非线性锁相环的分析与仿真
锁相环工作原理及仿真分析

滤波器的传递函数 F ) ,所以 : =1
O() S i +K
微分算子 。
,
O( P+ t)
,
0 ( +KO( =0 ( t ) t ) ) 设环路输入为固 定频率信号, :O ) m , 则 =A 0
图1锁相环的组成框 图
所
。
0 ( +K =A o ( ) t ) 0( ) m 3
1 +Ho S F()( ) () +K s 2
通常 将采 用 C 积分滤 波器 、无 源比例积 分滤 波器 、 有 源 比例积分 滤波器 作为环 路滤波 器的二 阶环分 别 叫作 典型二 阶环 ,非理 想二 阶环 和理 想二 阶环 。
振荡 器 (C ) 部分所组成 。为研究 问题 的方便 ,一般在 V O3 锁相环领 域 中的环路 的输入 信号 、 出信 号都为 正弦 类 输 信 号 。这样 ,输入 和 输 出信 号 的 相位 会 产生 相 位 误差
环路的开环传递函数为 :
Ho = )
d s K s F() F()
: 一
S
( ) 1
如 所 假设U = fn(t 0() 图l 示, i) U ( f), s i+ i ) U : oi 0t O() 0) U n ) + 0 )。 s (0
式 中 :Ui 为输 入信号 的振幅 ; 1 为输 入信号 的载 ( ) 波角频率 ; 角频 率。 模拟 锁相环 由鉴相器 (D 、环 路滤波 器 (F 、 控 P) L) 压 为输出信号的振幅 , 为输出信号的载波 ∞0
误差比较小时 ,环路才能稳定工作 。
2 式可得 : 对参数加以 调整就得到控制信号 () 控制信号再经 进行环路的定量分析。由 ( ) r,
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。
锁相环控制方法的优化与仿真分析

1 锁相环基本控制原理常用的锁相环控制理论方法是基于图1的结构。
稳态输出频率可以用下式表示:/222/2out VCO ref Nf f M f ==⋅⋅⋅(1)图1 标准锁相环详细框图图1中的锁相环包含压控振荡器(VCO),相频检测器(PFD),电荷泵(CP)和循环滤波器(LF)。
输出频率的VCO 得到缓冲后,然后除以两个静态高速分频器和一个多模分频器(MMD)。
得到的频率f MMD 与参考频率f ref 进行比较,频率差控制VCO 的调谐电压。
为了分析分频因子N、输出频率fout 的动态变化,将图1的结构改为图2的结构所示。
图2 以分度因子N 为控制信号的结构在经典的控制理论中,围绕分频因子Nss 的稳态,将结构线性化,参考传递函数:()()1VCO LF Rss out w ref VCOLFRss KG K f s s G s f N K G K s ==⋅+(2)以及噪声传递函数: ()()()11out z ref VCOLFRSS f s G s f K Z s G K s==⋅+ (3)其中:PFDRSS ssK K N =(4)分频因子Nss 为单自由度,取决于应用或电路的工作模式或时间变化。
通过一个自由度和两个方程来优化,必须在最优噪声和参考行为之间进行权衡。
因此,需要对系统进行改进,利用实际输出频率和目标输出频率的信息来实现锁相环的快速锁定。
2 可调环路滤波器的锁相环目前,大多数锁相环的设计都没有超调,但将N 经过分频器变化后则稳定时间相对较慢。
图3的结构能够改良这种缺陷。
新的子电路“digital dynamic loop control (DDLC)”模块检测到N 的变化,使环路滤波器变成一种特殊形式,具有参考传递函数和更少的阻尼,图1中的核心结构通过图3中Keywords: phase locked loop; filter; control theory; modeling and simulation改变时结构具有可更改性。
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iθ 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。
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。
基于MATLAB的锁相环非线性分析_微分方程法

基于MATLAB的锁相环非线性分析_微分方程法论文导读::利用MATLAB强大的绘图功能(4):。
基于MATLAB的锁相环非线性分析。
论文关键词:锁相环,微分方程法,非线性,MATLAB引言:锁相环是一种相位反馈的闭环自动控制系统[1],环路锁定之后,平均稳态频差等于零,稳态相差为固定值,锁相环的这一重要特征使其在电视、通信、雷达、遥测遥感、测量仪表,特别是在人造卫星和宇宙飞船的无线电系统中,得到了广泛应用[2]。
