1、用LabVIEW模擬鎖相環畢業設計(論文)中文摘要用LabVIEW模擬鎖相環摘要：鎖相電路是相位鎖定環(Phase-Locked Loop)的簡稱，主要由鑒相器、環路濾波、壓控振蕩器成 。主要是要掌握LabVIEW圖形化編程特點，因為是軟件來實現電路，就必須根據實際電路的功能，把它抽象為相應的邏輯來實現，因此需要既要徹底地掌握鎖相環的理論知識，又要具備很強的虛擬儀器應用能力。充分調動積極思考，獨立解決問題的能力。利用LabVIEW來實現鎖相電路，主要是要掌握LabVIEW圖形化編程特點，因為是用軟件來實現電路，就必須根據實際電路的功能，把它抽象為相應的邏輯來實現，又因

2、60;LabVIEW的程序可以嵌套，所以在實現時可將其各個功能分別實現，然后以調用子程序的方式把它們組和在一起，因此設計時需要設計出一個大的框圖，大的框圖由多個子框圖構成。虛擬鎖相電路由時鐘發生器、分頻器、時鐘及數據鑒相器、壓控震蕩器、移位寄存器這幾個功能模塊組成。關鍵詞：鎖相環 鑒相器 壓控振蕩器 自動跟蹤畢業設計(論文)外文摘要Title : Simulates the phase-locked loop with LabVIEWAbstract: The phase locking circuit is the phase locking link (Phase-Locked Loop)

3、 the abbreviation, mainly by the discriminator, the ring circuit filter, the pressure controls the oscillator to become.Mainly is must grasp the LabVIEW presente in figures and diagrams programming characteristic, because is the software realizes the electric circuit, must act according to the actua

4、l electric circuit the function, abstracts it for the corresponding logic realizes, therefore needs both to have to grasp the phase-locked loop thoroughly the theory knowledge, and must have the very strong hypothesized instrument application ability.The full reassignment positive ponder, the indepe

5、ndence solves the question ability.Realizes the phase locking circuit using LabVIEW, mainly is must grasp the LabVIEW presente in figures and diagrams programming characteristic, because is realizes the electric circuit with the software, must act according to the actual electric circuit the functio

6、n, abstracts it for the corresponding logic realizes, and further because the LabVIEW procedure may the nesting, therefore in realization time may realize separately its each function, then transfers the subroutine the way their group and in the same place, therefore designs time needs to design a b

7、ig diagram, the big diagram constitutes by many sub-diagrams.The hypothesized phase locking circuit by the clock generator, the frequency divider, the clock and the data discriminator, the pressure controls the oscillator, the shift register these function module is composed.keywords: phase-locked l

8、oop data discriminator pressure controls the oscillator automatic trackin目錄1 引言 1.1 LabVIEW概述 1.2 LabVIEW 工作環境 LABVIEW 的工作窗口 LabVIEW的操作模塊 虛擬儀器程序（VI）的基本組成2 鎖相環理論介紹2.1 鎖定與跟蹤的概念鎖相環理論分析環路組成3 虛擬鎖相環電路的具體實現3.1正弦鑒相器的實現正弦鑒相器理論分析正弦鑒相器虛擬轉換3.2 濾波器（LF） 3.3 壓控振蕩器(VCO)4 子VI4.1 時鐘發生器的實現 4.2移位寄存器的實現 4.3分頻器的實現4.4子VI的

9、具體實現步驟5 程序的前面板圖和程序圖結論參考文獻1 引言鎖相環路（PLL）是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環自動控制系統。它在無線電技術的各個領域得到了廣泛的應用。鎖相環路具有載波跟蹤特性，作為一個窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲之中的信號；用高穩定的參考振蕩器鎖定，可以提供一系列頻率穩定的頻率源；可進行高精度的相位與頻率測量等等。它具有調制跟蹤特性，可制成高性能的調制器和解調器。它具有低門限特性，可以大大改善模擬信號和數字信號的解調質量。對所相環路的研究需首先建立完整的數學模型，繼而以模型為基礎，用LabVIEW實現其各種工作狀態下的性能與指標，諸如跟蹤、捕獲等等。1.1 LabVIEW概述

