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文檔簡介

1、基于Matlab的數字鎖相環的仿真設計摘 要:鎖相環是一個能夠跟蹤輸入信號相位變化的閉環自動跟蹤系統。它廣泛應用于無線電的各個領域,并且,現在已成為通信、雷達、導航、電子儀器等設備中不可缺少的一部分。然而由于鎖相環設計的復雜性,用SPICE對鎖相環進行仿真,數據量大,仿真時間長,而且需進行多次仿真以提取設計參數,設計周期長。本文借助于Matlab中Simulink仿真軟件的靈活性、直觀性,在Simulink中利用仿真模塊搭建了全數字鎖相環的仿真模型。先借助模擬鎖相環直觀形象、易于理解的特點,通過鎖相環在頻率合成方面的應用,先對模擬鎖相環進行了仿真,對鎖相環的工作原理進行了形象的說明。在模擬鎖相

2、環的基礎上,重新利用仿真模塊搭建了全數字鎖相環的仿真模型,通過仿真達到了設計的目的,驗證了此全數字鎖相環完全能達到模擬鎖相環的各項功能要求。關鍵詞:鎖相環,壓控振蕩器,鎖定,Simulink,頻率合成,仿真模塊1引言1932年法國的H.de Bellescize提出同步撿波的理論,首次公開發表了對鎖相環路的描述。到1947年,鎖相環路第一次應用于電視接收機的水平和垂直掃描的同步。到70年代,隨著集成電路技術的發展,逐漸出現集成的環路部件、通用單片集成鎖相環路以及多種專用集成鎖相環路,鎖相環路逐漸變成了一個成本低、使用簡便的多功能組件,為鎖相技術在更廣泛的領域應用提供了條件。鎖相環獨特的優良性能

3、使其得到了廣泛的應用,其被普遍應用于調制解調、頻率合成、電視機彩色副載波提取、FM立體聲解碼等。 隨著數字技術的發展,相應出現了各種數字鎖相環,它們在數字信號傳輸的載波同步、位同步、相干解調等方面發揮了重要的作用。而Matlab強大的數據處理和圖形顯示功能以及簡單易學的語言形式使Matlab在工程領域得到了非常廣泛的應用,特別是在系統建模與仿真方面,Matlab已成為應用最廣泛的動態系統仿真軟件。利用MATLAB建模可以快速地對鎖相環進行仿真進而縮短開發時間。1.1選題背景與意義Matlab是英文MATrix LABoratory(矩陣實驗室)的縮寫。1980年,時任美國新墨西哥大學計算機系主

4、任的Cleve Moler教授在給學生講授線性代數課程時,為使學生從繁重的數值計算中解放出來,用FORTRAN語言為學生編寫了方便使用Linpack和Eispack的接口程序并命名為MATLAB,這便是MATLAB的雛形。經過幾年的校際流傳,在John Little的推動下,由John Little 、Cleve Moler和Steve Bangert合作,于1984年成立了MathWorks公司,并正式推出MATLAB第一版。以后,MATLAB版本不斷更新,內容不斷擴充,功能也越來越強大,并以其強大的擴展功能為其在各個領域的應用提供了基礎。如今各個領域的專家學者相繼推出了Matlab工具箱,

5、其中主要有信號處理(signal processing)、控制系統(control system)、神經網絡(neural network)、圖形處理(image processing)、魯棒控制(robust control)、非線性系統控制設計(nonlinear control system disign)、系統辨識(sys identification)、最優化(optimisation)、分析與綜合( analysis and synthesis)、模糊邏輯(fuzzy logic)、小波(wavelet)、樣條(spline)等工具箱、而且工具箱還在不斷增加。這些工具箱給各個領域的

6、研究和工程應用提供了有力的工具、借助于這些“巨人肩上的工具”,各個層次的研究人員可直觀、方便地進行分析、計算及設計工作。Simulink是Matlab的重要組成部分,它是MathWorks公司于20世紀90年代開發的產品,是Matlab環境下對動態系統進行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統,也支持具有多種采樣頻率的系統,Simulink包含有Sinks(輸入方式)、Source(輸入源)、Linear(線性環節)、Nonlinear(非線性環節)、Connections(連接與接口)和Extra(其他環節)子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊

