05的排列如下图所示：
数字锁相环介绍
数字锁相环介绍
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
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。
全数字锁相环的设计
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
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。
滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 模拟锁相环实验 载波同步帧同步实验
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 实验项目三数字锁相环法位同步观测 （1）观测“数字锁相环输入”和“输入跳变指示”，观测当“数字锁相环输入”没有跳变和有跳变时“输入跳变指示”的波形。 从图中可以观察出，若前一位数据有跳变，则判断有效，“输入跳变指示”输出表示1；否则，输出0表示判断无效。 （2）观测“数字锁相环输入”和“鉴相输出”。观测相位超前滞后的情况 数字锁相环的超前—滞后鉴相器需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。经观察比较，“鉴相输出”比“数字锁相环输入”超前两个码元。
（3）观测“插入指示”和“扣除指示”。 （4）以信号源模块“CLK ”为触发，观测13号模块的“BS2”。 思考题：分析波形有何特点，为什么会出现这种情况。 因为可变分频器的输出信号频率与实验所需频率接近，将其和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较的结果若是载波频率高了，就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入 一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而了达到同步的目的。 思考题：BS2恢复的时钟是否有抖动的情况，为什么？试分析BS2抖动的区间有多大？如何减小这个抖动的区间？ 有抖动的存在，是因为可变分频器的存在使得下一个时钟沿的到来时间不确定，从而引入了相位抖动。而这种引入的误差是无法消除的。减小相位抖动的方法就是将分频器的分频数提高。
实验二十 模拟锁相环实验 实验项目一 VCO 自由振荡观测 （1）示波器CH1接TH8，CH2接TH4输出，对比观测输入及输出波形。 实验项目二 同步带测量 （1） 示波器CH1接13号模块TH8模拟锁相环输入，CH2接TH4输出BS1，观察TH4 输出处于锁定状态。将正弦波频率调小直到输出波形失锁，此时的频率大小f1为 400Hz ；将频率调大，直到TH4输出处于失锁状态，记下此时频率f2为 9.25kHz 。 对比波形可以发现TH8与TH4信号输入与输出错位半个周期 如右图所示，方波抖动，说明处于失锁状态。 记下两次波形失锁的频率，可计 算 出 同 步 带 f=9.25KHz-400Hz=8.85KHz 。
全数字锁相环的设计
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
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。
通信原理数字锁相环实验
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
数字锁相环MATLAB代码
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
基于FPGA的数字锁相环的设计
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)
锁相环Simulink仿真模型
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?， o i t t θθθθ-=-)()('o i o i t t t θθωωθθ-+-=-)()()('
实验报告一 模拟锁相环模块
模拟锁相环模块 信息工程学院08级电子班安艳芳0839107 一、实验目的 1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理 2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计 二、实验仪器 JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台） 三、实验原理和电路说明 锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。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。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。 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。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： 1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、 TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。 2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时，输入信号来自HDB3编码模块 的HDB3码信号；当KP021置于2_3时，选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。
滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验教学文案
滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验
滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验 一、实验目的 1、掌握滤波法提取位同步信号的原理及其对信息码的要求； 2、掌握用数字锁相环提取位同步信号的原理及其对信息代码的要求； 3、掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念； 4、掌握巴克码识别原理； 5、掌握同步保护原理； 6、掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。 二、实验内容 1、熟悉实验箱 2、滤波法位同步带通滤波器幅频特性测量； 3、滤波法位同步恢复观测； 4、数字锁相环位同步观测； 5、帧同步提取实验。 三、实验条件/器材 滤波法及数字锁相环法位同步提取实验： 1、主控&信号源、8号（基带传输编译码）、13号（载波同步及位同步）模块 2、双踪示波器（模拟/数字） 3、连接线若干 帧同步提取实验： 1、主控&信号源、7号模块 2、双踪示波器（模拟/数字） 3、连接线若干 四、实验原理 滤波法及数字锁相环法位同步提取实验原理见通信原理综合实验指导书P129-P134; 帧同步提取实验原理见通信原理综合实验指导书P141。 五、实验过程及结果分析 （一）熟悉实验箱 （二）滤波法位同步带通滤波器幅频特性测量 1、连线及相关设置 （1）关电，连线。 （2）开电，设置主控，选择【信号源】→【输出波形】。设置输出波形为正弦波，调节相应旋钮，使其输出频率为200Khz，峰峰值3V。 （3）此时系统初始状态为：输入信号为频率200KHz、幅度为3V的正弦波。 2、实验操作及波形观测 分别观测13号模块的“滤波法位同步输入”和“BPF-Out”，改变信号源的频率，测量“BPF-Out” 的幅度填入下表，并绘制幅频特性曲线。
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