锁相环课设

FM调制/解调电路的设计

摘要：

通过利用锁相环来实现对信号调制解调设计了一个FM调制/解调电路，首先我们采用两个CD4046数字集成锁相环(PLL)，通过锁相环中的误差电压对压控振荡器的控制使载波频率随着调制信号的变化而变化，即实现调频功能，设计了调制电路，然后将其输出信号作为解调电路的输入。再利用锁相环中低通滤波器输出端接的缓冲放大器便可获得解调信号。完成了FM调制与解调，效果明显，原理简单

关键字：调制解调锁相环

一、概述

调频电路为可以将信号波(音频信号等)等乘载在电波上传送的电路。用反映信息的信号（调制信号）去控制区控制高频振荡的频率或相位,使之随调制信号的变化规律而变化，这一过程称作调频或调相，统称调角。它的逆过程称频率解调或相位解调，也称频率检波或相位检波。当频率检波器输入端信号的频率变化时，它的输出端信号电压就随之变化，好像能鉴别频率一样，故频率检波也称鉴频。在通信广播系统中，采用调频制在抗干扰方面比调幅制优越。本设计是采用cd4046数字集成锁相环来实现调频解调设计的一个简单的FM调制/解调电路的设计。调频是用调制信号直接线性的改变载波振荡的瞬时频率，即使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调。在通信、测量及电子技术的许多领域中此技术都得到广泛运用

二、方案论证

首先设计了调制电路，然后将其输出信号作为解调电路的输入。

(1) 锁相环调频原理框图如下图1：

图1 锁相环调频原理框图

将调制信号加到压控振荡器（VCO）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率(中心频率)f0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。

当载波频率与自由振荡频率想接近时，载波频率液压控振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡中心振荡片频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。

(2) 锁相环解调原理框图如下图2

图2 锁相环解调电路原理框图

三、电路设计

1、总体说明

调频部分包括四个内容，高频信号放大器、锁相环4046、低通滤波器、及相加器。在工作过程当中，首先加入载波信号及调制信号，若两者信号频率不一致，则必有相位差，经过高频信号发生器进入锁相环鉴频器，将频率误差转化成电压，和频、差频进入低通滤波器，其滤除高频分量后与调制信号相加控制压控振荡器，改变振荡频率是输出接近载波频率，但两者保持一定相位差进入锁定状态，此时输出为调频信号，将所得调频信号作为解调电路的输入，解调电路用锁相环实现，此时的输出为解调信号。

2、分布设计

1）调频部分

(1) 锁相环CD4046如图3所示

图3 锁相环CD4046 (2) 高频信号放大器如图4所示

图4 高频信号放大器

参数计算：

3 R R

R A +

(3) 低通滤波器和加法器如图5

图5低通滤波器和加法器参数计算：26

77108810UIN R R U R R U R R UD ?+?+?-= 2) 解调部分

CD4046如下图6所示

图6 解调电路图

调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。

锁相环（4046）的结构框图及引脚功能图如图7

图7锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图1、调频部分的测试

(1) 锁相环自测频率f o的测量

实验电路如图8所示

图8实验电路原理图

四、性能的测试

用示波器观测4脚的输出波形（方波），用频率计测量自振频率f o。将IN1、IN2分别对地短路，调节微调电位器PR1至适中位置，测量D端(即IC3的VCOin 脚，也就是CD4046的9脚)直流电压(约为5.3V，近似电源电压的1/2)，用示波器观察锁相环输出OUT1端的波形。记录波形特性、频率、幅度,填入表1。

观察相位比较器（鉴相器）B端（IC3的2脚）的波形，将测量结果填入表2。

观察鉴相器输出C端的预积分波形，将测量结果填入表3。

观察压控振荡器输入VCO in（即加法器IC2的输出D端）的波形，将测量结果填表4。

将信号发生器输出的方波信号(幅度为3.5VP-P，频率为自振频率f0)加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环OUT1端和A端的波形（即锁相环的4脚和14脚）。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。记录测量结果。

(3) 测量同步带宽(锁定范围)和捕捉带宽(捕捉范围)

观测A端和OUT1端，改变信号发生器的输出频率(即载波频率)

●调节载波信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形抖动(即：失锁)，记录此时的载波输入信号频率fl（下限失锁频点）。

●调节载波信号频率，由自振频率f0开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形抖动(即：失锁)，记录此时的载波输入信号频率f2（上限失锁频点）。

