锁相环应用电路仿真
自适应锁相环的设计与仿真
理论算法2021.07自适应锁相环的设计与仿真何琦(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001)摘要：在三相电压不平衡时，负序分量会在Park变换后产生一个2倍基频的波动，进而影响对基频分量相位的提取。
针对一般的锁相环在电网三相不平衡时无法准确锁定电网的相位，本文提出一种基于陷波器的自适应锁相环，利用自适应陷波器(ANF)能够输出两个相互正交分量的特点，生成两个能抵消dq坐标系的负序分量,这样就实现了基波的正序负序分离。
在Matlab/Simulink中建立仿真模型进行验证,结果表明了文中所提的方法在电网不平衡时可以准确地锁定电网的相位。
关键词：三相电压不平衡；锁相环；自适应陷波器；正序负序分离Design and Simulation of Adaptive Phase-locked LoopHe Qi(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui,232001)Abstract：When the fundamental frequency of the three-phase is not balanced,a negative componentof the volt a ge will be ext r ac ted.In view of the fac t that the general phase-locked loop(PLL)cannot accurately lock the phase of the power grid when the three-phase power grid is unbalanced,this paper proposes an adaptive phase-locked loop based on notch f订ter.The adaptive notch filter(ANF) can output two mutually orthogonal components to generate two negative sequence components which can offset the dq coordinate system.Thus,the separation of positive sequence and negative sequenceof fundamental wave is realized.The simulation model is established in Matlab/SIMULINK for verifica t ion.The resu Its show that the proposed met h od can accura t ely lock the phase of power grid when the power grid is unbalanced.Keywords:Three-phase voltage unbalance;PLL;Adaptive notch f订ter;Positive sequence negative sequence separation0引言随着新能源技术的快速发展，并网逆变器在分布式发电中得到广泛应用。
基于multisim及锁相环的2PSK2ASK2FSK的调制解调电路仿真
基于multisim及锁相环的2PSK2ASK2FSK的调制解调电路仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：个人收集整理勿做商业用途LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题目基于Multisim的锁相环解调系统仿真学生姓名学号专业班级指导教师学院计算机与通信学院答辩日期个人收集整理勿做商业用途基于Multisim的锁相环解调系统仿真PLL Demodulation System Simulation Based on Multisim摘要实现调频波解调的方法有很多,而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频，具有工作稳定，失真小，信噪比高等优点,所以被广泛用在通信电路系统中。
锁相环其原理是通过鉴相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，对振荡器输出信号的频率实施控制。
该文首先介绍了锁相环技术发展的现状、方向以及背景，并对PLL的原理进行了阐述。
在以上的基础上，分别设计了2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号，然后用锁相环进行解调，最后采用Multisim软件进行仿真。
在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。
在整个电路设计中，力求要做到电路简单，并完成任务书提到的要求。
