锁相环与MATLAB仿真.docx

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锁相环与MATLAB仿真

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

3.1锁相环的输入噪声…………………………………………………………24

3.2压控振荡器的噪声……………………………………………………………24

3.3相位噪声的抑制………………………………………………………………26

3.4本章小结……………………………………………………………………27

第四章二阶锁相环仿真及结果……………………………………………………28

4.1仿真介绍……………………………………………………………………28

4.2程序代码……………………………………………………………………28

4.3仿真结果……………………………………………………………………34

4.4本章小结……………………………………………………………………36

结论………………………………………………………………………………38

致谢…………………………………………………………………………………39

参考文献……………………………………………………………………………40毕业设计小结………………………………………………………………………41

摘要

锁相环电路是使一个特殊系统跟踪另外一个系统，更确切的说是一种输出信号在频率和相位上能够与输入参考信号同步的电路，它是模拟及数模混合电路中的一个基本的而且是非常重要的模块。

由于锁相环具有捕获、跟踪和窄带滤波的作用，因此被应用在通信、微处理器、以及卫星等许多领域。

锁相环是通信电路里时钟电路的一个重要模块。

本文详细介绍了锁相环设计中所涉及的各项指标计。

论文首先对锁相环的发展历史和研究现状做了介绍，然后从其基本工作原理出发，以传统锁相环的结构为基础，得到了锁相环的数学模型，对锁相环的跟踪性能、捕获性能、稳定性以及噪声性能等各种性能进行了分析，对锁相环的各项指标参数进行了详细推导，得出了锁相环数学分析的结论。

本文详细描述了锁相环的整体电路以及鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器等电路模块。

在分析和设计的同时，也采用MATLAB软件对电路进行了仿真。

由于MATLAB仿真软件适合多学科、多种工作平台且功能强大、界面友好、方便快捷、语言自然并且开放性强的大型优秀应用软件，已经也已成为国内外高等院校高等数学、数值分析、数字信号处理、自动控制理论以及工程应用等课程的基本教学工具。

使用Matlab对锁相环仿真的实现是方便快捷的。

仿真结果表明，锁相环电路达到了设计指标要求。

关键词：

锁相环，仿真，MATLAB

Abstract

Phase-lockedloopcircuitistomakeaspecialsystemtotrackanothersystem,moreprecisely,anoutputsignalinthefrequencyandphasereferencesignalcanbesynchronizedwiththeinputcircuit,whichistheanaloganddigital-analoghybridcircuitisveryimportantmodule.AsthePLLhasacquisition,trackingandnarrowbandfilteringrole,soitisusedincommunications,microprocessors,andsatelliteandmanyotherfields.PLLclockcircuitofthecommunicationcircuitisanimportantmodule.

ThispaperdescribesthedesignofPLLindicatorsofdollarsinvolved.FirstlythehistoryofthePLLandthecurrentresearchhavebeendescribed,andthenfromthebasicworkingprinciple,thestructureofthetraditionalPLLbasedonamathematicalmodelhasbeenphase-lockedloop,thetrackingperformanceofthePLLcapturetheperformance,stabilityandnoiseperformanceandotherperformanceanalysisoftheindicatorsonthePLLparametersdetailedderivation,mathematicalanalysisofthefindingsofaPLL.ThispaperdescribestheoverallPLLcircuitandfrequencydiscriminatorphasedetector,loopfilter,VCO,frequencydividercircuitmodule,etc..Intheanalysisanddesign,butalsobyMATLABsoftwarecircuitsimulation.AstheMATLABsimulationsoftwareformulti-disciplinary,multi-workingplatformandpowerful,friendlyinterface,convenient,naturalandopenandstronglanguageoflargeoutstandingapplications,hasalsobecomeadomesticandinternationalinstitutionsofhigherlearninghighermathematics,numericalanalysis,digitalsignalprocessing,automaticcontroltheoryandengineeringapplicationsofbasicteachingtoolforcourses.SimulationusingMatlabimplementationofthePLLisconvenient.Simulationresultsshowthatthephase-lockedloopcircuittothedesignrequirements.

