锁相环电路范文（精选8篇）

锁相环电路 第1篇

锁相的概念在20世纪30年代提出后,很快就被广泛地应用在电子和通讯领域中。使用锁相环PLL(Phase Locked Loop)电路的设备包括存储器、微处理器、硬盘驱动装置、射频无线收发器和光纤收发器等。近年来,集成电路的工作频率和片内集成的功能正以等比级数的速度增加,高性能的集成电路也被广泛地应用在高频无线通讯及光纤通讯中,这也意味着在同一个系统晶片内,同步的问题也变得更加复杂了。而数字集成锁相环路更有助于发展高性能和低成本的电子系统,高性能的锁相环频率控制系统在现代工业自动化、国防高精尖科技等领域有着越来越广泛的应用,其设计的合理性直接决定整个系统的精度。锁相环技术应用于应用于温度检测电路中,通过温度度传感器将温度的变化转变为频率的变化,可以用来精确测量温度或用于自动控制电路中调节机器的运转速度。

2 集成锁相环的基本原理

锁相环的主要任务是保证本机的振荡器产生的频率和相位与接收的基准信号频率和相位完全相同,使电路工作频率达到稳定。锁相环的基本组成如图1所示,其主要由相位比较器、低通滤波器、压控振荡器3部分组成。

集成锁相环基本工作原理是:若输入信号υi的相位为零,相位比较器的输出υe(t)也为零,则低通滤波器的输出信号υd(t) =0,压控振荡器VCO处于自由振荡状态,输出一个频率为fυ、相位为θυ的信号。当输入信号υi的相位为θi时,θi与θυ通过相位比较器进行比较,输出一个与相位差(Δθ = θi-θυ)的大小成比例的误差电压υe(t),经低通滤波器滤除υe(t) 中的高频成分,输出一个平滑的直流控制电压υd(t)。此电压控制VCO的输出相位,使θυ向θi靠近,直到Δθ 0或Δθ为常数,环路才稳定下来,即进入锁定状态。环路锁定时,压控振荡器的输出频率fυ与输入信号的频率fi相等。如果fi是一个高稳定度的基准信号,则fυ也具有fi的稳定度。两个输入信号的频率相同,相位差保持恒定(即同步)称作相位锁定,当锁相环锁定时,他还具有“捕捉”信号的能力,VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化,如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化,锁相环能捕捉到输人信号频率,并强迫VCO锁定在这个频率上。

3 系统结构及电路设计

3.1 集成锁相环的结构

如图2所示为采用了CMOS工艺的数字集成锁相环CC4060的内部结构及引脚图。其中,放大器A1对输入信号υi进行放大和整形。相位比较器(鉴相器)PC1仅由异或门构成,他要求两个相比较的输入信号必须各自是占空比为50%的方波;PC2是由边沿触发器构成的数字相位比较器,仅在2个相位比较的输入信号的上升沿起作用,与输入信号的占空比无关。

PC1具有鉴频/鉴相功能,相位锁定时,第2脚输出高电平。压控振荡器VCO是由一系列门电路和镜像恒流源电路构成的RC振荡器,输出占空比为50%的方波,固有振荡频率fυ由外接定时电阻R1,R2和定时电容C1决定。R3,R4与C2组成一阶低通滤波器,滤除相位比较器输出的杂波。滤波器的截止频率是:ω=1/(R3+R4)C2,ω的高低对环路的入锁时间、系统的稳定性与频率响应都有一定的影响。ω越低、环路入锁时间越快、环路带宽越窄、环路总增益越低、消除相位抖动的能力越差。在实际应用中要根据具体要求选择ω。滤波后产生的直流误差电压υd控制对电容Ct的充电速率,即控制VCO的振荡频率fυ。VCO的最高工作频率与VCO的电源电压VDD有关,当电源电压VDD为+5 V时,CC4060的最高工作频率小于0.6 MHz。当电源电压VDD为+12 V时,CC4060的最高工作频率可达1 MHz。A2为输出缓冲器,只有当使能端INH=0时,VCO和A2才会有输出,通常情况下第5脚接地。稳压管DZ提供5 V的稳定电压,可作为TTL的辅助电源。

3.2 集成锁相环参数计算

衡量集成锁相环性能优劣的基本参数有捕捉带Δfυ、同步带ΔfL及VCO的控制特性曲线。当锁相环处于一定的固有振荡频率fυ,而输入信号频率fi偏离上限值fimax或下限值fimin时,环路仍能进入锁定,捕捉带Δfυ= fimax- fimin。锁相环从锁定开始,改变输入信号的频率fi,直至锁相环进入失锁状态,这段输出振荡频率范围称为同步带ΔfL,如图3(a)所示。利用公式ω=2πf将捕捉带和通频带分别表示为Δω和ΔωL,经分析可得:

Δωυ=KυKP[υd(t)/υe(t)]

其中,υd(t)/υe(t)是低通滤波器的传输函数;ΔωL=KυKP;Kυ为压控振荡器的电压频率转换增益,或控制灵敏度,其表达式为:

undefined

式中,KP为相位比较器的相位电压转换增益:

undefined

可见,锁相环输出的捕捉带Δfυ是压控振荡器、相位比较器以及低通滤波器3个环的增益乘积,而同步带ΔfL只是前2个环的增益乘积。通常低通滤波器的增益υd(t)/υe(t)1,故捕捉带Δωυ通常小于同步带ΔωL,即ΔωυΔωL。

压控振荡器的振荡频率与控制电压的关系可以用如图3(b)所示的特性曲线表示,当υd(t)在一定范围内变化时,ωυ(t)与υd(t)曲线是线性的。同时,压控振荡器的振荡角频率可以用下式表示:

ωυ(t)=ω0+Kυυd(t)

式中ω0为υd(t) =0时的振荡频率;Kυ为曲线的斜率。ω0不同时,特性曲线的斜率也会不同。使用时,要求VCO的控制电压应不超过电源电压的大小。

3.3 温控变频电路的设计

常见的温度控制系统,是先利用温度传感器将温度的变化转换为电阻中电流的变化,继而引起电压的变化,实现控制功能。虽然其实现容易,但是可靠性低,抗干扰能力差,本文力求解决这一问题。设计思路是将温度变化转换为频率变化加以控制,先借助温度传感器和数字集成锁相环电路把温度的变化转变为振荡器输出信号频率的变化,随着温度的渐渐升高,信号频率也随之慢慢改变,当达到设定温度时,频率也将确定。