同步带宽(锁定范围)＝f2-f1。

●调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形不抖动(即：锁定)，记录此时的载波输入信号频率f3（下限锁定频点）。

●调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形不抖动(即：锁定)，记录此时的载波输入信号频率f4（上限锁定频点）

捕捉带宽(捕捉范围＝f4-f3。同步带和捕捉带如图9

图9 测量结果填入表5、表6

(1) 锁相环自振频率的测量(由IC4组成) 调节微调电位器PR2至适中位置，测量G 端((即IC4的VCOin 脚，也就是CD4046的9脚)直流电压，用示波器观察锁相环输出E 端的波形。记录波形特性、频率、幅度,填入下表7。

in 表9。

将信号发生器输出的方波信号(幅度为3.5VP-P ，频率为自振频率f0)加到载波输入IN1端，连接A 端和IN3端，用双踪示波器同时观测锁相环E 端和IN3端的波形（即锁相环的4脚和14脚）。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。记录测量结果。 (3) 测量同步带宽(锁定范围)和捕捉带宽(捕捉范围)

3、观测系统的调频情况

IN1端输入幅值为3.5VP-P 、频率与自振频率相同方波信号（定义为载波）。 IN2端输入幅值为10VP-P 、频率lKHz 的正弦波（定义为调制波）。

用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。

4、观测系统的解调（鉴频）情况

保持第一部（第3步）的状态，联结OUT1端与IN3端（即将调频波接入解调电路），用示波器观测IN3和OUT2，可清楚地观察到频率为1KHz 的正弦波（即解调出的波形，可同时与IN2的调制信号进行比较，其相位和频率相同。

五、结论

以上设计基本完成了任务要求，通过利用锁相环来实现对信号调制解调设计了一个FM调制/解调电路，首先我们采用两个CD4046数字集成锁相环(PLL)，通过锁相环中的误差电压对压控振荡器的控制使载波频率随着调制信号的变化而变化，即实现调频功能，设计了调制电路，然后将其输出信号作为解调电路的输入。再利用锁相环中低通滤波器输出端接的缓冲放大器便可获得解调信号。完成了FM调制与解调，效果明显，原理简单。由于实验室的硬件设备有一定的误差，所以数据产生了一定的误差。应用锁相环路进行频率的调制与解调，可以提高稳定性与准确性，而且电路并不复杂，是一种性价比比较理想的方法。

六、参考文献

1．郭颖娜，一种FSK信号调制解调电路的设计[J]，现代电子技术，2006年第1期，137~144

2．于洪珍.通信电子线路[M] .北京：清华大学出版社，2006年

3. 郑继禹.锁相技术[M].西安；电子科技大学出版社，2006年

4．郭颖娜，一种FSK信号调制解调电路的设计[J]，现代电子技术，2006年第1期，137~144

5．杨伟祥，用SystemView实现通信FSK系统的仿真与分析[J]，上海理工大学学报，2006，vol.28(4)，373~380

6．https://www.360docs.net/doc/ec11116065.html,/datasheet-pdf/view/80419/NSC/CD4046BM.html

附录I：总电路图

附录II：元器件清单

锁相环设计

锁相环测量简述一、锁相环路的基本工作原理锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。其组成方框图如下所示。锁相环路的基本方框图锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。二、环路部件的测量 I.鉴相器特性的测量鉴相器的主要性能可用鉴相特性曲线和鉴相灵敏度来表示。鉴相特性曲线是表示鉴相器的输出电压Vd与两个输入比相信号之间相位差θe的关系曲线，其测量方法如右图所示，在测量精度要求不高的情况下，可用双踪示波器来代替相位计。

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。

PLL(锁相环)电路原理及设计 [收藏]

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。

锁相环原理及应用

锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的围。目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。一、锁相环路的基本工作原理 1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。图1 锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出

控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。 2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ）鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路．（1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。（2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。（3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。

实验三：模拟锁相环与载波同步

实验三：模拟锁相环与载波同步一、实验目的 1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。三、实验步骤本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。 1.熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。 2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。环路锁定时u d 为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中即等于VCO信号频率）。环路失锁时u d 为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：（1）观察锁定状态与失锁状态打开电源后用示波器观察u d ，若u d 为直流，则调节载波同步模块上的可变电容C 34，u d 随C 34 减小而减小，随C 34 增大而增大（为什么？请思考），这说明环路处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。在锁定状态下，向某一方向变化C 34，可使u d 由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。

