锁相仿真电路
基于Multisim行扫描AFC锁相环电路仿真设计
基于Multisim行扫描AFC锁相环电路仿真设计李宏恩【摘要】锁相环电路具有良好的相位误差控制功能,可实现电路输入信号与输出信号频率之间的同步.基于设计一种行扫描锁相环电路,采用EDA仿真软件Multisim2001,利用Multisim强大的电路设计和仿真功能,完成对锁相环电路的设计.仿真结果表明,所设计电路实现了对相位的锁定功能,同时依托multisim灵活简便的仿真环境,还可通过改变元件参数,并结合观察各点波形的变化,而找到电路的最佳锁相范围数据,为PCB设计与制作节省了设计成本.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2015(028)005【总页数】3页(P105-107)【关键词】Multisim2001;行扫描;锁相环;AFC【作者】李宏恩【作者单位】长治医学院生物医学工程系,山西长治046000【正文语种】中文【中图分类】TN702Multisim软件由加拿大IIT公司开发,可适用于各类模拟或数字电路的设计工作,并具有丰富的仿真分析能力[1-2]。
锁相环电路广泛应用,包括于通讯、雷达、电视、红外、计算机等众多领域,所以电路能否实现“锁相”功能对于设备正常工作影响较大。
本次设计是在常规锁相环电路的基础上加入行扫描AFC(AFC)方法,利用Multisim进行设计与仿真,通过调整元件参数,完成了对行AFC锁相环电路的设计。
1.1 锁相环电路的结构锁相环最基本的结构如图1所示。
其由3个基本部件组成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)[3-5],各部分的功能如图1所示。
在PLL中,PD是一个相位比较器,比较基准信号uI与输出信号uO之间的相位偏差φ,并由此产生误差信号uD;LF是一个低通滤波器,用于滤除uD中的高频成分,起滤波平滑作用,以保证环路稳定和改善环路跟踪性能,最终输出控制电压uC;VCO是一个电压/频率变换装置,产生本地振荡频率,其振荡频率受uC控制,产生频率偏移,从而跟踪输入信号的频率。
基于Multisim行扫描AFC锁相环电路仿真设计
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基 于 Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｓ ｉ ｍ 行 扫 描 ＡＦ Ｃ锁 相 环 电路 仿 真 设 计
李 宏 恩
（ 长 治 医学 院 生 物 医 学 工 程 系 ，山 西 长 治 ０ ４ ６ ０ ０ ０ ）
电路 的设计 。仿 真结果表 明，所设计 电路 实现 了对相位 的锁定 功能 ，同时依 托 ｍ ｕ ｈ ｉ ｓ ｉ ｍ 灵 活简便的仿 真环境 ，还可通 过改 变元件参 数 ，并结合 观 察各 点 波形 的 变化 ，而找 到 电路 的 最佳锁 相 范 围数据 ，为 Ｐ Ｃ Ｂ设计 与 制作 节省 了设 计
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鼋ａ 叶拭 ２ ０ １ ５ 年 第２ ８ 卷 第 ５ 期
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锁相放大器原理及仿真
锁相放大器的使用目录第一章选题背景1.1 背景说明 (3)1.2 选题依据 (3)1.3 本文工作 (4)第二章锁相放大器的原理 (5)第三章研究与分析 (8)3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8)3.2 前端放大器的设计 (8)3.3 移相方法比较与选择 (8)3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8)第四章系统设计 (10)4.1 总体设计 (10)4.2 硬件设计 (11)4.2.1 前置放大器的设计 (11)4.2.2 移相电路的设计 (12)4.2.3 相敏检波的设计 (13)4.2.4 低通滤波器的设计 (14)4.3 软件设计 (15)第五章系统测试 (16)第六章附录 (18)总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)第一章选题背景背景说明1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。
目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。
早期的 LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。
直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA比 ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。