关键词：调制；解调; Multisim；锁相环AbstrackThere are many ways to realize frequency wave demodulation，and PLL frequency which has the advantages of stable operation，small distortion，high signal-to-noise ratio and so on is achieved by using modern PLL frequency technology, so it is widely used in communication circuit system. Phase—locked loop through the difference of the phase detection of input signal and the output signal phase，and the detected phase difference signal into output voltage signal, the signal through a low pass filter. After the formation of the voltage control oscillator ，the output signal of the oscillator frequency control.文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络This paper first introduces the present situation, development direction, phase—locked loop technology as well as the background，and the principle of PLL is discussed。
模拟锁相环实验
高频电子实验报告实验名称：模拟锁相环实验实验目的：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。
实验内容：1、掌握锁相环锁相原理2、同步带和捕捉带的测量3、锁相鉴频,锁相频率合成器实验仪器：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 台实验原理：1、锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，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Vi(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。
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。
)()(t t V e d θ∝2 、集成锁相环NE564的介绍1、限幅器由差分电路组成，可抑制FM 信号的寄生调幅；2、鉴相器(PD)的内部含有限幅放大器，以提高对AM 信号的抗干扰能力：4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；2脚用来改变环路的增益；3脚为VCO的反馈输入端；3、VCO是改进型的射极耦合多谐振荡器，有两个电压输出端，9脚输出TTL 电平，11脚输出ECL电平。
VCO内部接有固定电阻，只需外接一个定时电容就可产生振荡；4、施密特触发器的回差电压可通过15脚外接直流电压进行调整，以消除16脚输出信号的相位抖动。
3、电路原理图4、同步带与捕捉带同步带是指从PLL锁定开始，改变输入信号的频率fi （向高或向低两个方向变化），直到PLL失锁（由锁定到失锁），这段频率范围称为同步带。
捕捉带是指锁相环处于一定的固有振荡频率f V，并当输入信号频率fi偏离f V上限值或下限值时，环路还能进入锁定，则称为捕捉带。
测量的方法是从J4输入一个频率接近于VCO自由振荡频率的高频调频信号，先增大载波频率直至环路刚刚失锁，记此时的输入频率为f H1 ,再减小fi ，直到环路刚刚锁定为止，记此时的输入频率为f H2，继续减小fi ，直到环路再一次刚刚失锁为止，记此时的频率为f L1 ,再一次增大fi，直到环路再一次刚刚锁定为止，记此时频率为f L2由以上测试可计算得：同步带为：f H1－f L1捕捉带为：f H2－f L2实验步骤：1、锁相环自由振荡频率的测量将5号板开关S1依次设为“1000”，“0100”，“0010”，“0001”（即选择不同的定时电容）2、同步带和捕捉带的测量设置S2（为0010,即VCO的自由振荡频率为4.5MHz），并连线。
基于matlab的数字锁相环DPLL的仿真
2、DPLL 基本模型和原理 全数字锁相环包括数字鉴相鉴频器（PFD） 、数字滤波器 （LPF） 、数字振荡器（NCO）三部分，如下图所示：
与模拟锁相环电路相比， 全数字锁相环实质上是通过将 前者替换成数字电路而得到的，所做的改变是将其中的鉴相 鉴频器（PFD）和环路低通滤波器（LPF）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） 。 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。根据上面的分析， 可以将仿真过程分为两个过程：１）计算 PFD 输出的相位误 差；２）根据相位误差，计算锁相环里各个模块的状态。 PFD 电路用于检测参考信号和反馈信号之间的相位误差。 它的状态转换如下图所示：
Tk T0 T0 yk 1 N
式中 T0 / N 为数控振荡器周期相对于中心周期 T0 变化的最
Tk 小单位。 当无控制时，yk 1 ＝0， ＝ T0 ； 有控制时周期以 T0 / N
或其倍数的量相对于 T0 作阶跃式的改变。与 T0 / N 相对应的相 位改变量为：
2 (rad ) N
所以 N 是表示 2 弧度内相位受控变化大小的一个量，也 叫模 2 内状态数。这就是说，数控振荡器输出脉冲的瞬时相 位 0 (k ) ，在 2 弧度内只能以 或其倍数离散地变化。在这时，