将电压信号V变换成频率信号F在信号检测电路、现代通信中应用广泛,用锁相环电路能方便地实现V/F变换。根据压控振荡器的原理,在锁相环的输入端或VCO的电压控制端加一直流电压,则VCO的输出频率会随输入信号的瞬时电压变化而实现V/F变换。反之,也能实现F/V变换。图4就是根据这一原理实现的温度电压频率的信号变换电路。

在图4中,温度传感器AD590将检测温度(-50～125 ℃)变换成直流电流,经电阻分压后得到直流电压送入精密运放OP-07放大后输入到CC4060的第9脚,作为压控振荡器VCO的控制电压,从第4脚输出的频率信号f0与控制电压的大小对应成比例。因此,他也和温度传感器的直流电压VT成比例。R4和RP用于调整运放的输出电压,R5改变运放的增益。调整R1,Ct使VCO的固有频率fυ为10 kHz。逐点测量压控振荡器的电压控制曲线Vd和fυ;测量传感器AD590输出VT与温度的关系;调节运放OP-07的放大倍数,即可实现温度到频率信号的变换。

摘要：CC4046集成电路锁相环采用RC型压控振荡器,外接RC作为充放电元件,电路简单、成本低廉、实用价值大,可广泛应用于广播电视系统,各种通信系统,以及频率合成,自动控制及时钟同步等技术领域。利用数字集成锁相环组成温控变频电路可以克服常见温控系统可靠性低、抗干扰能力差的缺点,为温度的精确测量及需要进行温度检测控制的设备提供了一种可行的电路设计方案。

关键词：数字锁相环,相位同步,温度控制,频率变换

参考文献

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[4]Razavi B.Monolithic Phase-locked Loops and Clock Recov-ery.IEEE Press,1996.

巧妙利用数字锁相环测量汽车转速 第2篇

---锁相环路诞生于20世纪30年代。近年来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域，能够高性能地完成信号的提取、信号的跟踪与同步，模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。为了便于调整，降低成本和提高可靠性，目前已有多种不同性能的集成锁相环电路，主要分为模拟和数字两种。

---数字锁相芯片4046结构简单，接线方便，功能扩展容易，在音频发生器设计、鉴相、频率合成、压频转换等方面获得广泛应用。本文利用4046的锁相和压控振荡原理，结合计数器的分频功能，并通过计数和译码显示测量不同汽缸汽车的转速。

2数字锁相环4046的功能及在本设计中的应用

2.1数字锁相环4046功能简介

---数字锁相环4046包含两个相位比较器，一个压控振荡器（VCO），一个源极跟随器和齐纳二极管。比较器有两个共用信号输入端，一个是输入信号端，一个是比较信号输入端，对于大幅值信号，可直接耦合到比较器输入端，对于小幅值信号，可通过电容耦合到放大器上，再送给信号输入端。

---相位比较器1是一个或门，产生相位差信号（相位比较器1输出），并在压控振荡器的输出信号中心频率处保持90°相移不变。只要输入信号和比较信号（占空比都为50%）的相位差保持恒定，压控振荡器输出信号的中心频率就跟踪输入信号的频率，这也是锁相环锁相的本质。

---相位比较器2是边缘触发的数字存储网络，产生相位差信号（相位比较器2输出）和锁定信号（相位脉冲输出），并在压控振荡器的输出信号中心频率处保持0°相移不变。只要输入信号和比较信号（与占空比无关）的相位差保持恒定，压控振荡器输出信号的中心频率就跟踪输入信号的频率。

---压控振荡器（VCO）产生的信号从VCOOUT输出，振荡频率由压控振荡器输入信号（VCOIN）和6、7管脚间的电容和11、12管脚上接的电阻共同确定，当外围参数确定后，振荡频率的大小与压控振荡器输入信号成线性关系。

---源极跟随器通过外接10kΩ以上的电阻接地。当INHIBIT输入端信号为高电平时，就会屏蔽压控振荡器和源极跟随器来减小功耗。齐纳二极管主要起稳压作用。

---4046有以下主要特点：

---(1)较宽的电源电压范围（3.0～18V）；

---(2)低功耗（70μA）；

---(3)振荡频率高且稳定（1.3MHz）；

---(4)频率温度漂移小；

---(5)VCO输出线性好（<1%）。

2.1数字锁相环4046在本设计中的应用

---本设计中，传感器采集汽车打火系统中的电火花信号，此信号经过限幅、滤波、稳压，送给电压比较器的同相输入端，与反相输入端的恒定电压值进行比较，输出信号为矩形脉冲，高电平为运算放大器的电源电压值。经过处理后的信号送给数字锁相环4046的输入信号端口，采用4046的第二相位比较器，当输出信号（4管脚）的相位与输入信号的相位差恒定时，输出信号频率为输入信号频率的整数倍。频率大小取决于相位比较器的输出信号经低通滤波处理后的电压和6、7管脚间的电容和11、12管脚上外接的电阻的大小。

3测量汽车转速的设计电路实现

---对于4缸、6缸和8缸汽车发动机，为了得到统一的转速计算公式，需要对4046的输出信号进行不同的分频。对于4缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过6分频，对于6缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过4分频，对于8缸汽车发动机来说，4046的输出信号要经过3分频。而计数器具有分频功能，本设计中选用具有可变计数器功能的CMOS芯片4018。只要把4018芯片的6管脚接到1管脚DATA端，就构成6进制计数器，对输入时钟信号进行6分频；只要把4018芯片的4管脚接到1管脚DATA端，就构成四进制计数器，对输入时钟信号进行4分频；把第4和第5管脚经相与后再接到1管脚DATA端，就构成三进制计数器，对输入时钟信号进行3分频；采用一个多路开关就可实现对不同汽缸汽车的转速测量。

---4046的输出信号经计数器计数，数据锁存后，送给译码电路，译码输出驱动共阴极发光二极管，直接显示测量结果。

---整个测量系统可用以下原理框图表示。

4关键设计环节的仿真

---本设计的关键环节是数字锁相环4046的锁相和压控振荡功能以及可变计数器4018的分频功能。电路设计与制版软件Protel99内含一个功能强大的模/数混合信号仿真器，可进行瞬态分析，显示电路节点的波形，从而验证设计的可行性。可利用此软件的仿真功能来分析4018和4046的功能以及在本设计中的应用。