Keywords：

PLL,Simulation,MATLAB

前言

锁相环（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。

它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。

最初，DeBellescize于1932年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环路的描述，但并未引起普遍关注。

直至1947年，锁相环路才第一次应用于电视接收机水平和垂直扫描的同步。

从此，锁相环路开始得到了应用。

由于技术上的复杂性以及较高的成本，应用锁相环路的领域主要集中于航天方面，包括轨道卫星的测速定规和深空探测等。

性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。

到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环逐渐变成了一个成本低、使用简单的多功能组件，这就为锁相技术在更广阔的领域应用提供了条件。

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。

在锁相环的开发、设计研究领域，目前已经探索出多种途径。

Lindsey和Chie讲述了到1981年他们在该领域出色完成的理论研究和实验工作。

不过，大量的研究都致力于通过不同的方式实现环路鉴相器的机械化，而对于环路滤波器的设计研究则较少。

典型的设计方法只是简单地实现了在模拟锁相环中应用广泛的离散式环路滤波器。

这种方法存在缺陷，因为在设计过程中没有考虑到在任何采样数据系统中都固有的计算延迟。

这些延迟会使环路带宽比根据连续时间方程计算出的结果更宽，指定带宽和动态下的稳态相位误差也会更大，进而降低整个环路的稳定性。

长久以来，锁相环一直是相位相干通信系统的基石。

模拟锁相环一直占据着统治地位。

随着微电子学领域的快速发展，具备巨大优势的数字化系统开始取代相应的模拟系统。

目前的趋势是用数字化方式设计和实现锁相环。

第一章绪论

1．1锁相环的发展及国内外研究现状

锁相环（PLL-PhaseLockedL00P）是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。

人们对锁相环的最早研究始于20世纪30年代，其在数学理论方面的原理，30年代无线电技术发展的初期就己出现。

1930年建立了同步控制理论的基础，1932年法国工程师贝尔赛什（Bellescize）发表了锁相环路的数学描述和同步检波论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述【1】。

锁相技术首先被用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。

到了1943年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的象，使荧光屏上的电视图像稳定清。

随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。

从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展。

五十年代，随着空间技术的发展，由杰费（Jaffe）和里希廷（Rechtin）研制成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论析文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题【2】。

空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展。

六十年代初，维特比（Viterbi）研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，发表了相干通信原理的论文。

最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。

集成电路技术出现后，直到1965年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后【3】，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。

最初的锁相环是纯模拟的（APLL），所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器（由电阻R电容C组成），压控振荡器的结构多种多样。

由于APLL在稳定工作时，各模块都可以认为是线性工作的，所以也称为线性锁相环LPLL（LinearPhase．hckedbop）。

APLL对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。

其主要用于对信号的调制。

70年代，林特赛（Undsy）和查理斯（Chanes）在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶PLL的非线性理论分析。

随着人们对锁相技术的理论和应用进行的深入广泛的研究，伴随着数字电路的发展，鉴相器部分开始由数字电路代替，其它部分仍为模拟电路，这种锁相环就是最初的数字锁相环（DPLL），准确的名称为数模混合锁相环（Mixed-singlePLL）。

随着数模混合锁相环技术和理的不断发展和完善，其成为了锁相环的主流。

现在随着通信行中对低成本、低功耗、大带宽、高数据传输速率的需求，集成电路不断朝着高集成度、低功耗的方向发展【4】。

低功耗、高工作频率、低电压的锁相环设计中，主要的挑战是设计合适的压控振荡器和高频率的分频器，针对这方面的研究，设计师们不断提出不同的技术，如压控振荡器和分频器由原来的串接改为堆叠结构、DH-PLL结构等，随着设计人员的不断努力，锁相坏的性能不断提高，现在已经有工作频率达50GHz的锁相环，同时也在通信和航空航天等领域中发挥着越来越重要的作要。