T0
/ N ＝ ， 为信号钟的周N
T0 Tc
三、参考代码和仿真结果
通过建立以上所介绍的全数字锁相环的仿真模型，在 matlab 中得到其仿真系统如下图所示：
锁相环设计与MATLAB仿真
锁相环设计与MATLAB仿真锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电路设计技术，用于提取输入信号中的相位信息，并在输出信号中保持输入信号与输出信号的相位差稳定。
PLL广泛应用于通信系统、时钟生成器、频率合成器等领域。
锁相环主要由相位检测器（Phase Detector，PD）、环路滤波器（Loop Filter，LF）、振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和分频器（Divider）组成。
相位检测器用于比较输入信号和VCO输出信号的相位差，并产生一个低频的误差信号。
传统的相位检测器包括异或门相位检测器（XOR PD）和倍频器相位检测器（Multiplier PD）。
异或门相位检测器适用于窄带相位差测量，倍频器相位检测器适用于宽带相位差测量。
MATLAB提供了用于建模和仿真PLL的工具箱，可以方便地进行相位检测器的设计和性能分析。
环路滤波器用于滤波相位误差信号，根据滤波器的设计方法不同，可以实现不同的环路特性。
传统的环路滤波器包括积分环路滤波器和比例积分环路滤波器。
积分环路滤波器对误差信号进行积分，使得环路系统具有很高的稳定性和抗干扰能力，但响应时间较长。
比例积分环路滤波器在积分环路滤波器的基础上引入比例增益，可以更快地响应相位误差的变化。
振荡器（VCO）根据环路滤波器输出的控制电压来生成输出信号，并提供给分频器进行频率除法操作。
振荡器通常采用压控振荡器（VCO）或电流模式逻辑（Current Mode Logic，CML）结构，可以根据应用需求选择合适的振荡器设计。
分频器用于将振荡器输出的高频信号按照设定的分频比例进行分频，生成与输入信号相位对齐的输出信号。
分频器采用计数器和锁存器设计，计数器用于记录输入信号的周期数，锁存器将计数器的值锁定在一个周期，输出给相位检测器进行相位比较。
锁相环的设计和仿真可以通过MATLAB工具箱进行。
首先，设计相位检测器的传输函数和特性，选择适当的相位检测器类型和设计参数。
毕业设计(论文)-锁相环电路仿真模型的研究论文
摘要：锁相环（简称PLL）是一种反馈控制系统,也是闭环跟踪系统，其输出信号的频率跟踪输入信号的频率。
本课题主要研究的是有关锁相环电路仿真模型的研究方法，深入探讨了锁相环的组成和工作原理及在各种电路中的应用，通过研究仿真模型及对锁相环的特性的分析，使我进一步掌握了锁相环的原理及在实际工作中的应用。
对锁相环仿真，使用MATLAB来实现是方便快捷的。
本课题介绍了锁相环电路的分类、工作原理、应用现状；建立了仿真锁相环电路捕捉过程的MATLAB模型，并进行了仿真，比较了不同种类锁相环电路的捕捉时间；对锁相环电路各种性能指标如同步带、捕捉带进行了分析，比较了两种锁相环电路的性能；最后提出了锁相环电路的改进方法，并对改进后的环路进行了仿真分析。
关键词：锁相环；鉴相器；滤波器；振荡器；MATLAB仿真Research of phase-locked loop circuit simulation model AbstractThe phase-locked loop (i.e. PLL) is one kind of feedback control system, is also the closed loop tracking system, its output signal frequency track input signal frequency. What this topic main research is the related phase-locked loop circuit simulation model research technique, discussed the phase-locked loop each aspect and the phase-locked loop the composition and the principle of work in depth, By studying the simulation model and analysis of the characteristics of the PLL，I further understand that the principle of phase-locked loop and the application in practical work. For phase-locked loop simulation's realization, use MATLAB to realize is the convenience quickly. Analyzed various performance indicators such as timing belt and capturing belt of the PLL circuit, comparing the performance of two phase-locked loop circuit and proposed the improvement of phase-locked loop circuit, and simulation to the Improved loop circuit.Key words: PLL; phase; filters; oscillators; MATLAB simulation目录1引言............................................ 错误！未定义书签。