4.14018的分频功能仿真

4.1.16分频的实现

---由以上分析可知道，只要把4018的6管脚输出接到1管脚DATA端，4018就成为六进制计数器，电路连接如图3所示。

---仿真时，在4018的时钟CLK端加上频率为1MHz的方波信号，观察输入信号Ui和输出信号Uo，波形图如图4所示，用软件所带测量光标测量两个信号的频率，Ui的频率恰为Uo的频率的6倍，用4018成功地实现了输入信号的6分频。

4.1.24分频与3分频的`实现

---只要把4018芯片的4管脚接到1管脚DATA端，就可对输入时钟信号进行4分频，把第4和第5管脚相与后再接到1管脚DATA端，就可对输入时钟信号进行3分频，相应的电路连接图和仿真波形不再赘述。

4.24046的锁相功能和压控振荡功能仿真

4.2.14046的锁相功能仿真

---4046内部有两个相位比较器，本设计中使用相位比较器2，把信号输入端（14管脚）的信号与比较输入端（3管脚）的信号进行相位比较，将相位差转化为脉冲信号输出，此信号经过低通滤波器滤波，作为压控振荡器的输入信号，只要14管脚和3管脚的信号相位差恒定，压控振荡器的输入信号就为定值，压控振荡器的输出信号频率就为14管脚信号频率的倍数。实际电路连接图如图5所示。

---图5中，经传感器采集并预处理过的信号从信号输入端（14管脚）输入，压控振荡器的输出信号（4管脚）经4018分频后反馈至比较信号输入端（3管脚），鉴相后的信号从相位比较器2（13管脚）输出，此信号经低通滤波处理后送给压控振荡器输入端（9管脚），输出信号频率由压控振荡器输入信号和6、7管脚间的电容C1和11、12管脚上的电阻R1、R2决定。

---对4046的锁相功能进行仿真时，从14管脚输入频率为60Hz，高电平为电源电压（10V），占空比为1/4的矩形波信号，从3管脚输入频率为60Hz，高电平为电源电压（10V），占空比为1/2的矩形波信号，二者的相位差是恒定的，从相位比较器2输出的信号滤波后成为直流信号，送给压控振荡器输入端，相应的仿真波形图如图6所示。

---由上图可以看出，当输入信号和比较信号的相位差保持恒定时，鉴相后的信号经低通滤波处理后为直流信号，此信号控制压控振荡器的输出信号频率。

4.2.24046的压控振荡功能仿真

---当外围参数确定后，4046的压控振荡器输出信号频率取决于VCOIN端的直流信号大小。通过设置不同的输入直流信号电压，观察输出信号波形。所采用的电路连接图如图7所示。

---分别给VCOIN端加上1.0～7.0V的直流电压，观察VCOOUT端的输出信号波形，所得波形图如图8所示。

---通过测量光标测量各输出信号的周期，再转换成频率，所得波形频率与输入直流电压的关系如表1所示。

---通过以上波形显示和测量数据可以得出以下结论，压控振荡器的输出信号频率与输入电压具有很好的线性关系，输出信号频率超出音频范围。

5结束语

锁相环电路 第3篇

关键词：Multisim2001,行扫描,锁相环,AFC

Multisim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 电路的结构、工作原理及AFC

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)[3,4,5]，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，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。

1.2 锁相环电路的工作原理

锁相环是一种相位误差控制系统。通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。

假设环路开始工作时的压控振荡器频率与输入信号频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，其间的相位差势必始终在变化，导致鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率随之变化。当压控振荡器的频率逐渐变化到与输入信号频率相等时，因此时已满足稳定性条件，所以压控振荡器的频率将不再变化。同时，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频率差变为零，相位差不再随时间变化，误差电压也固定下来，此时环路相当于进入“锁定”状态，故称为“锁相环”。

1.3 行扫描AFC

自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)是一种使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自动控制方法。而实现这种功能的电路称为AFC环，相比一般锁相环电路，由于该方法采用闭环结构，所以能使系统的工作频率更加稳定且偏差较小。行扫描AFC是AFC的一种，这种方式应用广泛，其电路结构如图2所示。

2 AFC锁相环电路设计

设计以一般锁相环电路结构为参考，在实现“锁相”功能的基础上加入行扫描AFC方法，使设计的电路更好地控制频率和相位[6,7,8]。

2.1 电路图设计

启动Multisim2001，设计的电路如图3所示，电路由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成。

(1)脉冲信号源由V1构成，提供行同步信号，方波脉冲的周期为64μs、脉宽为4.7μs、幅度为3 V。(2)输入耦合电路由C1、R1构成。(3)AFC鉴相器由Q1、R2、R3、C2、C3、D1、D2、R4、R5组成，属于分相型平衡式。(4)环路滤波器由R6、C5构成，实质是一个低通滤波器。锁相环的压控性和频率稳定性就取决于其时间常数的大小。(5)隔离电阻由R7构成。(6)压控振荡器由U2A、R9、C4、D3、D4构成，其脉冲可变。(7)隔直电容为C7，保证COM点平均电压为0。(8)积分电路由R8、C6组成，形成比较锯齿。(9)调节R9可改变振荡脉宽，方便调出符合比较相位要求的振荡器反馈比较信号。(10)电容C4为可调电容，调节其可方便地改变振荡频率，观察锁相结果。(11)在AFC节点处有直流电压指示器，可观察AFC输出电压。(12)R10为12 V分压电路，提供振荡器正常偏置。

2.2 仿真步骤

(1)按图3连接AFC锁相环仿真电路。1)首先用示波器观察AFC与振荡器断开时的OUT波形。2)按键盘中的A和B分别调节R9阻值和C4容值，观察脉宽和频率变化的规律。3)将AFC到振荡器的连线重新连接好，用示波器分别观察输出端OUT、COM、AFC、晶体管各电极B、C、E各点的波形，并调节R9和C4锁相范围，做好记录。锁相同步时各测试点的波形如图4所示。