7、,且用戶可以定制和創建用戶自己的模塊。在該軟件環境下,用戶可以在屏幕上調用現成的模塊,并將它們適當連接起來以構成系統的模型,即所謂的可視化建模。建模以后,以該模型為對象運行simulink中的仿真程序,可以對模型進行仿真,并可以隨時觀察仿真結果和干預仿真過程。Simulink由于功能強大、使用簡單方便,已成為應用最為廣泛的動態系統仿真軟件。鎖相環是繼IC之后出現的新技術,其歷史很悠久。鎖相環的方案是與負反饋放大器同時提出的。在鎖相環出現以前,幾乎所有的無線接收機中都采用超外差方式。超外差接收方式是由E.H.Armstrong于1918年發明的,接收機接收來的電波信號與接收機內部振蕩器產生的信號

8、進行混頻,從而得到較低頻率的信號,即中頻信號。再對中頻信號進行檢波與放大,然后驅動揚聲器發聲。這就構成了高靈敏度而頻率選擇性優良的接收機。然而,由于超外差接收機是由本振、混頻、中頻、放大器、檢波器等組成的,其構成很復雜,而且,本振需要使用頻率漂移非常小的振蕩器。1932年,法國的H.de Bellescize提出采用PLL電路作為新的無線接收方式替代超外差方式,并發表了相關論文。當時不使用PLL術語,而稱為Synchrodyne(同步接收機)。它是使內部振蕩器與接收的電波信號同步振蕩,為此,原理上內部振蕩器不會產生頻率漂移,電路構成也比較簡單。20世紀50年代,電視機實用化,電視機的垂直與水平

9、同步電路廣泛采用PLL電路。然而,當時還沒有稱之為PLL電路,而是根據其功能稱為AF(Automatic Frequency Control,自動頻率控制)。但是,由于技術上的復雜性以及較高的成本,鎖相環的應用并沒有得到普及,應用鎖相電路的領域主要在航天方面,包括軌道衛星的測速定軌和深空探測,性能要求較高的精密測量儀器和通信設備有時也用到它。到70年代,隨著集成電路技術的發展,逐漸出現集成的環路部件、通用單片集成鎖相環路以及多種專用集成鎖相環路,鎖相環路逐漸變成了一個成本低、使用簡便的多功能組件,這為鎖相技術在更廣泛的領域應用提供了條件。鎖相環獨特的優良性能使其得到了廣泛的應用,其被普遍應用于

10、調制解調、頻率合成、電視機彩色副載波提取、FM立體聲解碼等。隨著數字技術的發展,相應出現了各種數字鎖相環,它們在數字信號傳輸的載波同步、位同步、相干解調等方面發揮了重要的作用。近幾年數字電路技術迅猛發展,尤其是大規模集成電路及微處理機的廣泛應用,使得通信與控制方面一些復雜的、靈敏的信號處理方法能在數字域付諸實施。鎖相環是相干數字通信系統中的關鍵部件,為了與數字系統兼容,吸收數字電路固有的可靠性、體積小、價格低等優點,人們在發展模擬鎖相環的同時,亦致力于發展數字鎖相環。數字鎖相環除具有數字電路的優點外,還解決了若干模擬環遇到的難題,如直流零點漂移、部件飽和、必須進行初始校準等。這些都表明,數字鎖

11、相環的發展是必然的。因而對數字鎖相環的研究具有非常現實的意義。第一章鎖相環的原理(模擬鎖相環)2 方案介紹鎖相環是一個相位負反饋控制系統,它主要由三部分組成,分別是鑒相鑒頻器(PFD)、環路濾波器(LF)和電壓控制器(VCO)。其中鑒相鑒頻器的作用是完成相位的比較,用來比較輸入信號和基準信號之間的相位。它的輸出電壓正比于兩個輸入信號之間的相位差;環路濾波器(LF)是個線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成,有時也包含運算放大器。壓控振蕩器(VCO),振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器,而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關系。在PLL中,壓控振蕩

12、器實際上是把控制電壓轉換為相位。在此仿真模型中,我們基于頻率合成的原理,在Simulink中用模塊搭建了鎖相環的仿真模型。如下圖1所示:圖鎖相環的仿真模型其電路結構主要包括鑒相鑒頻器(PFD)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器四部份。環路中使用了模擬的巴特沃斯低通濾波器和模擬的壓控振蕩器,在壓控振蕩器的輸出端采用一個轉換器把模擬信號轉換成方波信號。其中脈沖發生器Pulse Generator產生幅值為1,占空比為50%,相位延遲為0,參考頻率為=30MHz的方波信號。經過M3的分頻器,變成10MHz的信號,送到鑒相器的參考信號輸入端。在鑒相鑒頻器中與壓控振蕩器經過N=10的分