10、 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Workbench, 實驗室虛擬儀器工程平臺)是美國NI公司(National Instrument Company)推出的一種基于G語言(Graphics Language,圖形化編程語言 )的虛擬儀器軟件開發工具。用LabVIEW設計的虛擬儀器可脫離LabVIEW 開發環境，最終用戶看見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。LabVIEW 為虛擬儀器設計者提供了一個便捷 輕松的設計環境。利用它設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統和構建自己的儀器面板，而無需進行任何煩瑣的計算機代碼的編寫。 1.2 LabVI

11、EW 工作環境 LABVIEW 的工作窗口主要由兩個窗口組成：一個是前面板開發窗口，用于編輯和顯示VI前面板對象，另一個是框圖程序窗口，用于編輯和顯示流程圖（程序源代碼）。 LabVIEW的操作模塊 LabVIEW提供3個模版：工具模板（Tool palette）控制模板（Control palette）和功能模板（Function palette）來完成VI前面板和流程圖兩部分的設計開發任務。(1) 工具模板（Tools Palette）：提供用于操作、編程前面板和流程圖上對象的各種工具。有操作工具：該工具是操作數值的工具。當用它向前面板的控制器或顯示器鍵入值時，工具會變成標簽工具的形狀。選

12、擇(位置)工具：用于選擇、移動或改變對象的大小。當它用于改變對象邊框的大小時，會變成相應的形狀。標簽工具：用于輸入標簽文本或者創建自由標簽。當創建自由標簽時它會變成相應的形狀。連線工具：用于在框圖程序上連接對象。如果聯機幫助的窗口被打開時，把該工具放在任一條線上，就會顯示相應的數據類型。探針工具：可以在框圖程序內的數據流上設置探針。調試時可以通過探針窗口來觀察該數據流線上的數據變化狀況。等等(2) 控制模板（Controls Palette）：如前所述，虛擬儀器的面板是通過軟件實現的。具體的講，就是LabVIEW將傳統儀器上的各種旋鈕、開關、顯示屏等所有可能涉及的操作部件都做成外形相似的“控件

13、”，分類存于控制面板上。設計者在設計儀器面板時，只需根據需要選擇合適“控件”，放在面板相應的位置即可。由于控制模板是LabVIEW為設計者設計虛擬面板而提供的，因此它只會在前面板編輯窗口中出現。控制模板中有數值子模板、布爾值子模板、字符串和路徑子模板、數組和簇子模板等等(3) 功能模板（Functions Palette）：是創建框圖程序的工具，在流程圖中使用。功能模板包含用于VI編程的對象，例如：數值運算、儀器I/O、文件I/O以及數據采集等操作。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。 虛擬儀器程序（VI）的基本組成VI由以下3部分組成。（1） 程序前面板：交互式的用戶界面。（2） 框圖

14、程序：是程序源代碼，用模塊代替普通函數。（3） 圖標/連接器（子VI）：可被高級VI調用的VI2 鎖相環理論介紹鎖相環路（PLL）是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環自動控制系統。2.1 鎖定與跟蹤的概念鎖相環理論分析鎖相環路（PLL）是一個相位跟蹤系統， 設輸入信號：ui（t）= Ui sinwi t +i（t）式中 ui是輸入信號的幅度;wi是載波角頻率;i（t）是以載波相位wi t為參考的瞬時相位若輸入信號是未調載波，i（t）即為常數，是ui（t）的初始相位，若輸入信號是角調制信號，（包括調頻調相），i（t）即為時間的函數設輸入信號 uo（t）Uo coswo t +o（t）式中 Uo是輸出

15、信號的幅度wo是環內被控制振蕩器的自由振蕩角頻率，它是環路的一個重要參數o（t）是以自由振蕩的載波相位wo t為參數的瞬時相位，在未受控制以前它是常數，在輸入信號的控制之下，o（t）即未時間常數。 因為鎖相環路是一個相位控制系統，輸入信號ui（t）對環路起作用的是它的瞬時相位，它的幅度通常是固定的，輸出信號uo（t）的幅度Uo通常也是固定的，只是其瞬時相位受輸入信號瞬時相位的控制，因此，我們希望直接建立輸出信號瞬時相位與輸入信號瞬時相位之間的控制關系。為此，先討論兩個不同頻率信號之間的相位關系。環路模型前面已分別得到了環路的三個基本部件模型，按下圖所示的環路構成，不難將這三個模型連接起來得到環