基于FPGA的数字锁相环设计与仿真分析
基于FPGA的数字锁相环设计与仿真分析简要介绍了在FPGA中实现全数字锁相环(DPLL)的原理和方法,基于具体应用,提出了一种基于FPGA的锁相环模块化设计,通过分析和仿真验证,可以有效的改善锁定时间和抑制相位抖动。
标签：鉴相;滤波器;VHDL1 引言数字锁相环(DPLL)技术在数字通信、无线电电子学等众多领域得到了极为广泛的应用,和传统的模拟电路实现的PLL相比,DPLL具有精度高、环路带宽编程可调、易于构建高阶锁相环等显著优点,并且在数字系统中不需要A-D相互转换。
随着集成电路技术和片上系统的深入研究,数字锁相环必然应用更为广泛。
本文介绍了一种基于FPGA的数字锁相环设计,并对相关参数进行了仿真与分析。
2 数字锁相环的特点和原理2.1 触发型数字锁相环基本原理本文采用触发型数字锁相环如图1所示:由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。
其中数控滤波器的输入时钟频率为(由晶振电路产生),其值为14336kHz。
数控振荡器的输入频率为2。
通常M和N为2的整数幂。
时钟2 经除计数器得到。
图1 触发型全数字锁相环框图DPLL是一种相位反馈控制系统,它根据输入信号f1与本地恢复时钟f2之间的相位误差,信号送入数字环路滤波器DLF中对相位误差信号进行平滑滤波,并生成控制DCO动作的控制信号,DCO根据控制信号给出的指令,调节内部高速振荡器的振荡频率,通过连续不断的反馈调节,使其输出时钟f2的相位跟踪输入f1的相位。
如果把数字滤波器看成一个分频器,则分频比为Mf cK,输出频率为f′=K′ΔΦMf cK,数控振荡器的输出频率f2=f1+k′ΔΦMf cKN。
只要合理选择K值,就能使输出信号V2的相位较好地跟踪输入V1的相位,以达到锁定的目的。
如果K值选的太大,环路捕捉带就会变小,导致捕捉时间增大;如果K值太小,可能会出现频繁进位、借位脉冲,从而使相位出现抖动。
该全数字锁相环的f2输出信号的频率分别为64kHz,经过计算可确定锁相环的参数M、N。
锁相环仿真报告
ωn =
2 BL ； 1 ζ+ 4ζ
τ1 =
Kd Kr
ω
2 n
；
τ2 =
2ζ
ωn
。
2． 仿真分析(使用 Matlab 中的 Simulink)
（1） 仿真参数 3 给定 ζ=0.707，Kd=4V/rad，Kr=24π×10 rad/(V·S)，BL=10Hz，计算得 ωn=19rad/s， τ1=848s，τ2=0.075s，环路滤波器传递函数
0
0.1
0.2
0.3
1/ 2
τ ⎛ Kd Kr ⎞ ⎟ ， ζ = ωn = 2 ⎜ ⎟ 2 2⎜ ⎝ τ1 ⎠ τ2
1/ 2
它是传递函数的幅频曲线的最高点对应的频率； ζ 为环路阻尼系数， ωn 为自然谐振频率， 它表示了传递函数幅频响应最大值的衰减程度，该值越大，传递函数幅频曲线最高点越小。 环路噪声带宽 BL 可用 ωn 和 ζ 来表示
BL =
ωn
2
(ζ +
1 ) 4ζ
环路噪声带宽是幅频响应下降到 3dB 时的频宽。
二． 锁相环的锁定过程分析
1． 环路捕获过程的几种情况
① 快捕过程
3
起始频差很小，即输入输出的相差 θe(t)动态变化频率很小，使得 Z(t)的变化不超过一个 周期时环路就进入锁定状态。此时 θe(t)的变化不超过 2π，这种捕获过程称为快捕过程。 快捕带：使得 θe(t)在 2π 之内环路就进入锁定的最大起始频差。 ② 频率牵引的捕捉过程 随着起始频差增大， 相位误差 θe(t)的频率增大， 则误差电压信号 ε(t)频率增大， 此时 ε(t) 通过环路滤波器(低通)有衰减。如果衰减后的误差信号不至于使 Z(t)接近于 0，而是对压控 振荡器(VCO)还是有一定的控制作用，则 VCO 输出频率会逐渐向着输入频率靠近，这就使 得误差信号 ε(t)的频率得到降低，通过环路滤波器的衰减变弱，Z(t)变大，对 VCO 的控制作 用逐渐变大，直到最后进入锁定过程。 捕捉带：可以通过频率牵引过程使环路进入锁定状态的最大起始频差。 ③ 环路无法锁定情况 当起始频差很大，使得误差信号 ε(t)不能通过环路滤波器，Z(t)接近于 0，不能对 VCO 进行电压控制，则 VCO 的输出频率和相位不发生变化，环路不能锁定。
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。
通信工程专业-基于VisSim的锁相环性能仿真
基于VisSim的锁相环性能仿真摘要锁相环技术(PLL)是一门能够时相位不需要外界条件而自行控制刚兴起的技术。
锁相也叫相位锁定,我们也可称之为自动相位控制(APC),能使相位自行调整，能让两个信号相位同步。
上面的功能锁相环都能实现，同时其为进行负反馈的控制性系统。
由于锁相环具有捕获，跟踪和窄带滤波的作用；因此，被应用在通信、微处理器、以及卫星等许多领域。
在通信电路里，锁相环是一个重要部分，广泛应用于时钟系统设计中，包括相位同步等的。
本论文首先介绍锁相环历史发展和现在的研究进度，接着论文首先介绍了模拟锁相环，因为它是我们要进行后续研究的基石，于是它的工作原理就显得非常重要。
同时简单介绍了鉴相器、压控振荡器、环路滤波器工作原理等。
着重分析了锁相环的跟踪特性、捕获特性等各种特性。
我们进行了锁相环的数学模型的分析并且推导了环路方程，得到了需要的结论。