13、頻器分頻后的反饋信號比較相位誤差,誤差信號經過低通濾波器濾除其中的高頻分量后送入壓控振蕩器,壓控振蕩器在誤差信號的的控制下輸出振蕩信號。3 模型的建立在鎖相環路中,鑒相器起著關鍵的作用,它檢測出參考信號與反饋信號之間的誤差信號,是一個具有抽樣性質的電路。當PFD檢測到參考信號和反饋信號均有一次下降沿時,PFD輸出一次相位誤差。隨后的相位誤差被送入低通濾波器,低通濾波器濾除其中的高頻信號,計算出控制信號送入壓控振蕩器,壓控振蕩器根據控制信號輸出合成信號。合成信號經過分頻器分頻后,反饋到PFD,與參考信號比較相位誤差。可以看出,鎖相環這個閉環系統狀態的變化依賴于PFD輸出的相位誤差。相位誤差輸出一

14、次,鎖相環狀態改變一次;PFD不輸出相位誤差,鎖相環里的所有信號均不改變狀態。根據上面的分析,可以將仿真過程分為兩個過程:1)計算PFD輸出的相位誤差;2)根據相位誤差,計算鎖相環里各個模塊的狀態。下面根據算法順序,依次介紹各個模塊模型的建立。3.1鑒相臨頻器(PFD)鎖相環中的鑒相器又稱相位檢波器或相敏檢波器,它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差,并將檢測出的相位差信號轉換成電壓信號輸出,該信號經低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓,對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。對輸入信號與環路輸出信號的相位進行比較, 產生誤差控制電壓,鑒相電路通常可以分為模擬電路型和數字電路型兩大類。而在集成電

15、路系統中,常用的電路有乘積型鑒相和門電路鑒相。鑒相器除了用于解調調相波外,還可構成鑒頻電路。特別是在鎖相環路中作為主要部分得到了廣泛的應用。在此模擬鎖相環的模型中,鑒相器用一個XOR異或門來實現,因為兩路二進制方波異或的結果,只有完全相同才有0輸出,絲毫的差異就有非0的輸出,差別愈大,輸出的1的個數愈多。異或門的真值表如下圖3所示A B 輸出0 00 11 01 10110圖4(0低電平;高電平)在MATLAB中我們搭建了鑒相器的仿真模型,如圖4所示圖4鑒相器的仿真模型脈沖發生器A產生頻率為=1Hz,脈沖寬度為50%,相位延遲為0的方波信號;脈沖發生器B產生頻率為=2Hz,脈沖寬度為50%,相

16、位延遲為0的方波信號;經過異或門之后到達示波器。其仿真結果如下圖5所示:圖5鑒相器的仿真波形由仿真結果可見只有在兩列方波完全相同的情況下才有0輸出,只要一有差異,鑒相器就會有高電平1輸出。符合鑒相器特性要求。3.2環路低通濾波器(LPF)在鎖相環路中,環路濾波器的設計是決定鎖相環路特性的重要問題。參考信號和壓控振蕩器的反饋信號經過鑒相器的檢測輸出相位誤差,相位差經過低通濾波器濾除其中的高頻分量和參雜在信號中的噪音,為壓控振蕩器提供控制信號。若環路濾波器的濾波效果不理想,則使鎖相環路產生自激振蕩,由于噪音的干擾,鎖相環路將無法進行鎖定或者鎖定時間變長。對環路濾波器的要求是,在鑒相器的輸出端衰減高

17、頻誤差分量,以提高抗干擾性能;在環路跳出鎖定狀態時,提高環路以短期存儲,并迅速恢復信號。此模型中采用一階巴特沃斯低通濾波器。巴特沃斯濾波器的Matlab實現,采樣率為8MHz,通帶截止頻率,阻帶截止頻率為,通帶內波動,即通帶內所允許的最大衰減;阻帶內最小衰減,程序如下:f_N=8000;%采樣率f_p=2100;f_s=2500;R_p=3;R_s=25; %設計要求指標Ws=f_s/(f_N/2);Wp=f_p/(f_N/2);%計算歸一化角頻率n,Wn=buttord(Wp,Ws,R_p,R_s); %計算階數和截止頻率b,a=butter(n,Wn); %計算H(z)freqz(b,a,