近年来,锁相环路的研究日趋深入,应用更加广泛。
由于鉴相器模型是非线性的,所以锁相环是一个非线性系统[3],很难用传统的解析方法来分析微分方程法,因而我们求助于仿真。
下面我们使用微分方程法来分析一个二阶锁相环的非线性特性。
1.锁相环模型1.1锁相环框图锁相环基本模型如图1所示[4]。
假设输入信号为(1)而压控振荡器的输出信号表达式假设为(2)锁相环的就是使VCO的相位与输入信号的相位同步,使得他们的相位差很小[5]图1.锁相环框图1.2鉴相器模型开发锁相环模型的第一步就是建立鉴相器的模型。
鉴相器的特性在很大程度上决定着锁相环的工作特性[6]。
有许多种不同类型的鉴相器,而选择在特定环境下所使用的鉴相器模型取决于具体的应用。
最常见的鉴相器模型就是正弦鉴相器,它的输出与输入信号的相位差的正弦成正比。
正弦鉴相器可以看成是有一个乘法器和一个低通滤波器组成的[7],则鉴相器输出信号为(3)其中,称为相位差论文开题报告范文。
我们希望VCO的输出相位是输入相位的一个估计,因此,锁相环正常工作要求相位差趋于零。
在稳态时,相位差是否为零取决于输入信号和环路滤波器[8] 。
使用传递函数为F(s)而单位冲击响应为f(t) 的环路滤波器,对鉴相器输出进行滤波。
这样,VCO的输入为(4)由定义,VCO的输出频率偏差与VCO的输入信号成正比,这样(5)式中,是VCO常数,单位。
带入上面式子可得到(6)式中。
1.3非线性相位模型从6式可以看出,与之间的关系与载波频率完全没有关系,因此仿真模型中不需要考虑载波频率。
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”课程教学中的重点内容,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内容的理解,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。
锁相环设计及其MATLAB仿真

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ABSTRACTPhase-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-controlledoscillator ,locked,simulink, frequency systhesis, simulationmodel。
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1 基 本 锁 相 环
锁 相 环包 括 3部分 , 图 1所示 : 1 鉴 相 器 如 ()
( hs D t t P ) ( ) P ae e c r,D ;2 环路滤波器 ( opF - eo Lo i l
收 稿 日期 :0 1 31 2 1 - -6 0 基 金项 目: 国家 8 3高技术 发展计 划资助项 目( 0 2 A 3 0 0 6 20A 628) 作 者简介 : 尧 (98)男 , 李 16-, 吉林省吉林 市人 , 北华大学副教授 , 主要从事计算 机通信技术和网络安全方面的研究.
加一 非 线 性 器 件 N 和 一 低 通 滤 波 器 ( o —as Lw Ps
线性锁相环路进行计算 机模拟 , 非线性锁相环电 路各组件仿真模块分别介绍如下 :
随着电子技术的发展 , 各领域都要求有高纯 度, 高稳定度的信号源 , 锁相技术正是提高电子设 备的灵敏度和可靠性的一种有效 方法 , 因而倍受 青睐 , 已成为 目 前研究 的热点课题之一 【 锁相 J 引. 环是一种相位反馈的闭环 自动控制 系统 , 环路锁 定之后 , 平均稳态频 差等于零 , 稳态相差 为固定 值, 锁相环的这一重要特征使其在电视 、 信、 通 雷 达、 遥测遥感、 测量仪表 , 特别 是在人造卫星和宇 宙 飞船 的无 线 电 系统 中 , 到 了广泛 应用 m. 得 但 J
目前 基 本 锁 相 环 ( hs—okdLo ,L 很 难 P aeL ce op e L)
t ,F ;3 压控振荡器( oae ot ldOc ・ e L )() r V lg- n o e s l t C rl i l o, c ) 用 P a rv o . D比较输人信号 r ) V O的 t ( 和 C 输 出信号 tt之间的相位差 , ,) ( 产生误差控制 电压 “ t, L () 经 F平滑滤波作用后得到低频分量 y t , () 从而控制 V O的振荡频率和相位 , C 使其朝着接近 输入信号的频率和相 位的方 向变化 , 达到与输入 信号同频.