(2)波形分析。1)OUT输出“1”高电平，“0”低电平的振荡波形，是振荡器通过调整R9(85%)获得，原因是为了满足锁相环比较相位的需要。2)COM将OUT输出波形积分获得比较锯齿，锯齿波的逆程放大如图5所示。锁相过程为:设同步信号出现时，对应右边锯齿波逆程处于某一电压值;当振荡频率因某些原因升高，周期变短，即锯齿波左移，当同步信号再出现时，对应左边锯齿波逆程处于较低电压值，即COM点电位下降，引起APC电压也下降，导致振荡器输入端电位降低，使振荡翻转推迟，即振荡频率也下降，通过不断地牵引，电路自动平衡在一个稳定的频率点上，即频率被锁住。可从Ub与COM波形对照看出锁频状况。3)因三极管内部电流分配关系，导致分相器Q1的Uc与Ue的输出波形互为倒相。4)AFC电压波形是振荡器输入端与比较误差电压的波形叠加。

(3)改变参数观察测试结果。通过以上分析，本次设计已初步实现设计要求，为进一步改善电路，可通过如下过程找到合适的元件参数。1)改变比较积分电容C6数值，找出最佳锁相范围的数值。2)增大或减少C1和C2的数值，观察同步性能。3)调节R9，从85%～15%，振荡波形的占空比变化，再微调C4、R10，试图寻找同步点。4)改变V1信号源的频率，找出同步范围。

2.3仿真结果分析

通过仿真可知，设计的行扫描AFC锁相环电路，相比于一般锁相环电路，由于加入自动频率控制方法和闭环系统，使得电路具有更好的频率比较功能，通过频率差不断地反馈最终实现“锁相”。同时通过调整元件参数，可得到系统工作最佳的锁相范围数据，这些数据大幅简化了下一步PCB的设计与制作，可见达到了设计要求。

3 结束语

通过基于Multisim的行扫描AFC锁相环电路设计，该电路可通过行扫描自动频率控制方法比较输入信号和振荡器输出信号，逐步减小输入输出之间的频率差，以实现两者相位的一致。总之，利用Multisim不但可快速设计出所需的电路，同时因其灵活的编辑环境，通过对元件参数的调整，可找到更加符合设计要求的电路。

参考文献

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[7]樊孝明.Multisim在“锁相与频率合成”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报,2011,33(4):106-108.

锁相环电路 第4篇

关键词：锁相环,调制解调,NE564芯片

0 引言

调频波(FM)解调称为频率检波,简称鉴频。实现调频波解调的方法有很多,常见的方法有:a.斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频,这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件,电路形式比较复杂不易于集成;b.移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频,这些鉴频器易于集成,但移相乘积鉴频器内部噪声较大,脉冲均值鉴频器线性好、频带宽,但中心频率范围较低;c.锁相环鉴频,它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法,具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点,所以被广泛应用在通信电路系统中[1]。

1 锁相鉴频器的工作原理

锁相鉴频器原理框图如图1所示。当输入为调频波时,如果环路滤波器的带宽足够宽,使鉴相器的输出电压可以顺利通过,则VCO(压控振荡器)就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率,即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波[2]。这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM解调电路。

2 模拟锁相环NE564的结构与特点

模拟锁相环SE564芯片的最高工作频率可达50MHz,采用+5V单电源供电,电路设计所使用的元件不多,关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。特别适用于高速数字通信中FM信号和FSK(移频键控)信号的调制和解调,且不需外接复杂的滤波器[3]。芯片采用双极性工艺,电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成,内部结构如图2所示。(参见右栏)

图2中,限幅器由差分电路组成,可抑制FM信号的寄生调幅;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;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;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[4]。SE564的封装图如图3所示。

3 FM解调电路设计

用NE564组成41.4MHz的FM电路,如图4所示。FM输入信号的电压Vi≥100m V,调制信号的频率fΩ=1KHz,该电路的元件参数设计如下:

图中D1、D2为限幅二极管。C1是输入耦合电容,R1、C2组成限幅放大器的输入偏置滤波,滤除FM信号中的杂波。R3和RP对2脚提供输入电流I2,用来控制环路增益和VCO的锁定范围,总电阻R与电流I2的关系为:

式中的1.3V是由于NE564的13脚电压为1.3V,I2一般为几百毫安,调节电位器RP使环路增益和VCO的锁定范围达到最佳值。R4是VCO输出端必须接的上拉电阻。C3、C4与内部两个对应电阻(阻值R=1.3kΩ)分别组成一阶RC低通滤波器。其截止角频率为:

滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响,可根据要求改变C3、C4的值。VCO的固有振荡频率f V与定时电容Ct的关系为:

工作频率为41.4MHz时,由式(3)或振荡频率f V与Ct的关系曲线图5,得出Ct≈11p F,可用6p F和3/20p F电容并联使用。C5和C6用来滤除电源中的高低频交流分量。C7、C8和R5组成π型滤波器,用来滤除输出信号中的谐波分量。

该电路通过调试,中心频率工作在41.4MHz,频偏可达1MHz以上,输出电压在0.4V以上。

参考文献

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[3]李琼,钱卫平.超高频模拟集成芯片NE564及其在通信中的应用[J].电声技术,2007,31(7):41-44.

锁相环电路 第5篇

关键词：FPGA,数字锁相环,频率跟踪,超声波电源

超声波电源在实际工作过程中, 会因温度变化、负载变化、工具磨损等因素, 使负载的固有频率发生变化。为了提高工作效率, 应使使超声波电源工作在谐振状态, 即超声波电源的输出频率能够跟负载固有频率一致。在传统的实现方案中, 主要采用CD4046、74HC4046等集成芯片构成的模拟电路对负载电流进行频率跟踪。但是, 这些芯片, 存在着频率跟踪范围窄、可靠性差、功耗较大、集成度低、控制不够灵活, 通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制, 能消除温漂, 有利于参数整定和参数调节, 通过软件程序的改变, 方便地调整控制方案, 同时可减少元器件数目、简化硬件结构。此外还可实行运行数据的自动储存和故障自动诊断, 有利于实现电力电子装置运行的智能化。

本文采用了一种基于FPGA的数字锁相环的实现方法, 来对超声波电源进行频率跟踪。

1 数字锁相环 (DPLL) 原理

所谓数字锁相环路 (DPLL) 就是环路部件全部数字化, 采用数字鉴相器 (DPD) 、数字环路滤波器 (DLF) 、数控振荡器 (DCO) 构成的锁相环路, 它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差, 从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率, 以达到与输入信号同频同相。