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

闭环锁相环控制框图及分析

闭环锁相环闭环控制框图推导过程对于并网发电系统的进网电流品质，相关国际标准做了严格规定和限制，进网电流的频率和相位必须与电网电压同步。对此，首先要保证的是进网电流参考信号能够精确、快速跟踪电网电压的相位和频率。若所获取的电网电压相位不准确，则会对并网发电系统的控制造成干扰。日前电力电子系统中广泛采用的电网相位跟踪方法是利用硬件电路检测电网电压过零点，然后根据基波信号频率来估测并获取电网电压相位。这种相位获取方式不存在相差自动调节系统，可以称为是“开环’，的，因而无法抑制电网电压的畸变和干扰。 Dian/T 锁相环采用闭环控制系统，其控制框图如图所示，通过该控制可以得到电网的相位角，作为电流相位的给定。 v αv β(2? 根据系统控制框图可以得到以下关系： d grid q grid v =v cos θv =-v sin θ ????? ???? 将电网电压代入上式，φ为电网相位角，可以得到： grid grid v =V sin φ?d grid q grid v =V sin cos θv =-V sin sin θ φφ??????????? 利用三角函数积化和差公式可以得到： ()()()(22grid d grid q V v =sin sin V v =cos cos φθφθφθφθ???)????++????????????+??????? 对进行求偏导，近似认为θ的角速度为工频角速度q v ff ω，可以得到： ()()()()22q grid ff q grid ff dv V d =sin sin d dt dv V d =sin sin d dt φφθφθωφθφθφθωθ?????????+?????????????????+?????? 从而得到对时间的微分方程如下： q v

实验三模拟锁相环与载波同步

实验三模拟锁相环与载波同步一、实验目的 1.掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方环法从 2DPSK 信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解2DPSK 相干载波相位模糊现象产生的原因。二、实验原理通信系统常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从 2DPSK 信号中提取相干载波。本实验使用平方环提取想干载波，其载波同步原理方框图如图 l 所示。图1 载波同步方框图锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）、及压控振荡器（VCO ）组成，如图2所示。图2 锁相环方框图模拟锁相环中，PD 是一个模拟乘法器，LF 是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD 检测 u i (t)与 u o (t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压 u d (t),LF 来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压 u c (t)，在 u o (t)的作用下、u o (t)的相位向u i (t)的相位靠近。设u i (t)=U i sin [ωi t+θi (t)]，u o (t)=U o sin [ωo t+θo (t)]，则 ud(t) =Udsin θe (t)，θe (t) =θi (t)- θo (t)，故模拟锁相环的 PD 是一个正弦PD 。设u c (t)=u d (t)F (P)，F （P ）为LF 的传输算子，VCO 的压控灵敏度为K ，则环路的数学模型如图 3 所示。图3 模拟环数学模型当6)(π θ≤t e 时，U d sin =)(t c θU d e θ，令d d U K =为PD 的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad ，则环路线性化数学模型如图4所示。

基于锁相环的时间同步机制与算法

ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@https://www.360docs.net/doc/ec11116065.html, Journal of Software, Vol.18, No.2, February 2007, pp.372?380 https://www.360docs.net/doc/ec11116065.html, DOI: 10.1360/jos180372 Tel/Fax: +86-10-62562563 ? 2007 by Journal of Software. All rights reserved. 基于锁相环的时间同步机制与算法 ? 任丰原 +, 董思颖 , 何滔 , 林闯 (清华大学计算机科学与技术系 , 北京 100084 A Time Synchronization Mechanism and Algorithm Based on Phase Lock Loop REN Feng-Yuan+, DONG Si-Ying, HE Tao, LIN Chuang (Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China + Corresponding author: Phn: +86-10-62772487, Fax: +86-10-62771138, E-mail: renfy@https://www.360docs.net/doc/ec11116065.html, Ren FY, Dong SY, He T, Lin C. A time synchronization mechanism and algorithm based on phase lock loop. Journal of Software, 2007,18(2:372?380. https://www.360docs.net/doc/ec11116065.html,/1000- 9825/18/372.htm Abstract : In this paper, the analysis model of computer clock is discussed, and the characteristic of the existing