国外自第一个锁相环集成产品问世以来，几十年问发展极为迅速，产品种类繁多，工艺日新月异。

目前，除某些特殊用途的锁相环路外，几乎全部集成了，已生产出数百个品种。

现在，锁相技术己经成为一门系统的理论科学，它在通信、雷达、航天、精密测量、计算机、红外、激光、原子能、立体声、马达控制以及图像等技术部门获得了广泛的应用。

美国国家半导体（NationSemiConductor）于2003年6月宣布推出的LMx243x系列锁相环芯片，其操作频率高达3GHz以上，适用于无线局域网、5.8GHz室内无绳电话、移动电话及基站等应用方案。

低功耗、超低的相位噪声（正常化相位噪音可达到—219dBcmz）使其突显优势。

国内的浩凯微电子（上海）有限公司于2007年底研发出具有完全自主知识产权的高性能时钟锁相环IP系列产品，目前该系列产品已经过MPW硅验证。

该锁相环系列采用全新的结构，独特的电荷泵和差分VCO的设计，可以抑制电源和衬底噪声对VCO的影响以确保PLL有非常低的噪声，差分VCO的独特设计可以输出时钟维持50％占空比且与VCO同频，由于不需要倍频振荡，VCO本身的功耗可降为常规设计的四分之一，有效降低了功耗。

相比国外而言，我国国内的IC设计水平相对比较落后，模拟设计环节更是薄弱，PLL的技术几乎被国外垄断，国内很少有企业掌握高性能PLL核心技术，产品更是少。

CPPLL作为应用最广泛的一种锁相环，虽然它的理论己经比较成熟，但是它的设计与实现涉及到信号与系统、集成电子学、版图、半导体工艺和测试等方面，难度比较大。

1．2本文的主要内容组织

第一章对锁相环的发展和国内外研究现状进行了介绍，说明了本课题研究的

重要意义。

第二章介绍了锁相环的基本原理，介绍了锁相环的基本构成、数学模型、工作状态及、信号流程应用及信号流程。

第三章分析了了锁相环噪声的产生原因，并在数学模型上作了说明，并给出了设计建议。

第四章是二阶环仿真源程序代码及仿真结果。

第二章锁相环的基本理论

锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：

鉴相器（PhaseDetector：

PD）、低通滤波器（LowPassFilter：

LPF），亦即环路滤波器（L00PFilter：

LF），和压控振荡器（VoltageControlledOscillator：

VCO）。

这三个基本模块组成的锁相环为基本锁相环，亦即线形锁相环（LPLL），如图2．1所示。

图2.1锁相环原理图

当锁相环开始工作时，输入参考信号的频率

与压控振荡器的固有振荡频率

总是不相同的，即

，这一固有频率差

必然引起它们之间的相位差不断变化，并不断跨越

角。

由于鉴相器特性是以相位差

为周期的，因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。

这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率

趋向于参考信号的频率

，直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等，并满足一定条件，环路就在这个频率上稳定下来。

两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数，这时环路就进入“锁定”状态。

当环路已处于锁定状态时，如果输入参考信号的频率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。

而环路不处于锁定和跟踪状态，这个动态过程称为“失锁”过程。

从上述分析可知，鉴相器有两个主要功能：

一个是频率牵引，另一个是相位锁定。

实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块，但是这些附加的模块不会影响锁相环的基本工作原理，可以忽略。

2.1锁相环的工作原理

锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：

鉴相器【4】、低通滤波器，亦即环路滤波器，和压控振荡器。

在本节首先分析鉴相器、环路滤波器和压控振荡器.