2 数字锁相环的实现

在FPGA器件内实现全数字锁相环用途极广, 可以基于FPGA器件把全数字锁相环路作为一个功能模块嵌入FPGA器件中构成片内锁相环。本文设计的锁相电路, 能够使锁相环快速进入锁定状态, 在最短时间内正常工作并且提高输出频率的质量。

全数字锁相环路的结构框图如图4所示。其中数字鉴相器由异或门构成, 数控振荡器由加/减脉冲控制器和除N计数器组成。可逆计数器和加/减脉冲控制器的时钟频率分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路的中心频率, 一般情况下M=2N, 且M和N为2的整数幂。

2.1 鉴相器的设计

异或门鉴相器用于比较输入信号中u1的相位φ1与数控振荡器输出信号u2的相位φ21差, 其输出信号ud的相位φe, 作为可逆计数器的计数方向控制信号。当中为低电平时 (φ1和φ2有同极性时) , 可逆计数器作/加计数;反之, 当φe为高电平时, 可逆计数器作减计数。

2.2 数字环路滤波器的设计

数字环路滤波器是由变模可逆计数器构成的, 该计数器设计为一个17位可编程 (可变模数) 可逆计数器, 计数范围由外部置数DCBA控制。假设系统工作无相位差, 由锁相环原理知, φ1和φ2的相位差为0, 异或门鉴相器输出是一个对称的方波, 因此可逆计数器在相同的时间间隔内进行加或减计数, 只要K足够大, 那么从零开始的计数就不会溢出或不够。进位和借位脉冲可用来控制加/减脉冲控制器, 使得其输出的脉冲数根据进位和借位来加上或者减去一些脉冲。实际上也就改变了加/减脉冲控制器的输出频率。

K模可逆计数器的输出表达式为:

2.3 数控振荡器的设计

数控振荡器由加/减脉冲控制器和除N计数器组成的。加减电路的输出表达式为

加/减脉冲控制器其实是一个增量/减量计数器。它和环路滤波器连用, 如果在环路滤波器无进位或借位的时候, 加/减脉冲控制器对时钟2Nfc进行二分频。当加/减脉冲控制的输入端输入一个进位脉冲时, 输出脉冲中通过该计数器内部加上一个时钟脉冲;反之, 当加/减脉冲控制的输入端输入一个借位脉冲时, 输出脉冲中就减去一个时钟脉冲。因此通过借位和进位脉冲可以使输出频率得到改变, 输出频率能被进位和借位脉冲的最高频率控制在一个给定的范围内。

2.4 仿真结果与分析

把以上各模块整合成一个系统即本系统的全数字锁相环电路。取K=16, 在 (0~100us) 时间段内进行仿真。clk信号频率为l0MHz, (c1k即2Nfc) ;取u1信号频率为50KHz

当锁相环输入信号u1, 频率发生变化时锁相环输出信号u2在几个信号周期内即可实现对u1的跟踪锁定。

锁相环当中的鉴相器与数控振荡器选定后, 锁相环的性能很大程度依赖于数字环路滤波器的参数设置。环路滤波器采用了K模计数器。其功能就是对相位误差序列计数即滤波, 并输出相应的进位脉冲或是借位脉冲, 来调整数控振荡器输出信号的相位 (或频率) , 从而实现相位控制和锁定。K模计数器作为滤波器有效地滤除了噪声对环路的干扰作用。

模K愈大, 环路进入锁定状态的时间越长, K取得过大, 对抑制噪声减少相位抖动有利, 但是同时又加大了环路进入锁定状态的时间。反之, K取得过小, 可以加速环路的锁定, 而对噪声的抑制能力却随之降低。所以在此选取K=16。当输入信号频率在100KHz~l0KHz之间调节时, 均可实现相位的锁定。

3 实验结果与结论

X轴:t, 20us/div;Y轴:u, 100V/div, i, 10A/div

在此以3KW/25KHZ的超声波电源为实验对象。图2是频率跟踪后稳态的输出电压和电流波形。从图中可以看出频率跟踪后超声波电源工作在接近谐振状态, 电压和电流的相位几乎同步, 达到了很好的跟踪效果。结果表明用FPGA器件实现的数字锁相电路在超声波电源的应用中具有良好的表现。

参考文献

[1]黄洪彬.基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计[J].[电加工与模具].2013.3.

[2]王鸿麟, 景占荣.通信基础电源[M].西安:西安电子科技大学出版社.2001.

[3]湖春华.数字锁相环路原理与应用[M].上海:上海科学技术出版社.1990.

锁相环解调信号的仿真分析 第6篇

对于数字通信系统, 载波同步是必不可少的部分, 是接收机相干解调的第一步。如果提取载频不准确, 就无法进行信号的接收和译码等。何苏勤, 詹明静[1]利用锁相环进行载波跟踪, 针对锁相环的噪声性能和跟踪速度不能同时达到最优的限制, 在锁相环PLL中引入自适应模块, 根据环路所处的环境自适应地对PLL环路参数作出调整。张小莉, 樊延虎[2]讨论了QPSK调制信号的同步载波提取。陈联连与孙玲[3]基于Matlab中的Simulink组件, 分别给出了平方环、科斯塔斯环法进行该信号载波提取的具体过程。本文将考虑锁相环与平方环两种解调方法, 通过仿真分析, 比较两种方法的可行性与优缺点。

2 使用锁相环对调频信号的调制及解调进行仿真分析

由于使用Matlab软件对载波同步进行仿真时需要编写较多代码, 且已有文献中大多使用锁相环方法对FM信号进行解调, 本文采用同种方法。锁相环可以分为三部分:鉴相器 (乘法器) 、环路滤波器和压控振荡器 (VCO) 。

2.1 锁相环原理

为方便使用, 有必要详细介绍锁相环的原理 (见图1) , 以及各组成部分的作用。

2.1.1 鉴相器 (PD, Phase Discriminator)

鉴相器的作用是检测输入信号与输出信号之间的相位差, 并将相位差信号转换成电压信号作为输出。常用乘法器作为鉴相器。输入信号u1 (t) 与压控振荡器输出信号u2 (t) 分别为:

鉴相器输出为:

其中, ωi为信号的频率, θi (t) 为相位。

2.1.2 环路滤波器 (LF, Loop Filter)