简述锁相环

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

锁相环计算方法

2、理论分析计算与电路设计 2.1 锁相环 2.1.1 锁相环原理为了使系统产生稳定的载波，本系统设计中采用锁相环路。锁相环路是一种反馈控制电路，将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位以达到与参考信号同频的目的。由MC145152、MC12022及压控振荡器组成的锁相环路产生的载波的稳定度达到4×10-5，准确度达到3×10-5 。锁相环的总体框图如下： 2.1.2 锁相环分频锁相环分频由参考分频和可编程分频组成，由MC145152及MC12022实现。分频框图如下：图中PD 为数字鉴相器，f o 为压控振荡的输出频率（即发射频率）。由于压控振荡器输出信号的频率比较大，MC145152无法对它直接分频，必须用MC12022芯片先进行预分频获得频率较小的信号。MC12022内有64和63两种分频系数本设计中采用64分频，即P=64。 MC12022输出的信号进入MC145152进行再次分频后与参考信号进行相位比较，使载波达到与参考信号相同的稳定度。本设计中参考信号通过晶振分频得到。参考晶振（10.24MHz 晶体振荡器，频率稳定度可达10-5～10-6 ）从MC145152芯片的OSCIN 、OSCOUT 接入，MC145152中的÷R 计数器对参考信号进行参考分频。本设计中设置R ＝1024，即R A0R A1R A2＝101，对晶振频率进行1024分频得到10KHz 的参考频率信号。用4位拨码开关设置R 的值，MC145152的参考分频系数如下： MC145152芯片集分频、鉴相于一体，内有÷A 减法计数器，÷N 减法计数器进行可编程分频。分频系数N 、A 由并行输入的数据控制，本设计中通过单片机来控制N 、A,改变N 、A 的值即可实现频道的选择。可编程分频的原理及计算如下：

锁相环的基本原理含模型.doc

1.锁相环的基本原理和模型在并网逆变器系统中，控制器的信号需要与电网电压的信号同步，锁相环通过检测电网电压相位与输出信号相位之差，并形成反馈控制系统来消除误差，达到跟踪电网电压相位和频率的目的。一个基本的锁相环结构如图 1-1 所示，主要包括鉴相器，环路滤波器，压控振荡器三个部分。 Xi Phase detector Ve Vc Xo Loop fliter VCO 图1-1 基本锁相环结构鉴相器的主要功能是实现锁相环输出与输入的相位差检测；环路滤波器的主要作用应该是建立输入与输出的动态响应特性，滤波作用是其次；压控振荡器所产生的所需要频率和相位信息。 PLL 的每个部分都是非线性的，但是这样不便于分析设计。因此可以用近似的线性特性来表示 PLL 的控制模型。鉴相器传递函数为：Vd Kd ( Xi Xo) 压控振荡器可以等效为一个积分环节，因此其传递函数为：Ko S 由于可以采用各种类型不同的滤波器（下文将会讲述），这里仅用 F (s) 来表示滤波器的传递函数。综合以上各个传递函数，我们可以得到， PLL 的开环传递函数，闭环传递函数和误差传递函数分别如下： K o K d F (s) ， G cl (s) K o K d F (s) S G op( s) S K ， H ( s) S K K F (s) S K F (s) o d o d 上述基本的传递函数就是PLL 设计和分析的基础。 2.鉴相器的实现方法鉴相器的目的是要尽可能的得到准确的相位误差信息。可以使用线电压的过零检测实现，但是由于在电压畸变的情况下，相位信息可能受到严重影响，因此需要进行额外的信号处理，同时要检测出相位信息，至少需要一个周波的时间，动态响应性能可能受到影响。一般也可以使用乘法鉴相器。通过将压控振荡器的输出与输入相乘，并经过一定的处理得到相位误差信息。在实际的并网逆变器应用中还可以在在同步旋转坐标系下进行设计，其基本的目的也是要得的相差的数值。同步旋转坐标系下的控制框图和上图类似，在实际使用中，由于pq 理论在电网电压不平衡或者发生畸变使得性能较差，因而较多的使用dq 变换，将采样得到的三相交流电压信号进行变化后与给定的直流参考电压进行比较。上述两种方法都使用了近似，利用在小角度时正弦函数值约等于其角度，因而会带来误差，这个误差是人为近似导致的误差，与我们要得到的相位误差不是一个概念，最终的我们得到相位误差是要形成压控振荡器的输入信号，在次激励下获得我们所需要的频率和相位信息。 2.1 乘法鉴相器

锁相环PLL的组成和工作原理

锁相环的组成和工作原理#1 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。 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uD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uC（t）。即uC（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：即（8-4-4）则，瞬时相位差θd为（8-4-5）

