基于MATLAB的数字锁相环的仿真设计(4)

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图3-5滤波器的频率响应图

上图是巴特沃斯滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）的频率响应图[12]。

图3-6多频率噪声提取

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图3-7多频率噪声提取图像

低通滤波器从噪声干扰的多频率混合信号中获取1HZ的信号信号源1：幅度：1，频率：1HZ，抽样频率：1/1000 信号源2：幅度：10，频率：100HZ，抽样频率：1/1000 信号源3：幅度：5，频率：300HZ，抽样频率：1/1000

[10]

数字滤波器设置：滤波阶层：10，截止频率fc：2HZ，抽样频率fs：1000HZ

将不同频率的信号进行叠加，再通过低通滤波器，对噪声进行提取。可以，明显看出滤波效果。

3.1.3 数字压控振荡器

数字压控振荡器，又称为数字钟。和模拟压控振荡器的特性几乎相同，即对不同的输入电信号会产生不同频率的输出信号。前一采样时刻得到的校正信号将改变下一个采样时刻的脉冲时间位置（电压——频率变化装置）[13]。

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图3-8数字压控振荡器simulink仿真图形

图3-9 数字压控振荡器simulink图形

信号源参数：幅度1，频率1HZ，抽样频率：1/5

数字压控振荡器参数：幅度：1，静止频率：5HZ，灵敏度：15，抽样频率：0.01 仿真时间：2.0s；

在仿真时间的2.0秒内，信号源在1秒变化5次电压。同时这不同的5次电压对应输出信号的5个不同频率的信号。而且第2秒和第1秒相同电压的输出信号的频率相同。数字压控振荡器的电压—频率变化可以较明显的看出。

3.2 数字锁相环仿真

设计中有数字信号发生器、数字相乘器、数字巴特沃斯滤波器、数字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、巴特沃斯滤波后、波形相乘后波形。

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图3-10 数字锁相环仿真设计

图3-11数字锁相环simulink10s内仿真图形

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：1/5

鉴相器参数：输入信号数：2,采样时间：-1（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：3,带通边缘频率fc：2HZ,阻带频率fs：2000HZ 数字压控振荡器参数：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，但是所要的频率同步已经达到。

3.3 本章小结

数字锁相环基本上是由数字鉴相器、数字滤波器和数字压控振荡器组成的负反馈系统。数字鉴相器可以根据两个输入信号是否有相位差信号产生相位差电压信号的原器件。数字滤波器和模拟滤波器的功能较为相似，都是滤除高频信号，得到想要的低频信号的原器件。数字压控振荡器是一种电压频率转换装置，根据输入信号电压的大小产生不同频率的信号的原器件。

数字锁相环原信号经过数字相乘器产生相位差电压，再经过滤波器滤除噪音信号，经过压控振荡器进行频率变换，最后再进行反馈调节使频率得以不断反馈从而实现锁频。经过仿真对比可以发现经过数字仿真锁相环后的数字波形和原信号的波形几乎一模一样。数字锁相环更加精确无误得得到了频率无差，实现了锁频的目的

[14]

。

4 总结与展望

锁相环有四种工作状态：

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1、锁定状态:输入信号和反馈信号达到相同频率或者频率的整数倍状态。这时候，整个反馈系统处于平衡状态。每个原器件的输入信号和输出信号都是稳定几乎无变换的。

2、失锁状态:反馈信号和输入信号经过鉴相器后的相位差电压不为0.而且输入信号和反馈信号无固定关系，整个系统处于不稳定状态。

3、捕获过程:由失锁状态到锁定状态之间的一个过程状态。表示系统在趋于稳定，但是还没有达到稳定状态，只是一个不断降低频率误差的过程。

4、跟踪过程:整个系统进入锁定状态，但是输入信号在不断变化，所以整个反馈系统在不断调节

15]

。

模拟锁相环和数字锁相环的组成方面并没有太大区别。模拟锁相环是模拟电路，由模拟元器件组成并对模拟信号在模拟电路中进行锁频。数字锁相环和模拟锁相环区别于信号源和元器件组成和原器件参数的设置。模拟器件是对所有输入的信号进行处理，但是在数字原器件这里是将输入的信号进行抽样再进行处理。在数字原器件这里抽样的频率是对数据影响较大的一个参数。在实际电路中模拟电路和数字电路可以通过数模转换和模数转换进行不断变换。但是无论是模数转换或者数模转换实际上是有损耗的过程，在变化的过程中会产生数据丢失或者出现虚假数据。

最近几年电子技术得到了不断的发展，尤其是数字化的发展更是飞速。数字锁相环因为其在数字信号的应用以及与模拟锁相环相比不含无源器件、面积小、具有较强的抗噪声能力、锁定时间短等优点替代了模拟锁相环。数字锁相环因为集成电路的应用和发展，在电子设备充斥的今天得到较广泛的应用。而且，数字原器件之所以能够在很多应用中替代模拟原器件是因为数字原器件的平稳、容易加密和解码等方面。数字锁相环和数字电路意义可靠性能比较高解决了模拟原器件中零点漂移受环境温度变化较大等特点。数字锁相环的优点是简单有效,可采用没有压控的晶振,降低成本,提高整个电路系统的稳定性。现在的数字原器件基本上都是体积小、作用全，而且很多的功能可以使用集成线路板并载入程序进行实现。全数字锁相环路已在航天领域、军工产业、无线电接收领域、移动设备等各个领域得到了极为广泛的应用。全数字锁相环精度比较高、不容易受温度和电压影响、环路带宽和中心编程频率可调、易于构建高阶锁相环等优点。随着集成数字电路技术和无线电的发展和广泛应用，不仅能够制成频率较高的锁相环路，而且可以把整个系统集成到一个芯片上去。工厂化大生产，集成电路较为普及的今天，数字锁相环的应用较为广泛

[16]

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参考文献

[1] 王公望．模拟电子技术基础[M]．西安：西北工业大学出版社，2005：132-248 [2] 樊昌信，曹丽娜．通信原理[M]．第六版．北京：国防工业出版社，2006：86-164 [3] 何小艇．电子系统设计[M]．第一版．浙江：浙江大学出版社，2005：157-168

[4] 孙屹，李妍．MATLAB通信仿真开发手册[M]．北京：国防工业出版社，2005：327-350 [5] 胡斌，吉玲，胡松．电子工程师必备—九大系统电路识图宝典[M]．北京：人民邮电出版社，2012：

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