2.1.1鉴相器

锁相环中的鉴相器（PD）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示：

图2.2模拟鉴相器电路

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：

（2.1）

（2.2）

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：

（2.3）

鉴相器的传输特性为：

图2.3鉴相器的传输特性

鉴相器有两个主要功能：

一个是频率牵引，另一个是相位锁定。

实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块，但是这些附的模块不会影响锁相环的基本工作原理，可以忽略。

鉴相器的电路种类很多，大致可以分为四种常用类型：

1.乘法鉴相器。

一般应用在模拟锁相环（LPLL）中，即线性锁相环，鉴相的范围是[+90°，-90°]；

2.异或门鉴相器。

较多应用于数字锁相环中，鉴相范围同为[+90°，-90°]中，要考虑鉴相器输入的两个信号是对称的还是非对称的，如是非对称还要考虑其对PLL增益及锁相宽度的影响；

3.JK触发器型鉴相器。

这种鉴相器由边沿触发，利用边沿间的间隔进行鉴相，相位误差为[+180°，-l80°]；

4.鉴频鉴相器（phase—frequencydetector）。

其优势就在于失锁时，它的角频率容易描述。

这种角频率的描述就可以实现鉴频的功能。

鉴相范围为[+360°，-360°]。

2.1.2低通滤波器

低通滤波器（LF）的将上式2.3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：

 （2.4）

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   

     （2.5）                                  则，瞬时相位差

为

（2.6）

对两边求微分，可得频差的关系式为：

  （2.7）

上式2.7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。

其数学模型为：

图2.4环路滤波器模型

环路滤波器的分类：

1.RC积分滤波器。

这是结构最简单的低通滤波器，它具有低通特性，且相位滞后。

当频率很高的时候，幅度趋于零，相位滞后接近于

；

2.无源比例积分滤波器；

3.有源比例积分滤波器。

它由运算放大器组成，高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。

2.1.3压控振荡器

压控振荡器（VCO）【6】的压控特性如图2.5所示：

2.5压控振荡器特性

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

线性地变化，变化的关系如下：

（2.8）

上式说明当

随时间而变时，压控振荡器（VCO）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。

2．2锁相环的工作状态

锁相环有四种工作状态，即锁定状态、失锁状态、捕获过程和跟踪过程【7】。

1.锁定状态：

整个环路己经达到输入信号相位的稳定状态。

它指输出信号相位等于输入信号相位或者是两者存在一个固定的相位差，但频率相等。

在锁定状态时，压控振荡器的电压控制信号接近平缓。

2.失锁状态：

环路的反馈信号与锁相环输入信号的频率之差不能为零的稳状态。

当环路的结构设计有问题，或者是输入信号超出了锁相环的应用范围的时候都会进入失锁状态。

这个状态意味着坏路没有正常工作。

3.捕获过程：

指环路由失锁状态进入锁定状态的过程。

这个状态表明环路已经开始进入正常工作，但是还没有达到锁定的稳态。

此过程应该是一个频率和相位误差不断减小的过程。

4.跟踪过程：

是指在PLL环路处于锁定状态时，若此时输入信号频率或相位因其它原因发生变化，环路能通过自动调节，来维持锁定状态的过程。

由于输入信号频率或者相位的变化引起的相位误差一般都不大，环路可视作线性系统。

PLL的这四种状态中，前两个状态称为静态，后两个状态称为动态【8】。

优秀的设计可以使PLL在上电后立刻进入捕获状态，从而快速锁定。

一般用四个参数指标来描述PLL的系统频带性能：

1.同步带：

它指的是环路能保持静态锁定状态的频率范围。

当环路锁定时，逐步增大输入频率，环路最终都能保持锁定的最大输入固有频差。

2.失锁带：

锁相环路稳定工作时的动态极限。

也就是说PLL在稳定工作状态时，输入信号的跳变要小于这个参数，PLL才能快速锁定。

若输入信号的跳变大于该参数而小于捕获带，则环路还是能锁定，但是需要较长的时间。

3.捕获带：

只要反馈信号和输入信号的频差在这一范围内，环路总会通过捕获而再次锁定，随着捕获过程的进行，反馈信号的频率向着输入信号频率方向靠近，经过一段时间后，环路进入快捕带过程，最终达到锁定。

4.快捕带：

在