06、电力电子技术matlab仿真-锁相环
Thyristor
GTO/IGCT
IGBT
MOSFET
(Base/gate) Driver circuit
Control Circuit
Driver Circuit
From control circuit
+VGG R1 + Rg G + VGS _ D VDC S _
Q1 LM311
MOSFET gate driver
17
西南交通大学
锁相环的应用——APF
主电路板
18
控制路板
西南交通大学
APF静态性能
19
西南交通大学
STATCOM控制系统
STATCOM 控制器
PWM
西南交通大学
20
Modeling and Simulation of Power Electronics System
Modeling and Simulation of Three-phase PLL
• IGCT – Integrated with its driver
西南交通大学
Photos of IGBT
西南交通大学
Power Switches: Power Ratings
1GW 10MW 10MW 1MW 100kW 10k W 1kW 100W 10Hz 1kHz 100kHz 1MHz 10MHz
西南交通大学
Isolation
R1 ig
+
vak
-
R2 Pulse source
iak
Isolation using Pulse Transformer
From control circuit
SystemView实现通信系统中锁相环电路的仿真
作者简介： 康丽生 （９ ２ ） 女， １６ 一 ， 河南信 阳人 ， 郑州经济管理干部学院副教授 ， 河南理工大学在读硕士 ， 主要从事电子通信 ．
维普资讯
２０ ０ ６年 ８月
Ｓｓ ｍ ｉ ｙｔ Ｖｅ ｅ ｗ实现通信系统中锁相环电路的仿真
— ３ — —５ ７—
系统 仿 真 软件 ， 要 用 于 电路 与通 信 系 统 的设 计 、 真 ， 一个 强 有 力 的动态 系统 分析 工 具 ， 满 足 从数 字 主 仿 是 能
信 号 处理 、 滤波 器 设计 、 到复 杂 的通 信 系统 等 不 同层 次 的设计 、 真要 求 ． 直 仿
Байду номын сангаас
１ 一 阶 Ｐ Ｌ 实 现 的 Ｆ 解 调 器 Ｌ Ｍ
目
图 １ 用 一 阶 Ｐ Ｌ实 现 的 Ｆ 解 调 器 仿真 电路 图 Ｌ Ｍ
Ｆｇ１ Ｔｈ ｍｕａｉｎｃｒｕ ｔ ｉｇａ ｏ ｉ． ｅｅ ｌｔ ｉｃ ｉ ｄ ａｒｍ ｆＦＭ ｅ ｄ ｌｔｒ ｏ ｄ ｍｏ ｕａｏ－ｍｏ ｕａｏ ｄ ｌｔｒ
ａ ｈｅ ｅ ｙ ｓ ｐ Ｉ Ｐ Ｌ ｃ ｉｖ ｄｂ ｔ Ｌ ｅ
１１ 锁 相环 鉴 频原 理 ． 锁 相环 具 有 良好 的跟 踪性 能 ， 若输 入 Ｆ 信 号 时 ， 环路 通 带足 够 宽 ， 信 号 的调制 Ｍ 让 使
频 谱落 在 带 宽之 内， 时压控 振 荡 器 的频 率跟 踪 输 入信 号 的 频率 的变 化 而变 化 ， 以简 单地 认 为 压 控振 荡 这 可
论述 了数字锁相环频率合 成的原理 ， 利用 Ｓｓ ｍＶｅ ｙｔ ｉ ｅ ｗ实现通信 系统 中锁相环 电路的仿真 ， 并对 结果进行分
析．
关键词：解调 器； 锁相 环； 频率合 成； 仿真
数字锁相放大器原理及其Matlab仿真
数字锁相放大器原理及其Matlab仿真摘要：数字锁相放大器作为一种新型的放大器，其原理和应用逐渐受到人们的关注。
本文主要介绍数字锁相放大器的基本工作原理和Matlab仿真的方法。
基于数字信号处理技术，数字锁相放大器通过数字积分器和数字锁相环的组合实现了高精度的信号放大和相位锁定。
在Matlab环境下，仿真过程首先建立数字锁相放大器的模型，然后进行参数设置和仿真测试。
通过多次调整模型参数，并对仿真结果进行分析，得到最优的数字锁相放大器设计方案。
本文的研究可以为数字锁相放大器的实际应用提供参考。
关键词：数字锁相放大器、数字信号处理、数字积分器、数字锁相环、Matlab仿真正文：一、引言数字锁相放大器作为一种新型的放大器，其应用范围涉及多个领域，如精密测量、生物医学、材料科学等。
与传统的电子放大器相比，数字锁相放大器具有响应速度快、抗干扰性强、精度高等优点。
为了更好地掌握数字锁相放大器的原理和应用，本文通过Matlab仿真的方法进行研究，以期发现数字锁相放大器的最佳设计方案。
二、数字锁相放大器原理数字锁相放大器基于数字信号处理技术实现了高精度的信号放大和相位锁定。
其基本工作原理是：将待放大信号与参考信号做乘积，再将乘积信号通过数字积分器得到直流分量和交流分量。
然后将交流分量输入数字锁相环进行相位锁定，最后从数字锁相放大器的输出端可以获得相位锁定后的信号。
数字锁相放大器的电路图如下所示：图1 数字锁相放大器的电路图其中，$u_i$表示待放大信号，$u_{ref}$为参考信号，$v$为输出端信号，$n_i$，$n_{ref}$，$n$为噪声信号。