在锁相环中, 通常使用低通滤波器作为环路滤波器。经过低通滤波器后, 滤除信号中高频分量, 为压控振荡器提供控制信号。环路滤波器输出信号为:

2.1.3 压控振荡器 (VCO, Voltage Controlled Oscillator)

压控振荡器是将电压信号转换为频率信号的变换器, 在初始频率ω0附近时, 其振荡频率随输入控制电压uc (t) 线性变化, 即

其中, ωv (t) 是VCO的瞬时角频率, K0表示单位控制电压线性特性斜率, 因此又称为控制灵敏度, 其单位为[rad/V﹒s]。在锁相环中, VCO的输出只影响鉴相器的瞬时相位, 不会导致其瞬时角频率的变化, 即

锁相环分为四种工作状态:锁定状态、失锁状态、捕获过程和跟踪过程。所谓锁定状态就是输出信号与输入信号相位为一个固定的差值, 但频率相等。失锁状态指瞬时频差总不为零的情况。当输入信号超出锁相环工作范围时, 锁相环会进入失锁状态。捕获过程是指锁相环由失锁状态进入锁定状态的过程, 这时频差将不断减小。跟踪过程就是在锁定状态的前提下, 输入参考频率和相位在一定的范围内, 输出信号的频率与相位以相同规律变化。

2.2 仿真参数选择

调频信号由500Hz的调制信号和5k Hz的载波组成。采样周期设为1/fs、调频灵敏度为0.0716。锁相环初始值分别设置为:已调信号输入10、初值都为0、环路滤波器参数为0.16与0.09。在上述参数下, 利用Matlab软件编程仿真。

2.3 仿真结果及分析

2.3.1 接收信号中无高斯白噪声

在接受信号中无高斯白噪声的情况下, 仿真结果见图2中图形。

FM信号的频率随调制信号振幅而变化, 当调制信号 (正弦波) 在波峰或波谷时, 已调信号的频率达到最大值或最小值, 且在调制信号过零点时, FM信号发生了移相。

由于实验初始时, 锁相环处于失锁状态, 可观察到捕获全过程。此时, 环路滤波器输出为减幅振荡。从图中可以看出, 环路滤波器的输出即为解调信号, 且与调制信号同频同相。

2.3.2 信号中加入高斯白噪声

当接受信号中加入高斯白噪声时, 仿真结果见图3。

当信号加入高斯白噪声后, 模拟结果见图3所示。与图2对比发现, FM已调信号出现失真。在仿真时加入了方差为0.1、均值为0的高斯白噪声时, 因为零点位置信号功率最小, 所以环路滤波器输出过零点处最容易受到噪声的影响, 相同位置压控振荡器的失真也比较明显。锁相环虽然可以正常跟踪, 说明没有超出锁相环的工作范围, 但是不再是光滑的直线。压控振荡器输出的波形和FM信号波形相差不大, 说明调频信号抗干扰能力比较强, 所以噪声对信号的实际影响比较小。

3 使用平方环法对调幅信号的调制和解调进行仿真分析

Simulink是MATLAB提供用于动态系统建模、分析和仿真的工具。Simulink提供了输出信号独立显示模块, 方便观察仿真结果。同时, 通过数据存储模块, 仿真数据可以直接保存在MATLAB文件中, 便于进行后续的分析。Simulink最大的优点在于图形化和模块化的建模方式, 适用于描述模块化和层次化清晰的系统模型。Simulink可以简便地实现载波同步仿真, 且建模较灵活, 便于结果分析。目前常用载波同步方法有两种:插入导频法、直接法。本文使用的直接法也称自同步法, 此方法只需对接收信号进行非线性变换, 然后通过窄带滤波, 即可从中提取载波频率。下面将对载波同步进行分析。由于调制方式几乎不对载波同步产生影响, 所以本次使用AM调制/相干解调系统, 相干解调所用的载波将用平方环法恢复。

3.1 仿真参数

该系统分为调制系统、高斯噪声信道、相干解调和平方环电路四部分。其参数设置如下:调制信号为振幅1V、频率2k Hz, 载波频率为20k Hz, 调幅指数为2/3, 均为正弦波。高斯噪声方差设为0.015。解调部分低通滤波器截止频率为2k Hz。带通滤波器的下限截止频率为37k Hz、上限截止频率为43k Hz。VCO输出信号振幅为1V, 中心频率可设为40.5k Hz, 压控灵敏度可设为5000Hz/V。计数器设为二进制计数, 用于二分频。系统仿真步进设10-6S。除高斯信道中加入白噪声外, 假设其它器件不产生噪声。

3.2 原理框图

设接收信号 (2PSK) 为

接收端将该信号经过平方律器件后得到:

将接收信号平方后用窄带滤波器滤出后再做二分频, 即可得到所需载频。

3.3 建模

基于上述原理, 可建立如下仿真模型 (见图5) 。

3.4 仿真结果及分析

利用图5所示模型, 利用matlab软件可得一系列仿真结果 (见图6、7) 。

3.4.1 AM已调信号/平方/环路滤波器/压控振荡器/二分频

在输出结果图6中, 第一行为加入高斯白噪声的AM信号, 可看出波形并不是平滑的曲线, 中间有大量毛刺, 这些毛刺就是高斯白噪声。第二行为输入信号做平方计算后的波形, 最小值为0, 频率变为输入信号的2倍。第三行是环路滤波器输出信号, 目的是滤除40KHz以外的其它频率, 保留载波频率的2倍频。第四行波形为压控振荡器输出纯净的40KHz正弦波。第五行为二分频之后的波形, 即所需的20KHz载波。

3.4.2 调制信号/解调信号

在输出结果图7中, 第一行为调制信号 (幅度1V, 频率2KHz的正弦波) 。第二行为AM信号经过相干解调后, 输出的解调信号, 刚开始平方环输出的并不是相干载波, 锁相环需要跟踪过程, 等稳定后才可获得解调信号。虽然解调信号与调制信号频率相同, 但相位确不同。

4 结束语

通过上述讨论可知, 锁相环捕获过程的震荡减幅比较剧烈。锁相环可正常跟踪, 说明没有超出锁相环的工作范围。而平方环输出的解调信号, 在初始时刻附近输出的不是相干载波, 锁相环需要跟踪过程, 等平方环稳定后, 才可获得解调信号。虽然解调信号与调制信号频率相同, 但相位却存在差异。

需要指出的是, 若要实现模型仿真, 需选择适当软件。本文先后使用了MATLAB和Simulink两种方法对系统进行仿真。有一些文献使用Xilinx ISE/Quartus II处理, 但需使用MATLAB和Model Sim辅助仿真。而Simulink更加直观、建模时更加简单, 用很少的学习时间就可掌握。特别需要指出的是, MATLAB受到的约束较少, 完全可按照自己的思想编写程序, 但是需要较长的间才能掌握。不过与C语言或者VHDL语言相比, MATLAB编写用的语言简单很多, 同时也更加灵活。观察仿真结果, 若无法达到预期的要求, 可改变系统参数, 直到满意为止, 根据得到的结果进行分析。

参考文献

[1]何苏勤, 詹明静.基于FPGA的自适应锁相环设计[J].电子设计工程, 2010 (9) :147-150+154.