18、1000,8000)%作出H(z)的幅頻相頻圖subplot(2,1,1);axis(0 4000 -30 3) %作圖程序運行后所設計的出的巴特沃斯低通濾波器的頻率響應如圖6所示圖6巴特沃斯低通濾波器的頻率響應3.3壓控振蕩器(VCO)壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator)是一個電壓頻率變換裝置,在環路中作為被控振蕩器,它的振蕩頻率隨輸入控制電壓線性地變化,即應有變換關系:式中是壓控振蕩器的瞬時角頻率;為控制靈敏度或稱增益系數,單位是rad/s.V。實際應用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍,超出這個范圍之后控制靈敏度將會下降。由于壓控振蕩器的輸

19、出反饋到鑒相器上,對鑒相器輸出誤差電壓Ud(t)起作用的不是其頻率,而是其相位,故壓控振蕩器具有一個積分因子/p,這是相位與角頻率之間的積分關系形成的。鎖相環路中要求壓控振蕩器輸出的是相位,因此,這個積分作用是壓控振蕩器所固有的。正因為這樣,通常稱壓控振蕩器是鎖相環路中的固有積分環節。這個積分作用在環路中起著相當重要的作用。所以壓控振蕩器應是一個具有線性控制特性的調頻振蕩器,對它的基本要求是:頻率穩定度好(包括長期穩定度與短期穩定度;控制靈敏度Ko要高;控制特性的線性度要好;線性區域要寬等等。在Matlab中壓控振蕩器即表示為對連續信號的積分,它的輸出信號的頻率隨著輸入信號幅度的變化而發生相應

20、的變化,其的工作原理通過下面的公式來描述:其中,表示輸入信號,表示輸出信號。由于輸出信號的頻率取決于輸入信號電壓的大小,因此稱為“壓控振蕩器”。其它影響壓控振蕩器輸出信號的參數還有信號幅度、中心振蕩頻率、輸入信號靈敏度、以及初始相位。對上述公式進行變換,取輸出信號的相角對輸出信號的相角求微分,得到輸出信號的角頻率和分別為: 從的表達式中可以清楚地看到,壓控振蕩器輸出信號的頻率與輸入信號幅度正比。當輸入信號等于0時,輸出信號的頻率等于;當輸入信號大于0時,輸出信號的頻率高于;當輸入信號小于0時,輸出信號的頻率低于。這樣,通過改變輸入信號的幅度大小就可以準確地控制輸出信號的頻率。3.4輸出轉換器由

21、于我們在此環路中使用了模擬器件,分別是一階巴特沃斯低通濾波器和壓控振蕩器,所以在環路的輸出端采用一個轉換器,把壓控振蕩器的輸出轉換成數字式的方波信號其模型如下圖7所示:圖7 輸出轉換器的模型3.5分頻器大部分的鎖相環路都會在壓控振蕩器和鑒相鑒頻器之間的反饋回路上包含有分頻器,以便構成頻率合成器。一個可編程的分頻器在無線電傳輸應用中顯得特別有用,因為在傳輸過程中使用的大量頻率可以從一個單一的穩定的,精確的,而且較便宜的晶振得到。一些鎖相環路在參考時鐘和鑒相器的輸入回路之間含有分頻器。如果分頻器的分頻系數為M,則壓控振蕩器的輸出頻率就等于參考頻率乘以N/M,為了使輸入到鎖相環路的信號的頻率較低而在

22、環路中使用分頻器這看起來顯得比較簡單,但是在某些場合當參考頻率受到其它因素限制的時候,分頻器就顯得優為重要。頻率相乘可以通過使鎖相環中鎖定信號的“n”次調諧信號而得到。在此模型的建立中使用了兩個分頻器,分別是在參考信號到鑒相器的輸入回路中,分頻系數為M=30;另一個是從壓控振蕩器到鑒相器的反饋回路中,分頻系數為N=10。4 仿真結果及分析至此我們討論完了模擬鎖相環路在Matlab的Simulink環境下的各個模塊的建模,建立了鎖相環完整的仿真模型。由Pluse generator脈沖發生器產生幅值為1,占空比為50%,相位延遲為0,參考頻率為的方波信號,經過Divide frequency b