在分析和设计的过程中，同时本论文中主要通过对VisSi m/comm软件的学习和使用，利用其丰富的模板以及本科对锁相环原理知识的掌握对电路进行仿真。
后将学习总结出的相应理论与VisSim/comm中丰富的模块相结合实现仿真系统的建模,并且调整参数观察仿真波形输出，观察效果，最终对设计结论进行总结。
因VisSim/comm主要实现的就实通信系统的仿真，我们用其来实现锁相环性能的仿真，因此本论文主要介绍了用VisSim/comm来实现输入为复信号的锁相环的线性跟踪。
和调频信号的解调，BPSK的载波同步的仿真实现等等。
关键词：锁相环技术；VisSim软件；仿真；跟踪AbstractThe technology of phase locked loop (PLL) is a new technology for automatic phase contr ol. Phase locked is locking phase, we can also call it automatic phase control (APC), and the phase synchronization of two signals can be obtained by the method of phase automatic adju stment .The phase lock loop is the phase negative feedback control system for the task. Beca use of the capture, tracking and narrow band filtering, the phase lock loop is applied in many fields such as communication, microprocessor and satellite and so on. In the communication circuit, the PLL is an important part of the clock system designing, including the phase sync hronization and so on.Firstly this paper introduces the history of the PLL and the progress of the research. Then, the basic principle of PLL is introduced based on the structure of the traditional analog PLL. At the same time, the working principle of the phase detector, the voltage controlled oscillat or and the loop filter are simply introduced. The performance of the phase locked loop and th e performance of the PLL are analyzed. We analyze the mathematical model of the phase loc ked loop and deduce the loop equation, and get the conclusions. In the process of analysis an d design. At the same time in this paper mainly through the learning and use of software Vis Sim/comm,. To make the circuit simulation ,we use the PLL principle knowledge we learn w hen we are masters and make use of the rich templates and undergraduate. And then combini ng the theory summed up we learnt with the abundance modules of VisSim/comm to realize t he simulation system modeling, and adjust the parameters of the simulation waveform output observation, observation effect, the final conclusion of the design were summarized in this p aper. Because of VisSim/comm is mainly to achieve the real communication system simulati on, we used to realize the simulation of phase-locked loop performance, so this paper mainly introduces the VisSim/comm to realize input for a complex signal of the PLL linear tracking, input for income of complex signal and real signal tracking performance in