数字积分器的计算公式为：$$y(n)=y(n-1)+\frac{T}{2}\left(x(n)+x(n-1)\right)$$其中，$x(n)$为输入信号，$y(n)$为输出信号，$T$为采样周期。
数字锁相环的计算公式为：$$\theta_{n}=\theta_{n-1}+K_{p} \Delta \varphi_{n}+K_{i}\sum_{j=0}^{n} \Delta \varphi_{j}$$其中，$\theta_{n}$为相位偏差，$\Delta \varphi_{n}=2 \pif_{ref} T$为相位差，$K_{p}$和$K_{i}$为比例常数和积分常数。
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。
三相锁相环及仿真
三相锁相环及仿真Newly compiled on November 23, 20202三相电压软件锁相环仿真实现锁相环有很多种方法，目前在电力电子装置实际应用中常用的锁相环技术是过零比较方式，就是通过硬件电路检测电网电压的过零点来获得相位差的信号，然后用硬件或者软件实现锁相。
这种方案原理和结构都很简单，也易于工程上的实现。
但是一个工频周期内电网电压只能检测到两个过零点，这限制了锁相环的锁相速度；而且,当电网侧电压中有含有的谐波或这三相不平衡时，这种方法就不能准确的确定基波正序的过零点了，进而而影响了锁相的精度[38]。
为了避免过零点检测方法带来的问题，本文采用三相软件锁相环(SPLL)[39]方法。
电压合成矢量u s与d、q轴电压分量u sd、u sq的关系图如图所示，对于三相电网，电压合成矢量u s的幅值是不变的，则q轴电压分量u sq反映了d轴电压分量u sd与电网电压合成矢量u s的相位关系。
从图中可以看出，当u sq<0时，说明d轴超前u s，应该减小同步信号的频率；u sq>0时，说明d 轴滞后u s，此时应该增大同步信号频率；u sq＝0时，说明d轴与u s同相。
可见，可以通过控制电网电压q轴分量u sq＝0恒成立，使电网电压合成矢量u s定向于d轴电压分量u sd，实现两者同相位，因此可以得到一个对电压矢量u s进行锁相的方法。
采集得到的压三相对称正弦相电压的瞬时值可以表示为：a m1b m1c m1cos2cos()32cos()3u Uu Uu Uθθπθπ⎧⎪=⎪⎪=-⎨⎪⎪=+⎪⎩(2-36)式中，θ1=ω1t，为输入相位角，ω1为电网角频率；U m为电网电压幅值。
三相对称电压变换到两相静止坐标系α、β轴电压分量u sα、u sβ，两相静止αβ坐标系再经两相旋转坐标系变换后得到的d、q轴电压分量u sd、u sq可以表示为：sd m1sq m1cos()sin()u Uu Uθθθθ=-⎧⎪⎨=-⎪⎩(2-36) 式中，θ＝ωt，三相电压SPLL的输出相位角，ω输出角频率。
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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,其调频范围又太窄。
采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。
其结构原理如图1 所示。
图1 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。
而随着输入调制信号的变化,振荡频率可以发生很大偏移。
图2锁相环调频的仿真电路
根据图1 建立的仿真电路如图2 所示。
图中,设置压控振荡器V 1 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V 3 为2. 5V。
调制电压V 4 通过电阻R5 接到VCO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源V 4 的内阻,这样可以保证加到VCO 输入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 输出波形和输入调制电压V 4 的关系如图3 所示。
由图可见,输出信号频率随着输入信号的变化而变化,从而实现了调频功能。
图3锁相环调频实验结果波形
用锁相环可实现调频信号的解调,其原理框图如图4 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入信号的频谱宽度。
图4 锁相环鉴频电路的原理框图
图5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R1 、C1 的输出端,又串接了一级低通滤波电路( R4 、C2 ) 。
图5 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内,因此电阻R1 的阻值要比调频电路中的阻值小。
本例中, R1 = 10kΩ。
仿真波形如图6 所示。
由图可见,该电路实现了鉴频功能。
如果将R4 、C2 的输出作为VCO 的输入,则仿真结果不再正确,这在实际仿真时需要注意。
图6 锁相环鉴频实验结果波形。