基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计(3)

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静止频率 电压 频率

图2-7压控振荡器的压控特性

输入电压uc(t)随时间变化时，压控振荡器的振荡频率?u(t)也随之而变。当锁相环经过不断反馈会使uc(t)处于一个稳定状态。这样，振荡频率也会处于一个锁定状态，锁相环也就锁住了频率。

图2-8压控振荡器仿真测试电路

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图2-9 压控振荡器测试图形

模拟压控振荡器的输出幅度为3，静止频率为3HZ，灵敏度为2HZ/V。根据以上图形可知，模拟

压控振荡器输出信号的幅度为3。静止频率也就是物体自身的振荡频率为3HZ，也就是?0为3HZ。灵敏度也就是没当输入电压变化单位1时，输出频率变化2HZ，也就是图中参数K0。从压控振荡器在simulink中的测试波形可以看出压控振荡器输入电压相同时，输出电压频率相同。

2.2 模拟锁相环仿真

设计中有元器件模拟信号发生器、模拟相乘器、巴特沃斯滤波器、模拟压控振荡器以及示波器。示波器分别显示的波形是信号发生器的波形、锁相环波形、相乘后波形、巴特沃斯滤波后波形这四个波形。设计所涉及的元件较为简单，在实际的时钟电路中，模拟锁相环涉及原器件较多例如分频器和其他原器件，而本设计中简化设计同样能达到锁频的目的。

图2-10模拟锁相环仿真

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图2-11模拟锁相环仿真图形

图中四个图形分别是：原信号、目的信号、滤波后信号和相乘后信号。 信号源参数：振幅：1，频率：1HZ，采样时间：1/100

鉴相器参数：输入信号数：2，采样时间：-1（表示和前一原器件采样时间相同） 巴特沃斯滤波器参数：滤波阶数：20，带通边缘频率：2HZ 连续压控振荡器参数：幅度：1，静止频率：1HZ，灵敏度：3?2HZ/V

仿真的结果是原信号和目的信号的频率基本无差异。虽然相位有细微差别，但是想要的频率同步已经达到。

2.3 本章小结

模拟锁相环是由模拟鉴相器、模拟滤波器以及模拟压控振荡器三个主要原器件构成的反馈线路。（1）模拟鉴相器本设计采用模拟相乘器达到鉴相的目的，是将相位差变成电压的元器件。（2）模拟滤波器采用变化曲线较为平滑的巴特沃斯滤波器进行低频滤波。滤波器滤除电路中不需要的高频信号，保证相位差电压的不失真。（3）模拟压控振荡器是一种输出信号频率与输入控制信号电压有对应关系的振荡原器件。将相位差电压变成与相位差电压所对应频率的信号一种元器件。

原信号和反馈信号经过模拟鉴相器鉴别相位差别，然后经过模拟滤波器进行低频滤波，滤除噪音信号，最后经过模拟压控振荡器，根据不同的电压产生不同频率的锁相环信号，从而改变原锁相环信号的频率。经过不断的反馈调节，不断将原信号和锁相环信号进行对比将整个环形电路的信号频率调整在一个和原信号频率相同的状态，从而达到锁频目的。

3 数字锁相环Matlab仿真

3.1 数字锁相环方案

数字锁相环主要由数字鉴相器、数字环路滤波器和数字压控振荡器三部分原器件组成。相对于数字锁相环，数字锁相环环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相

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环(简称PLL)。频率源信号和反馈信号从数字鉴相器的输入端进入，在鉴相器中进行比较并产生输出电压，即相乘信号。如果频率源信号和反馈信号相位相同则相乘信号电压为0，否则相乘信号为一实数。相乘后信号经过环路滤波器滤除电路中的高频分量，然后到达数字压控振荡器并经压控振荡器产生一个输出信号，再将输出的反馈信号和输入信号进行比较。这样电路就形成一个循环，直至频率源信号和输出信号相位相同，整个电路的相位处于一个相对的锁定状态

频率源[11]

。

输出信号数字鉴相器数字鉴相器相乘信号数字滤波器数字滤波器滤波信号数字压控振荡器数字压控振荡器反馈信号图3-1数字锁相环模型

3.1.1 数字鉴相器

数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与反馈信号相位的元器件，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的函数。它是锁相环路中的关键部件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器型数字鉴相器和奈奎斯特鉴相器等不同种类的鉴相器。本设计中采用相乘电路实现。

[9]

图3-2数字相乘器仿真图形

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图3-3 数字相乘器仿真 图3-4 数字相乘器仿真数据图像 设计1设置（数值见下表2-1） 信号源1：幅度：1，频率：1HZ，采样时间：1/5 信号源2：幅度：1，频率：4HZ，采样时间：1/5 表3-1 信号源1数值 0 1 0.5 -0.5 -1 设计2设置（数值见下表2-2） ： 信号源2 数值 0 -1 -0.5 0.5 1 相乘后数值 0 -1 -0.5 -0.5 -1 信号源1：幅度：1，频率：1HZ，采样时间：1/5 信号源2：幅度：1，频率：3HZ，采样时间：1/5 表3-2 信号源1数值 0 1 0.5 -0.5 -1 信号源2 数值 0 -0.5 1 -1 0.5 相乘后数值 0 -0.5 0.5 0.5 -0.5 得到信号源1和信号源2相乘后所得到的结果。数字相乘器和模拟相乘器一样，经过反馈和低频滤波后可以得到跟时间有关的相位差电压。 3.1.2 数字滤波器 数字低通滤波器和模拟滤波器的作用几乎一样，都是滤除高频噪音信号，降低振荡器输出频率的抖动。本设计采用巴特沃斯数字低通滤波器，来滤除噪音信号。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线比较平坦,。其他滤波器采用高阶滤波时，振幅对角频率的数量和低振幅角频率有不同的形状。

巴特沃斯滤波器和其他滤波器特性

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