comparison. An d demodulation of FM signal and BPSK carrier synchronization simulation and so on.Keywords: Phase Locked Loop technology;VisSim/comm software; simulation; tracke d目录第1章绪论 (1)1.1锁相环的历史发展 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3综述与分析 (3)第2章锁相环的介绍 (5)2.1锁相环的基本构成及琐相的概念 (5)2.2锁相环的数学模型 (6)2.3锁相环的特性 (11)2.3.1锁相环路的线性跟踪性能 (11)2.3.1.1 环路对典型输入相位的跟踪性能 (11)2.3.2锁相环路的稳定性 (14)2.3.3锁相环路的捕获特性 (15)2.4锁相环的应用 (16)2.4.1在调制与解调技术中的应用 (16)2.4.2在载波提取、跟踪与位同步技术中的应用 (16)2.4.3在测速与测距技术中的应用 (16)2.5本章小结 (17)第3章VisSim/Comm仿真 (17)3.1 VisSim/Comm的基本介绍 (17)3.2 VisSim/Comm的功能介绍 (18)3.2.1 如何使用VisSim (18)3.2.2 comm模块集 (19)3.3 本章小结 (28)第4章用VisSim/Comm对锁相环的仿真 (28)4.1对锁相环的性能的仿真 (28)4.2 锁相环应用的仿真 (31)4.2.1锁相环的鉴频 (31)4.2.2锁相环的BPSK载波跟踪 (35)4.3 本章小结 (37)结论 (37)参考文献基于visSim的锁相环性能仿真第1章绪论1.1 锁相环的历史发展自动相位制和控自动率频控制的融合叫做锁相环(PLL-Phase Locked L00P)。
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高频电子线路实训报告锁相环路仿真设计
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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。
图4 锁相环调频实验结果波形
3.锁相环鉴频的仿真电路
用锁相环可实现调频信号的解调，其原理框图如图5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人信号的频谱宽度。
图5 锁相环鉴频电路的原理框图
图6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R 、C 的输出端，又串接了一级低通滤波电路(R4、C2)。
图6 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，因此电阻R 的阻值要比调频电路中的阻值小。
本例中，R 一10kQ。
仿真波形如图7所示。
由图可见，该电路实现
了鉴频功能。
如果将R 、C2的输出作为VCO的输人，则仿真结果不再正确，这在实际仿真时需要注意。
图7 锁相环鉴频实验结果波形
4.锁相接收机的仿真电路
锁相接收机在接收无线信号方面得到广泛应用。
采用锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，可以有效地接收弱的无线信号，其原理如图8所示。
图8 锁相接收机电路的原理框图
图中，若中频信号与本地信号频率有偏差，鉴相器的输出电压会去调整压控振荡器的频率，使混频输出的中频信号的频率锁定在本地标准频率上。
由于标准信号可以被锁定，所以中频放大器的频带可以做得很窄，使输入噪声得到很好的抑制。
因而输出信噪比大大提高，接收微弱信号的能力加强。
图9 锁相接收机的仿真电路
锁相接收机的仿真电路如图9所示。
图中，采用模拟乘法器A 来实现混频电路，L。
、C 和R 构成中频滤波器，作为混频器的负载，谐振频率为465kHz。
由于模拟乘法器的输出非恒流源，故接入R ，用于改善滤波效果。
输入信号源Vs的频率会在535kHz～1605kHz之间变化。
为了使混频输出保持为一个固定值的465Hz中频，压控振荡器的输出频率相应的在1000kHz～2070kHz之间变化。
为此，设置压控振荡器在控制电压为5V时输出频
率为3000kHz。
这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为1500kHz。
由于调制信号的频率变成4kHz，因此环路滤波器的通频带要进一步加宽，R。
的数值要进一步减小，为此设置R。
为5kQ。
混频器输入和输出波形分别如图1O 所示。
由图可见，混频后的波形变得稀疏了。
进一步的验证可以证明，混频器输出的频率为465kHz，等于本地标准中频信号的频率。
图1O 锁相接收机实验结果波形
5.结语
Multisim是一种优秀的电路设计与仿真分析软件，电路参数调整方便，并且使用起来非常灵活，可完成教学中原理电路的仿真工作，因此可作为通信电子电路及相关课程的辅助教学工具。
该软件尤其适用于课程教学和综合设计性实验项目，可有效克服传统实验与实验室开放的局限。
可据所学知识和能力，自选实验容，设计电路方案，并进行电路分析和调试。
可以加深对电路的理解，提高综合设计能力和创新能力。
因此，将该软件引入课程教学和课后实验非常有必要。
参考文献
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