[2]张小莉, 樊延虎.QPSK调制信号的同步载波提取[J].现代电子技术, 2015 (3) :54-56.

锁相环同步切换控制应用研究 第7篇

1 锁相环的组成

锁相环 (PLL) 是以消除频率误差为目的的反馈控制电路, 其输出信号的频率跟踪输入信号的频率。当输出信号频率与输入信号频率相等时, 输出电压和输入电压保持固定的相位差值。锁相环路由三部分组成:鉴相器 (PD) 、环路滤波器 (LF) 和压控振荡器 (VCO) 。如图1所示。

2 锁相环的相位模型

锁相环路的相位模型如图1所示。其中, 为鉴相器放大倍数, 为低通滤波器传递函数, 为压控振荡器传递函数。

低通滤波器传递函数的不同, 将导致整个锁相环路闭环传递函数的改变, 从而影响环路的性能。有源比例积分环路滤波器具有低通特性和比例作用, 其相频特性有超前校正作用。

3 锁相环的性能分析

3.1 锁相环路的稳态误差分析

对于工频电源的频率扰动, 在环路动态调节过程中, 系统相位误差就会逐渐减小, 达到同步锁定状态时, 稳态相位差趋近于零。

3.2 锁相环路的动态响应误差分析

当环路处于锁定状态时, 输出频率与输入频率相同, 两者之间只有一个稳态相差。在此条件下, 若输入信号发生相位或频率的变化, 通过环路自身的控制作用, 环路输出信写会跟踪输入信号的变化。本系统锁相环路的输入信号为工频信号, 工频信号50Hz上下波动时产生的频率变化量可看作是阶跃信号:θ1 (s) =△ω/s2环路误差动态响应输出曲线如图所示。由相对误差响应曲线图可知, 最大的相位误差是随着ζ值的减小而增大的, 当ζ=0.707时, 锁相环路的相位误差响应较快, 超调较小。

4 基于锁相环的恒压供水同步控制的设计

4.1 锁相环同步控制原理图

基于PLL原理的变频电源与工频电源的锁相环同步控制电路如图2所示。它具有跟踪快速性、跟踪频率准确、抗干扰能力强等优点。

4.2 锁相环的工作原理

工频电源的线电压经电压互感器降压后, 由V/F转换电路变成频率为的脉冲信号, 变频器输出的线电压经电压互感器降压后, 由V/F转换电路变成频率为的脉冲信号。以工频信号作为基准信号, 与变频器的反馈输出信号在CD4046的鉴频鉴相器中进行频率与相位比较, 产生正比于频率和相位差的信号电压, 此电压经低通滤波器放大后去控制变频器的输出, 以实现变频器输出相电压信号与工频电源的相电压信号同频率同相位。一旦负载出现波动使变频器输出电压信号发生变化, 反馈信号就随之变化, 它与给定工频信号产生频差, 此时相位比较器的输出信号发生变化, 经低通滤波器放大后去改变变频器输入给定值, 使变频器输出产生相应变化, 直至反馈信号的频率与给定信号的频率重新达到相等, 系统重新进入稳态。由于锁相系统达到稳态时, 其反馈信号频率被锁定到给定信号频率上, 即fo=fi, 频差为零, 相差保持在一个很小的范围内。此时输出允许同步切换信号, 变频电源和工频电源便可实现安全、平稳地切换。

系统工作时, 当水压低于给定值, 在模糊PID控制器作用下, 变频器输出频率达到控制器调节的上限值仍然不能满足要求时, 系统投入同步切换控制状态。此时, 变频器输出电压信号跟踪工频电源信号, 当两个电源频率相同且相位差稳定在一个较小的数值, 进入锁定状态时, 集成锁相环CD4046的端子1输出高电平, 系统允许同步切换控制信号送入PLC。若PLC检测到这个信号, 就发出切换控制指令, 实现变频电源与工频电源安全、平稳的切换。供水系统变频运行与工频运行同步切换控制主电路电气连接如图3所示。系统变频运行与工频运行同步切换控制的过程如图3。

当系统开始变频运行时, PLC控制继电器SSR2动作, 其内部常开触点SW闭合, 即主电气连接图中的SSR2闭合, 从而使接触器KM2的线圈得电, 其主触点闭合接通变频器与电机, 水泵电机M变频运行;当系统进入同步锁定状态满足切换条件时, PLC控制继电器SSR1动作, 其内部常开触点闭合, 即主电气连接图中的SSR1闭合, 从而使接触器KM1的线圈得电, 主触点闭合工频电源与水泵电机接通, 水泵电机M工频运行。同时, 为了保证系统安全运行, 通过接触器KM1和KM2的辅助触点实现系统变频与工频运行的电气连锁控制。