23、y M分頻器分頻后成為的方波信號,送到鑒相器的參考信號輸入端。VCO(壓控振蕩器)的輸出頻率,即輸出頻率等于Oscillationfrequency(振蕩頻率)加上(控制輸入電壓)與Input sencitivity(輸入靈敏度) 的乘積。VCO的初始值設定為與。分頻比設為N=10。低通濾波器的直流電壓輸出在經歷了開機以后短暫的過渡狀態最終穩定在。此時但是,在仿真圖中,隨著(控制電壓)在1.75左右波動,輸出頻率還稍有差別。100MHz的VCO(壓控振蕩器)輸出經過N10分頻后變成10MHz的信號送到鑒相器的監測信號輸入端。輸入到鑒相器的兩個信號的差別,通過一階低通巴特沃斯濾波器及Gai(放大

24、器)后,變成穩定的直流控制電壓,饋送到VCO的電壓輸入端。下圖8是控制電壓的仿真波形:圖8 控制電壓的仿真波形由仿真波形可以清楚地看到,在環路開始工作的瞬間,控制作用還未建立起來,控制電壓等于0,此時環路的瞬時頻差等于固有頻差。在捕獲過程中,控制作用逐漸增強,控制頻差逐漸加大,控制電壓逐漸加大,經過一個短暫的波動過程,環路對輸入的信號進行鎖定,穩態頻差等于0,穩態相差為一固定值。此時穩態相差即反映為誤差電壓,約為1.75v下圖9是VCO(壓控振蕩器)的輸出波形: 圖9VCO(壓控振蕩器)的輸出波形 ,由上圖可以看出VCO(壓控振蕩器)輸出信號的頻率約為9.93×107Hz,基本符合理

25、論計算值。下圖10是參考信號的波形:圖10參考信號的波形經過M3的分頻器后變為頻率為10MHz的信號。由以上對于模擬鎖相環在頻率合成方面應用的仿真,我們對于鎖相環的工作原理有了一個深刻的理解,一般鎖相環可以用如下的原理框圖來表示:圖11鎖相環的原理框圖PLL環路在某一因素作用下,利用輸入與輸出信號的相位差產生誤差電壓,并通過環路濾波器濾除其中的非線性成分與噪聲后得到的純凈控制信號控制壓控振蕩器,使朝著縮小固有角頻差方向變化,一旦趨向很小常數(稱為剩余相位差)時,則鎖相環路被鎖定,即 。隨著最近幾年數字電路技術的發展以及鎖相環技術在現代電子技術中的重要性,數字鎖相環也于1995年被提出,越來越多

26、的研究者開始涉足全數字鎖相環。第二章中將以以上頻率合成的應用及圖11中模擬鎖相環的原理為指導,全面討論全數字鎖相環各個仿真模塊在MATLAB環境下的建立。第二章全數字鎖相環隨著最近幾年數字電路技術的發展,鎖相環路在數字領域獲得了越來越多的使用。與模擬鎖相環相比,全數字鎖相環不含無源器件、面積小、具有較強的抗噪聲能力,鎖定時間短,可以很方便地在各個工藝之間轉換,重用性高,設計周期短。5方案介紹全數字鎖相環包括數字鑒相鑒頻器(PDF)、數字濾波器(LPF)、數字振蕩器(NCO)三部分,如下圖12所示:圖12全數字鎖相環的仿真框圖由圖12和圖11的比較可以看出,全數字鎖相環實際上是通過將模擬鎖相環路

27、替換成數字電路得到的。這意味著鑒相鑒頻器(PDF)、環路低通濾波器(LPF)需要轉換到離散系統。環路低通濾波器(LPF)可以通過一個希望的傳輸函數的拉普拉斯變換的z變換而得到。壓控振蕩器需要轉換成數控振蕩器(Numerically Controlled Oscilaator)。下面詳細討論鑒相鑒頻器(PDF)、環路低通濾波器(LPF)以及數控振蕩器(Numerically Controlled Oscilaator)模型的建立。6模型的建立正和上述基于頻率合成的模擬鎖相環的仿真模型的建立相似,全數字鎖相環仿真模型的建立也基于相同的算法:鎖相環閉環系統狀態的變化依賴于PFD輸出的相位誤差。相位誤