16、路的模型，如下圖所示Ko /pF(p)_Ud sin+ i（t） e（t） Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 由圖上顯示看到，這是一個相位負反饋的誤差控制系統。輸入相位1（t）與反饋的輸出相位2（t）進行比較，得到誤差相位e（t），由誤差相位產生誤差電壓Ud（t），誤差電壓經過環路濾波器F（p）的過濾得到控制電壓Uc（t），控制電壓加到壓控振蕩器上使之產生頻率偏移，來跟蹤輸入信號頻率Wi（t）。若輸入Wi為固定頻率，在Uc（t）的作用下，Wv（t）向Wi靠攏，一旦兩者相等時，若滿足一定條件，環路就能穩定下來，達到鎖定。鎖定之后，被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率相同，兩者之間維持一定的

17、穩態相位差。由圖可見，這個穩態相差是維持誤差電壓以控制電壓所必須的。若沒有這個穩態相差，控制電壓就會消失（環路濾波器為理想積分器是例外，這在第四章中將會說明），壓控振蕩器的振蕩頻率又將回到其自由振蕩頻率Wu，環路當然不能鎖定。存在剩余誤差（鎖相環路中就是相位誤差）是誤差控制系統的特征。這個模型直接給出了輸入相位1（t）與輸出相位2(t)之間的關系，故又稱為環路的相位模型，它是進一步分析鎖相環的基礎。環路組成鎖相環路為什么能夠進入相位跟蹤，實現輸出與輸入信號的同步呢？因為它是一個相位的負反饋控制系統。這個負反饋控制系統是由鑒相器（PD）、環路濾波器(LF)和電壓控制振蕩器(VCO)三個基本部件組

18、成的，基本構成如下圖所示。實際應用中有各種形式的環路，但它們都是有這個基本環路演變而來的。而本課題采用最簡單的鎖相環路一階鎖相環路進行研究設計。PDVCOLF_ i（t） e(t) Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 一階鎖相環路沒有環路濾波器(LF)，是最簡單的鎖相環路。實際上一階環很少被采用，但是由于環路中發生的種種物理現象，如捕獲、鎖定和失鎖等等，都可以通過一階環得到明確的說明。鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位1（t）與反饋信號2（t）之間的相位差e(t)，輸出的誤差信號Ud(t)是相位差e(t)的函數。壓控振蕩器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

19、蕩頻率應隨輸入控制電壓Uo(t)線性的變化。3 虛擬鎖相環電路的具體實現在利用LabVIEW來實現鎖相電路時，按鎖相環路的功能分為幾個子模板來實現，就好比一個電路板有很多各器件組成的一樣，下面講介紹每個程序模塊功能和實現的方法。3.1正弦鑒相器的實現正弦鑒相器理論分析鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位1（t）與反饋信號2（t）之間的相位差e(t)，輸出的誤差信號Ud(t)是相位差e(t)的函數，即Ud(t)=fe(t)鑒相特性fe(t)可以是多種多樣的，正弦形特性，三角形特性，鋸齒形特性等等，此課題 選用正弦形特性，故稱為正弦鑒相器。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串連

20、組成,如下圖所示:+LPF Ui（t） Ud（t） + _ Uo（t） 設相乘器的相乘系數為Km單位為1/V,輸入信號Ui（t）與反饋信號Uo（t）經相乘作用Km ·Ui（t）·Uo（t）Km· Ui·sinWot+1（t） ·Uo·cosWot+2（t） 1/2·Km ·Ui·Uo·sin2Wot+1（t）+2（t） +1/2·Km ·Ui·Uo·sin1（t）2（t）在經過低通濾波器濾除2Wo成分之后，得到誤差電壓 Ud(t) 1/2·Km

21、·Ui·Uo·sin1（t）2（t）令 Ud1/2·Km ·Ui·Uo·為鑒相器的最大輸出電壓，則 Ud(t)Ud· sine(t)正弦鑒相器虛擬轉換(1) 在框圖程序窗口中打開功能模板（Functions），左擊其中的信號分析子模板（Analyze）,在信號分析子模板中選中Signal processing，然后再打開 Signal Generation功能子模板中的Sine ware VI,該VI產生正弦波。調用兩個Sine ware VI作為相乘器的輸入信號。(2) 在功能模板（Functions）中選中數值