摘要：本文阐述了锁相环同步切换技术, 并基于锁相环技术完成了恒压供水同步控制的设计, 实现变频电源和工频电源的平稳切换, 最终实现供水系统的恒压控制。

关键词：锁相技术,锁相环,恒压供水,相位模型

参考文献

[1]王伟, 李祖才, 秦泅新.变频调速恒压供水系统.自动化技术与应用.2000, 19 (2) :26-27

[2]徐强.全自动变频恒压供水系统的设计.西北轻工业学院学报.2000, 6:102-106

一种软件锁相环的实现方法 第8篇

锁相环(PLL)是一种自动相位反馈控制电路,用于产生一个与外来输入信号相位锁定的内部信号,可以实现频率跟踪和滤波,以及调幅、调相和调频信号的解调等功能。因此在电视、雷达、通信、测量仪器和空间电子技术中得到了广泛的应用。锁相环可以分为模拟锁相环、数字锁相环和软件锁相环三种实现形式[1,2],软件锁相环以通用计算机为处理平台,利用软件编程完成信号锁相,是软件无线电技术的发展趋势。一些文献[3,4,5]以二阶二型锁相环为例,从模拟锁相环的S域模型出发,使用双线性变换法间隔导数逼近法、冲激响应不变法、双线性变换法和零极点匹配法等方法,分析了软件锁相环的Z域模型以及相关系统参数。本文结合实际工程需要,仅仅考虑软件编程要求,基于PLL基本原理,建立数字化可实现模型,讨论必要的系统参数选择方法。本方法结构简单,运算速度快,具有较好的捕获和跟踪性能,实现了PLL的基本功能,并且在智能化金属探测仪项目中得到了成功应用。

1 数字化模型的实现

软件PLL可以认为是一个时间离散的模拟PLL[1],实质上是模拟PLL的一种数字化的实现方式,因此如何处理数字化当中出现的问题是数学建模的关键。锁相环路的基本结构如图1所示[6,7],主要包含乘法器、环路滤波器和压控振荡器组成,其中鉴相器由乘法器和低通滤波器组成,为了分析方便,将低通滤波器划入环路滤波器讨论。

设采样频率为fs,帧处理数据长度为N。为了分析方便,令外部输入信号电压为

式中Vim、fi、φi分别为输入信号的幅度、频率和起始相位。

内部压控振荡器产生的输出信号为

式中Vom、fr、φ0k(n)分别为输出信号的幅度、频率和起始相位。φ0k(n)是一个数组,因此可以表征频率和相位的变化。上标k表示PLL第k次循环的计算结果,k的初始值为1,其中φ00(n)为初始化相位,可以全部设置为“0”或随机产生。

乘法器和环路滤波器共同组成一个可实现的正弦型鉴相器,即两信号相乘后,经环路滤波器的低通特性滤掉高频分量,得到一个与两个输入信号相位差的正弦成正比的输出信号。离散化模型可以表示为

hc(n)为环路滤波器的冲激响应,与PLL的同步带和捕捉带特性,以及干扰噪声滤除效果有密切相关的作用。有关滤波器类型选择的进一步讨论见文献[6]。这里仅就数字化实现方法说明两点:

(1)对数字序列信号来说,式(4)的卷积需要采用圆周卷积进行计算。两个长度为N和M的序列,若满足L≥N+M-1,则L点圆周卷积能代表线性卷积[8]。因此将前段信号的最后M-1个数据补充进来,数据长度变为N+M-1,然后进行圆周卷积,最后保留中间N位数据的主值序列作为环路滤波器输出。

压控振荡器是一个电压-频率转换装置,用于产生一个振荡频率随控制电压vc(t)线性变化的信号。因此考虑到固有振荡频率fr,瞬时角频率为

式(5)中vck(n)已经归一化,K0为压控振荡器增益。依据积分转化为离散求和的方法,压控振荡器输出相位模型有

其中受外部信号控制的瞬时相位部分为

利用,得到两点之间的相位递推关系

式中φ0k(0)为第k次循环后相位初始化值,依据积分原理应由k-1次压控振荡器的最后一位决定,即

上述数学模型的实现,需要特别注意PLL直流增益KDC参数的选择。从式(9)可以得到直流增益KDC=1/2VimVomK0Hc(0),环路的控制频差为KDC应大于固有最大频差Δωmax,因此有

由式(8)可知,相邻两点相位变化量的最大值为KDC/fs,而一帧数据相位变化量的最大值为NKDC/fs。由于鉴相器为正弦特性,为使压控振荡器工作在线性范围,避免出现振荡现象,故每帧调整的相位应控制在±π/2之内,即相位要求NKDC/fsπ/2,有

衡量环路性能优劣的标准为稳态频率误差和稳态相位误差。

2 实验及其相关说明

实验采用Matlab软件进行仿真,具体使用参数依据金属探测仪项目要求选择,实验表明上述模型对相位和频率误差均能有效地锁相,下面为两个基本实验示例。

示例1为相位阶跃频率相同信号的实验。输入信号:fi=15kHz,φi=90°;本振输出信号:fr=15kHz,相位随机产生;系统参数选择:总数据长度600,fs=300kHz,K0=20420。仿真结果如图2所示,从中可以看出软件PLL对相位和频率的跟踪状态良好,稳态相位和频率误差几乎为零。

图2相位阶跃频率相同信号的实验结果图(参见右栏)

示例2为频率阶跃相位相同信号的实验。输入信号::fi=15kHz,φi=90°;本振输出信号:fr=16kHz,相位随机产生;系统参数选择:总数据长度600,fs=300kHz,K0=20420。仿真结果如图3所示,从中可以看出,当频率跳变时,环路能达到锁定状态,鉴相器输出固定相位差0.13°,相对频率误差为0.0098%。软件PLL对频率阶跃信号依然具有较好地捕获与跟踪性能,频率跟踪准确。

图3频率阶跃相位相同信号的实验结果图(参见右栏)

图4为金属探测仪项目运行界面,图中波形红色和蓝色分别为发射和接收信号,两者具有锁定关系。程序依据上述模型,采用VC编制,达到了预期锁定结果,同时进一步验证了软件PLL具有较好的捕获和跟踪性能。

本文给出的PLL通过软件实现,摆脱了模拟PLL和数字PLL中复杂的硬件电路设计和器件的非线性对跟踪精度的影响,具有结构简单、参数设计灵活等优点。利用软件方式实现信号处理,使软件PLL比硬件PLL具有更好的灵活性和通用性。随着软件无线电的发展,尤其是虚拟无线电的发展,软件PLL的应用范围将会越来越广。

摘要：根据虚拟无线电技术的特点和发展趋势,从锁相环路基本原理出发,建立了一种适用于软件实现的数学模型,给出了在数字化实现过程中需要注意的一些问题,以及系统参数的选择方法和性能度量指标。通过MATLAB软件仿真,验证了该方法的有效性和可行性,并列举了在金属探测仪项目中的应用实例。

关键词：虚拟无线电,软件锁相环

参考文献

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