28、差輸出一次,鎖相環狀態改變一次;PFD不輸出相位誤差,鎖相環里的所有信號均不改變狀態。根據上面的分析,可以將仿真過程分為兩個過程:)計算PFD輸出的相位誤差;)根據相位誤差,計算鎖相環里各個模塊的狀態。6.1數字鑒相鑒頻器(PDF)PFD電路用于檢測參考信號和反饋信號之間的相位誤差。它的狀態轉換如圖13所示圖13PFD(鑒相鑒頻器)的狀態轉換圖當PFD(鑒相鑒頻器)為0狀態時,如果參考信號REF先出現一個下降沿,則PFD轉換到1狀態,發出up信號。反之,PFD轉到-1狀態,發出down信號。當PFD檢測到參考信號REF和反饋信號CLK均為低電平時,PFD復位到0狀態。通過以上分析,可以得出以下

29、幾點結論:1) PFD 的抽樣周期是由參考時鐘和反饋時鐘中較慢的時鐘周期決定的;2) 相位誤差除了和當前時鐘周期,還與上一次輸出的相位誤差有關;3) 相位誤差周期不超過參考時鐘和反饋時鐘中較慢的時鐘周期;4) 一次相位誤差的輸出需要參考時鐘和反饋時鐘的下降沿都出現過一次。當參考時鐘頻率和反饋時鐘頻率相差很大時,快時鐘可能要經過幾個周期,慢時鐘才會出現一次下降沿。根據上述結論,可以用下面的程序來描述PFD的工作原理。%PFD behavioral model in matlab environmentev = p hase_error (i1) ;if ev = = 0timeclk (i) =

30、 timeclk (i1) + Tclk (i1) ;timeref (i) = timeref (i1) + Tref (i1) ;endif ev < 0 %timeclk (i1) is biggertimeclk (i) = timeclk (i1) + mix Tclk ;timeref (i) =timeref ( i1) + (fix ( ev/ Tref ( i1) ) + 1) *Tref (i1) ;endif ev > 0 %timeclk (i1) is smallertimeref (i) = timeref (i1) + Tref (i1) ;timec

31、lk (i) =timeclk (i1) + fix (ev/ Tclk (i1) )*Tclk (i1) + mix Tclk ;endp hase_error (i) = timeref (i)timeclk (i) ;上面的程序里,p hase_error (i1) 代表第i1 次PFD 相位誤差輸出; timeclk (i) 代表第i 次PFD 相位輸出時反饋時鐘下降沿出現的時間; Tclk (i) 代表第i 次PFD 相位誤差輸出后,DCO 經過分頻器輸出的反饋時鐘周期。依此類推,timeref (i) 是第i 次PFD 相位輸出時參考時鐘下降沿出現的時間; Tref(i) 代表第i

32、 次PFD 相位誤差輸出后輸出的參考時鐘周期;fix 是matlab 提供的取整函數6.2數字低通濾波器(LPF)數字低通濾波器和模擬濾波器的作用一樣,都是濾除高頻信號,降低振蕩器輸出頻率的抖動。本次仿真模型中使用的數字低通濾波器的傳輸函數為: G(s) (1)通過(1)式,可以很容易地推出數字低通濾波器的模型。6.3數控振蕩器(NCO)本文用一個子系統來構建數控振蕩器。數控振蕩器包含如下圖14的一個子系統:圖14數控振蕩器模塊在MATLAB中利用子系統的封裝技術把上述子系統封裝成一個數控振蕩器模型如下圖15所示:圖15數控振蕩器模型與模擬壓控振蕩器相比,數控振蕩器由頻率穩定的信號鐘Cente

33、r Freq,計數器與比較器組成,其輸出是一取樣脈沖序列,脈沖周期受數字環路濾波器送來的校正電壓控制。前一個取樣時刻的校正電壓將改變下一個取樣時刻的脈沖時間的位置。計數器記錄信號鐘的脈沖數目,直記錄到其總數與加到比較器的控制電壓相對應,比較器才產生一個復位脈沖輸出,使計數器復位,重新計數。復位脈沖也送到取樣器,作為數字壓控振蕩器的取樣脈沖輸出。是固定偏壓,為校正電壓,當等于零時,控制輸出復位脈沖的周期等于。是數字環路濾波器輸出的校正電壓,它將控制輸出取樣脈沖的周期。數字壓控振蕩器的含義可以用數學式子表示。對于第個取樣周期,有式中/為數控振蕩器周期相對于中心周期變化的最小單位。當無控制時,0,;

