毕业设计论文锁相环电路仿真模型的研究论文Word文档下载推荐.docx
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MATLAB仿真
Researchofphase-lockedloopcircuitsimulationmodel
Abstract
Thephase-lockedloop(i.e.PLL)isonekindoffeedbackcontrolsystem,isalsotheclosedlooptrackingsystem,itsoutputsignalfrequencytrackinputsignalfrequency.Whatthistopicmainresearchistherelatedphase-lockedloopcircuitsimulationmodelresearchtechnique,discussedthephase-lockedloopeachaspectandthephase-lockedloopthecompositionandtheprincipleofworkindepth,BystudyingthesimulationmodelandanalysisofthecharacteristicsofthePLL,
Ifurtherunderstandthattheprincipleofphase-lockedloopandtheapplicationinpracticalwork.Forphase-lockedloopsimulation'
srealization,useMATLABtorealizeistheconveniencequickly.AnalyzedvariousperformanceindicatorssuchastimingbeltandcapturingbeltofthePLLcircuit,comparingtheperformanceoftwophase-lockedloopcircuitandproposedtheimprovementofphase-lockedloopcircuit,andsimulationtotheImprovedloopcircuit.
Keywords:
PLL;
phase;
filters;
oscillators;
MATLABsimulation
1引言
锁相环路诞生于20世纪30年代,40年代普遍应用于电视机的同步电路之中;
到了50年代,由于开始用于空间技术,大大促进了人们对锁相环路及其理论的研究,推动了锁相技术的发展。
自60年代以来,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、模拟和数字通信中的调制和解调、频率的合成、噪声过滤等功能,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。
按电路形式可分为模拟和数字两种电路[1][2]。
以下分别对它们各自的工作原理、应用现状作详细介绍,并对每一类锁相环电路的仿真都举例说明,对仿真结果进行分析。
2模拟锁相环的组成和工作原理
2.1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与输出信号(就是反馈信号)的相位差,并将检测出的相位差信号转换成(称为误差电压)信号输出,该信号经低通滤波
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。
图1锁相环组成的原理框图
环路滤波器一般为低通滤波器,用于滤除鉴相器输出电压中的高频分量和干扰信号,从而获得压控振荡器的输入控制电压。
压控振荡器是电压—频率转换电路,其振荡频率决定于也就决定于。
设振荡角频率为,瞬时相位为,则
(2-1)
即(2-2)
设输出信号的角频率为,输入信号的角频率为,则和的角频率差为(2-3)
根据式(2-2)瞬时相位差为
(2-4)
若=,则(2-5)式(2-5)表明,当输出信号和输入信号频率相等时,它们的瞬时相位差为一常量,而且,若瞬时相位差为一常量,则输入信号和输出信号频率相等。
因此,锁相环能够在一定范围内,使输出信号和输入信号保持固定的相位差(并由此而得名),从而达到输出信号频率跟踪输入信号频率的目的。
2.2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,它可以将输入信号和压控振荡器的输出信号之间的相位差转换成误差电压,并使它们成比例关系。
利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2所示[8]。
图2鉴相器电路
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:
(2-6)
(2-7)
式中的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为:
(2-8)
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。
即为:
(2-9)
式中的为输入信号的瞬时振荡角频率,和分别为输入信号和出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:
(2-10)
即
(2-11)
则,瞬时相位差为
(2-12)对两边求微分,可得频差的关系式为
(2-13)上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,为恒定值。
当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图3所示。
图3压控振荡器的振荡特性
该特性说明压控振荡器的振荡频率以为中心,随输入信号电压的变化而变化。
该特性的表达式为
(2-14)
上式说明当随时间而变时,压控振荡器的振荡频率也随时间而变,锁相环进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持=的状态不变。
2.3锁相环的应用
2.3.1锁相环在调制和解调中的应用
为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号来控制载波信号的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。
载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;
调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;
调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化[7]。
调幅波和调频波的示意图如图4所示。
图4左边为调幅波信号组、右边为调频波信号组
上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;
图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程,它可将调制波还原成原信号。
2.3.2锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。
由(2-14)式可知,压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持不变。
若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号外,还有调制信号,则压控振荡器输出信号的频率就是以为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。
由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图5所示。
图5调频电路组成框图
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图6所示。
图6解调电路组成框图
2.3.3锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中[9],为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器。
但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;
输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。
锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图7所示。
图7锁相倍频、分频电路组成框图
图中的N大于1时,为分频电路;
当0<
N<
1时,为倍频电路。
2.3.4振荡器的稳定与提纯
石英晶体振荡器如果工作于很低的功率电平,则晶体的老化比较慢,因而长期稳定度好。
但是,工作在中等功率电平时,高频振荡功率比电路中的噪声功率要大得多,因而短期稳定度好。
因此,如果将这二者结合起来,就能获得最好的结果:
一个振荡器工作在非常低的电平下,它具有较好的长期稳定度;
另一个振荡器工作于较高的电平下,短期稳定度好。
将后一振荡器锁定在前一个振荡器上,就可以获得长期与短期稳定度都很好的振荡源。
在保持可靠锁定的条件下,环路带宽应尽量窄,输出可取自被锁定的振荡器。
采用锁相环路稳频后所获得的好处是:
1)几乎完全抑制了第一个振荡器的幅度起伏;
2)相位噪声通过一个通带很窄的滤波器,绝大部分被滤除,因而输出频谱变纯。
这一方法可用于频率标准源。
锁相环路的另一应用是稳定微波振荡器的频率,因为微波振荡源的频率稳定度一般是较差的。
为了克服这一缺点,可以将它们锁定到在较低频率上工作的稳定振荡器的谐波上。
随着环路结构设计的不断改进,所需的谐波功率可以很小(小于1W),却仍能得到良好的锁定。
2.3.5调幅信号的解调
如果锁相环路的输入电压是调幅波,只有幅度变化而无相位变化,则由于锁相环路只能跟踪输入信号的相位变化,所以环路输出端得不到原调制信号,而只能得到等幅波。
用锁相环路对调幅波进行解调,实际上是利用锁相环路供给一个
稳定度高的载波信号电压,与调幅波在非线性器件中进行乘积检波,输出即可获得原调制信号。
2.3.6倍频器与分频器
若将一个振荡器通过锁相环路锁定在它的谐波或分谐波上,就可以组成倍频器或分频器。
图8与图9分别为脉冲锁相倍频器与脉冲锁相分频器的方框图。
这两个图的工作原理看方框图即可明了,不再赘述。
图8脉冲锁相倍频器
图9脉冲锁相分频器
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