工作环路锁定后要求 : 1 输 出信号 () () t 的 频率与输入信号 r£ 的频率相等, () 相位差为一较
小的固定值 ;2 具有大 的捕捉范 围, () 能够在较大 范围内锁定 ;3 能够在很短时间内快速锁定. ()
在线性范围内达到实 际要求 , 其环路性 能远不如 非线性锁相环的性能好 , 当频差较大时 , 由于环路 已超 出线性工作范围, 它根本不能锁定 , 或者能锁 定但锁定时间较长 , 这要求对锁相环路进行改进 , 使其 具有 良好 的性 能. 本文提出了一种改进锁相环非线性性能的方 法, 扩大 了锁相环的线性分析范围, 改善了锁相环 的工作性能. 同时利用 M uJ软件的功能模块对 aa ) 线性锁相环路进行计算机模拟 , 直观地得 出了频 率捕捉时间 、 捕捉范围等锁相环参数 , 验证 了改进 方 法 的可 行性 .
数, 验证 了在 噪声环 境下改进方法 的可行性及其优点. 结果 表明 , 采用 该方法 可使锁 相环具 有大 的捕捉
范 围并能快速锁定 , 输出信号的相位噪声低 , 锁相环 的捕捉性 能和跟踪性能提高 . 关 键 词 : 相环 ; 锁 非线性器 件 ; 仿真
文献标志码 : A 中图分类号 : N9 l T 1
个低 通滤波器 (J )使用鉴频 鉴相器 (F ) IF , P P D 代替 鉴相器 (D . P )利用 M tb aa 软件 的 S u n 功能模块对 l i lk m i 非线 性锁相环性能进行仿真 和验证 , 观地 得出 了频 率捕捉 时间 、 直 频率捕 捉范 围 、 位噪声 等锁 相环参 相
第2卷 第7 8 期 2 1 年 7月 01
吉 林 化 工 学 院 学 报
J R ALO II N OU N FJLNI m EO HE C LT C O 0 FC MIA E HN L GY
V0 . 8 No 7 12 .
J1 2 l u. Ol
图 1 基本锁 相环框图
2 非线性锁相环
基本锁相环 中, F L 选用线性低 通滤波器 , 其 作用是滤除鉴相器误差 电压的高频成分和噪声 , 起到平滑滤波的作用 , 以保证环路稳定、 改善环路 跟踪性能和噪声特性. 除了具有低通滤波作用外 , 其元件参数的选择对环路的捕捉 、 稳定 、 噪声、 环 路带宽都有影响. 因此锁相环的设计工作主要体
文章 编号 :0 72 5 (0 )70 7 -4 10 -8 3 2 1 0 -0 30 1
非 线 性 锁 相 环 的分 析 与仿 真
李 尧, 王永超
( 北华 大学 物理学院 , Байду номын сангаас林 吉林 12 1 ) 3 0 3
摘 要 : 出了一种改进锁相环非线性性 能的方法 , 基本锁 相环 的基础 上增加一 个非线 性器件 N和一 提 在
利用 Mal tb软 件 的 Smuik功 能 模 块 对 非 a i l n
抑制等方面合理兼顾 , 实现综合性 能最佳. 同时 ,
锁相环路中只用一个滤波器是难以达到锁相环的 最佳 性 能 的. 非线性锁相环( ol er hs. ce op N n na P a I kdLo , i e ̄ N L )如 图 2所 示 是 在 基 本 锁 相 环 的基 础 上 增 PL ,
7 4
吉
林
化 工
学
院
学
报
2 I 年 01
现在对 L F的正确选择 和设 计 , 使锁 相环性能指 标在相位噪声 , 捕捉带 , 捕捉速度 、 稳定性和杂散
模拟 , 该方法建模简单直观 、 操作方便灵活、 可通 过直接设置模块参数来替代繁琐的调整器件参数 的过程 , 且可直观地得出频率捕捉时间、 捕捉范围 等锁相环参数. 3 1 实验 方 法 .