锁相环设计与MATLAB仿真

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)

(完整版)锁相环工作原理

基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路频率合成器组成：频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO电路直接产生。如图3-4所示。在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO），在射频电路中起着非常重要的作用。本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop）来实现。 2.锁相环：它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域 3.锁相环基本原理：锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO）：振

荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。 1、压控振荡器的输出经过采集并分频； 2、和基准信号同时输入鉴相器； 3、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压； 4、控制VCO，使它的频率改变； 5、这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R分频器、N分频器、压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R分频器和N分频器完成参数配置后。晶振产生的参考频率（Fref）经R分频后输入到鉴相器，同时VCO的输出频率（Fout）也经N分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式输出，并通过LFP滤波，加到VCO的调制端，从而控制VCO的输出频率，使鉴相器两输入端的输入频率相等。锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见，只要合理设置数值N和R，就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片锁相环的基准频率为13MHz，通过内部固定数字频率分频器生成5KHz或6.25KHz的参考频率。VCO振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后，与基准频率进行相位比较，产生误差控制信号，去控制VCO，改变VCO的振荡频率，从而使VCO输出的频率满足要求。如图3-5所示。 N=F VCO/F R N：分频次数 F VCO：VCO振荡频率

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?，2H ω?为同步范围。 o i t t θθθθ-=-)()('o i o i t t t θθωωθθ-+-=-)()()('

锁相环

如今，数字电路，特别是大规模集成数字电路技术的发展，给通信技术领域的发展提供了更有力的支持。各种电子产品潮水般涌现入各个领域。电子线路以其制作简单、易于控制、可靠性强、体积小、成本低廉等优点，以广泛应用于各个行业，电子产品无处不在，电子技术无处不用。随着新器件的不断面市，新电路出现了更多的新功能，新的设计如雨后春笋般涌现！电子系统设计的多样化和复杂化的发展趋势，推动着EDA（电子设计自动化）软件的发展和完善进程。传统的实现载波提取的部件通常是由CMOS 集成电路构成4046数字锁相环，中小规模TTL 集成电路74系列构成平方律部件和分频电路。这类的载波提取部件工作频率低，可靠性差。正因为大规模数字电路的发展，现在可将数字锁相环，平房律部件以及分频器直接写入FPGA，完成载波提取的功能。现场可编程门阵列(FPGA)的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。FPGA 器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。他允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用FPGA 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。更吸引人的是，采用FPGA 器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改。FPGA 器件成为研制开发的理想器件，特别适合产品地样机开发和小批量生产，因此有时人们也把FPGA 称为可编程的ASIC。另一方面，20世纪90年代以后高精密度PLD 在生产工艺、器件地编程和测试技术等方面都有了飞速的发展。例如CPLD 的集成度一般可达数千甚至上万门，ALTERA 公司推出的EPM9560，其单密度达到12000个可用门，包括多达50个宏单元，216个用户I/O 引脚，并能提供15ns 的脚至脚延时，16位计数器的最高工作频率为118MHZ。可编程逻辑器件的技术的高速发展。技术上使传统的“自下而上”的设计方法，变为一种新的“自顶向下”的设计方法，设计者可以利用计算机对系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路可以采用一片或几片专用的集成电路（ASIC）来实现，因而使系统的体积、重量减小，功耗降低，而且具有高性能、高可靠性和保密性好等有点。本次毕设运用FPGA 进行实现，在技术上跟上了时代的发展。该设计过程中用到了Altera 公司的可编程逻辑器件EPM7064SLC44-10。这种芯片是Altera 公司生产的MAX7000系列。MAX7000系列是Altera 公司速度最快的高速可编程逻辑器件系列，是采用先进的CMOS EEPROM 技术制造的EPLD。MAX7000系列（包括MAX7000A、MAX7000E 和MAX7000S）的集成度为600～10000可用门，32～1024个宏单元，以及36～212个用户I/O 引脚。这些基于EEPROM 的器件能够提供快至4.5ns 的组合传输延迟，16位计数器工作频率可达192.3MHz。此外，MAX7000的输入寄存器的建立时间非常短，能提供多个系统时钟且由可编程的速度/功耗控制。MAX7000E 是MAX7000系列的增强型，具有更高的集成度。MAX7000S 器件也具有MAX7000E 期间的增强特性，通过工业标准四引脚JTAG 接口实现在 ------------------------------装 ---------------- 订----------------- 线 ----------------------------------