22、運算模板（Numeric）,再選擇其中的Multiply(乘函數)。(3) 在功能模板中，選中信號分析子模板（Analyze），再選定其中的Signal processing，找到Filters模板，選中其中的Butterworth Filter.VI把濾波器類型參數設置為Lowpass.(4) 如上所述，把各部分連接，如下圖所示： 3.2 濾波器（LF） 本題采用沒有濾波器的一階鎖相環路，即F(p)=1一階鎖相環實際上很少被采用。但是由于環路中發生的種種物理現象，如捕獲、鎖定和失鎖等等，都可以通過一階環得到明確的說明，因此本題選擇一階鎖相環路作為研究對象。故，鎖相環路可以簡化為由兩部分組成：

23、檢相器、壓控振蕩器。如下圖所示：PDVCOi（t） e(t) Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 3.3 壓控振蕩器(VCO) 壓控振蕩器的功能實現是由一個子VI和移位寄存器等綜合實現的。子VI產生一個不斷變化的頻率2(t)與基波信號的頻率i（t）相減得到一個新的頻率e(t),然后通過移位寄存器把新產生的頻率e(t)送給比較波作為其輸入頻率,如此反復,知道基波信號的頻率i（t）與被控的壓控振蕩器的頻率2(t)相等,實際實驗中可存在極小的誤差。所以在具體的LabVIEW程序中運用到了減函數和(范圍判斷條件)<此名稱有誤>。4 子VI移位寄存器和分頻器等構建成一個子VI，此子VI

24、能夠完成對檢相器輸出的波形進行頻率變換，然后將不斷變化的頻率再反饋給檢相器，如此循環形成跟蹤。具體實現分如下四個部分：時鐘發生器、移位寄存器、計數器和分頻器4.1 時鐘發生器的實現 時鐘發生器的實現主要是按照時鐘波形的規律，它是一個“0”和“1”電平循環交替的方波。在For循環中嵌套一個條件判斷結構框（CASE框），輸入正弦波形與0比較，大于或等于時輸出為“1”，否則為“0”。4.2移位寄存器的實現 移位寄存器在電路中主要起到一個循環移位和反饋的作用。LabVIEW中引入的移位寄存器的概念是，使用移位寄存器可在循環體之間傳遞數據，其功能是將上一次循環值傳給下一次循環。本題使用到多個移位寄存器，

25、左側移位寄存器端子同時呈現前一次和前兩次的循環值，即可以比較輸入方波的相鄰兩個值是否滿足方波上升沿的條件，然后對上升沿的個數用計數器進行計數，這樣即可計出方波的頻率。4.3分頻器的實現分頻器的實現是用了兩個CASE結構的嵌套，把由時鐘發生器產生的方波脈沖個數除以一個分頻數（可變的），即可得到一個新的頻率的方波，再把該頻率用計數器計出反饋給比較波，作為它的新的頻率。4.4子VI的具體實現步驟（1） 在框圖上放置一個For循環，并在其左邊界或右邊界上彈出選單，選擇Add Shift Register，創建一個移位寄存器，單擊For循環左邊界的移位寄存器端子同時移動，生成一個新的移位寄存器端子，即左

26、邊界兩個移位寄存器端子，右邊界一個端子。（2） 在For循環中先放置一個CASE結構，經檢相器輸出的波形與“0”比較，把“0”作為判斷條件，條件為真時輸出為“1”，條件為假時輸出為“0”。即把正弦波轉換為方波說明：0在功能模板（Functions）中選中Companion子模板，調用Greater Or Equal To 0?函數。（3） 把生成的方波連接到For循環右邊界的移位寄存器端子上。（4） 在For循環中先放置“=0”和“0”函數（Functions Companion子模板），且在Functions中找到Boolean布爾邏輯子模板，選中“與”邏輯，分別與“=0”和“0”節點連接作

27、為計數條件。（5） 在For循環中再放置一個CASE結構用來計數，在Ture分支CASE中放置累加器Increment PtByPt.vi（逐點加1）和“商與余數”函數。當條件為真（有上升沿出現）時計數，條件為假時不變。（6） 在計數的CASE結構中再嵌套一個CASE結構。若“商與余數”函數的余數輸出為1，則滿足嵌套CASE為真的條件，則輸出為1，否則輸出為0，即生成一個新的頻率的方波。說明：“商與余數”函數（Functions Numeric）: 求兩個數的商與余數,此題除數為原方波頻率值，被除數為分頻數（可以任意設值），兩數相除余數為0時即滿足嵌套CASE為真的條件，則輸出為1，否則輸出為0。（7） 在For循環中再放置一個CASE結構，在CASE