34、有控制時周期以/或其倍數的量相對于作階躍式的改變。與/相對應的相位改變量為:所以是表示弧度內相位受控變化大小的一個量,也叫模內狀態數。這就是說,數控振蕩器輸出脈沖的瞬時相位,在弧度內只能以或其倍數離散地變化。在這時,/,為信號鐘的周期,因此有:6.4 仿真結果及分析至此我們在模擬鎖相環的基礎上介紹完了全數字鎖相環在MATLAB中仿真模型的建立,其仿真模型如下圖16所示:圖16全數字鎖相環的仿真模型其中輸入的參考信號源輸入頻率為,運行仿真,得如下的仿真結果:圖17數控振蕩器輸出信號的頻率幅度響應曲線圖18經過數字數字濾波器后的控制字圖19由Scope示波器觀測到的輸入參考信號(上)與數控振蕩器的

35、輸出信號(下)由以上的住址數據可以看出,當輸入的參考信號為時,圖17顯示全數字鎖相環的輸出信號頻率約為=1.1MHz;由圖18顯示的經過數字數字濾波器后的控制字,對過大約5微秒后環路進入鎖定狀態,此時由圖19我們可以清楚地看到此時環路的輸出(下方)已經與輸入參考信號同步。由以上的模擬鎖相環的仿真結果與全數字鎖相環的仿真結果來看,兩次仿真都達到了仿真的預期效果。7 結論本文基于鎖相環的工作原理,以參考文獻中的鎖相環為原型,在Matlad的Simulink環境下,先用模塊搭建了模擬鎖相環的仿真模型,利用鎖相環路在頻率合成方面的應用以及模擬鎖相環直觀形象、易于理解的特點對鎖相環路的工作原理進行了仿真

36、,從仿真結果看,模擬鎖相環的仿真完全達到了預期的效果。第二章在模擬鎖相環的基礎上用仿真模塊搭建了全數字鎖相環的仿真模型,對全數字鎖相環的工作過程進行了仿真,從仿真結果看,該全數字鎖相環仿真模型完全達到了對全數字鎖相環仿真的目的。在仿真波形中,我們可以看到環路輸出信號與輸入參考信號存在一個較小的相差,而這個較小的相差正是維持環路工作所必需的。兩個仿真模型完全對鎖相環路自輸入信號加入環路致環路到達鎖定的全過程進行了仿真,諸如捕獲過程、同步,并借助Matlab強大的可視化圖形表現功能,以圖形的形式顯示了各個信號在仿真過程中的行為表現。其中全數字鎖相環的仿真模型可以直接應用到實際工程中。致謝 畢業設計

37、即將結束,心里感到很高興。在本論文完成之際,首先要向我的指導老師黃際樂老師致以誠摯的謝意。在論文的寫作過程中,黃老師給了我許許多多的幫助和關懷。黃老師學識淵博、治學嚴謹,平易近人,在黃老師的悉心指導中,我不僅學到了扎實的專業知識,也在怎樣處人處事等方面收益很多;同時他對工作的積極熱情、認真負責、有條不紊、實事求是的態度,給我留下了深刻的印象,使我受益非淺。在此我謹向黃老師表示衷心的感謝和深深的敬意。 同時,我要感謝給我們授課的各位老師,正是由于他們的傳道、授業、解惑,讓我學到了專業知識,并從他們身上學到了如何求知治學、如何為人處事。我也要感謝我的母校河池學院,是她提供了良好的學習環境和生活環境

38、,讓我的大學生活豐富多姿,為我的人生留下精彩的一筆。 另外,衷心感謝我的同窗同學們和物電系的師兄師姐們,在我畢業論文寫作中,與他們的探討交流使我受益頗多;同時,他們也給了我很多無私的幫助和支持,我在次深表謝意。 最后,向我的親愛的家人和親愛的朋友表示深深的謝意,他們給予我的愛、理解、關心和支持是我不斷前進的動力。 學無止境。明天,將是我終身學習另一天的開始。參考文獻1 張厥盛鄭繼禹萬心平.鎖相技術.西安電子科技大學出版社.19942 劉衛國.MATLAB程序設計與應用(第二版).高等教育出版社.20013 樓順天劉小東李博菡.基于MATLAB7.X的系統分析與設計信號處理.西安電子科技大學出版社.20054 徐明遠邵玉斌.MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用.西安電子科技大學出版社.20055日遠坂俊昭著何希才譯.鎖相環(PLL)電路設計與應用.科學出版社.20066 Tony van Roon .Phase-Locked Loop tutorial.http:/www

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