PLL 锁相环的ADS 仿真
锁相环Simulink仿真模型
锁相环学习总结通过这段的学习，我对锁相环的一些基本概念、结构构成、工作原理、主要参数以及simulink 搭建仿真模型有了较清晰的把握与理解，同时，在仿真中也出现了一些实际问题，下面我将对这段学习中对锁相环的认识和理解、设计思路以及中间所遇到的问题作一下总结：1. 概述锁相环（PLL ）是实现两个信号相位同步的自动控制系统，组成锁相环的基本部件有检相器（PD ）、环路滤波器（LF ）、压控振荡器（VCO ），其结构图如下所示：2.锁相是相位锁定的简称，表示两个信号之间相位同步。
若两正弦信号如下所示：相位同步是指两个信号频率相等，相差为一固定值。
当i ω=o ω，两个信号之间的相位差 为一固定值，不 随时间变化而变化，称两信号相位同步。
o i t t θθθθ-=-)()('当i ω≠o ω，两个信号的相位差 ，不论iθ 是否等于o θ，只要时间有变化，那么相位差就会随时间变化而变化，称此时两信号不同步。
若这两个信号分别为锁相环的输入和输出，则此时环路出于失锁状态。
当环路工作时，且输入与输出信号频差在捕获带范围之内，通过环路的反馈控制，输出信号的瞬时角频率)(t v ω便由o ω向i ω方向变化，总会有一个时刻使得i ω=o ω，相位差等于0或一个非常小的常数，那么此时称为相位锁定，环路处于锁定状态。
若达到锁定状态后，输入信号频率变化，通过环路控制，输出信号也继续变化 并向输入信号频率靠近，相位差保持在一个固定的常数之内，则称环路此时为跟踪状态。
锁定状态可以认为是静态的相位同步，而跟踪状态则为动态的相位同步。
环路从失锁进入到锁定状态称为捕获状态。
其他几个环路工作时的重要概念：快捕带：能使环路快捕入锁的最大频差称为环路的快捕带，记为L ω∆，两倍的快捕带为快捕范围。
捕获带：能使环路进入锁定的最大固有频差，用P ω∆表示，两倍的捕获带为捕获范围。
同步带：环路在所定条件下，可缓慢增加固有频差，直到环路失锁，把能够维持环路锁定的最大固有频差成为同步带，用H ω∆，2H ω∆为同步范围。
matlab pll锁相环原理
标题：MATLAB中的PLL锁相环原理一、介绍PLL锁相环的概念PLL（Phase-Locked Loop）锁相环是一种常用的控制系统，广泛应用于通信系统、数字信号处理和电力系统等领域。
它通过比较输入信号与本地参考信号的相位差，实现对输入信号的精确跟踪和同步。
在MATLAB中，我们可以通过编写代码来模拟PLL锁相环，并深入理解其工作原理。
二、PLL锁相环的基本结构PLL锁相环由相位比较器、低通滤波器、VCO（Voltage-Controlled Oscillator）和分频器等组成。
它的基本结构如下：1. 相位比较器：用于比较输入信号和本地参考信号的相位差，并产生控制电压。
2. 低通滤波器：将相位比较器输出的控制电压进行滤波，去除高频噪声，得到稳定的调节电压。
3. VCO：根据低通滤波器输出的调节电压，调节其输出频率，实现对输入信号的跟踪。
4. 分频器：将VCO输出的信号进行分频，得到本地参考信号，用于与输入信号进行比较。
三、PLL锁相环的工作原理PLL锁相环的工作过程可以分为锁定和跟踪两个阶段。
1. 锁定阶段：在初始时刻，输入信号的频率与VCO的输出频率不同步。
相位比较器会检测到二者之间存在相位差，产生相应的控制电压，通过低通滤波器传递给VCO。
VCO根据控制电压，调节其输出频率，使其逐渐与输入信号频率同步，最终达到锁定状态。
2. 跟踪阶段：一旦锁定完成，PLL锁相环会持续监测输入信号的频率变化，并调节VCO的输出频率，确保其始终与输入信号同步。
低通滤波器起到平稳调节的作用，使得VCO的输出频率能够迅速跟随输入信号的变化。
四、MATLAB中的PLL锁相环模拟在MATLAB中，我们可以利用Simulink工具箱来建立PLL锁相环的模型，并进行仿真分析。
我们需要使用Simulink中的基本模块，如正弦波源、相位比较器、低通滤波器、VCO和分频器等，按照PLL锁相环的基本结构进行搭建。
1. 步骤一：建立模型我们在Simulink中建立PLL锁相环的模型，将各个基本模块按照PLL 锁相环的基本结构进行连接，确保输入信号能够经过相位比较器、低通滤波器和VCO等模块，最终输出同步的信号。
锁相环中无源环路滤波器的设计与仿真
第 ３ 卷第 ４ ３ 期
２１ ０ １年 １ ２月
湖北 大学 学 报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＨｕ ｅ ｎｖ ｒｉ （ ｔ ｒｌ ｃｅ ｃ ） ｏ ｒ ａ ｂ ｉ ｉｅｓｔ Ｎａｕ ａ ．， ０１ ｃ ２ １
第 ４ 期
刘丽平等 ： 锁相环 中无 源环路滤波器的设 计与仿真
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４５ ９
为周期 的 ， 其输 出 的误差 电压 就在 某一 ： 内摆 动． 范围 在这 种 误 差 电压 控 制下 ， 控 振荡 器 的频 率 也就 在 压 相 应 的范 围 内变 化 ； 压控 振 荡器 的频 若 率能够 变 化到 与输入 信号 频率 相等 ， 便有 可能在 这个 频率 上稳 定 下来 ， 达到稳 定 之后 ， 输入 信号 和压 控振 荡器 输 出信号 之 间的频差 为零 ， 位差不 再 随时 间变 化 ， 相 误差 控 制 电压为 一 固定 值 ， 时环路 就进 入“ 这 锁定 ” 状态 ． 鉴 相器 的输 出由直 流分量 和 高频分 量组 成 ， 而压控 振 荡器 的控制 电压 在稳态 时必 须保 持恒 定 ， 以 所 环路 滤波 器 的功能 是除 去鉴 相器输 出比较频 率 中 的寄生 成 分 ． １所示 的 Ｐ Ｌ仿 真 电路 中 ， 路滤 波 图 Ｌ 环
摘要
锁相环 （ Ｌ ） Ｐ Ｌ 的基本频率特性主要是由环路滤波 器决定 的． 了节省锁相环 的设计仿 真时 间， 为 提
锁相环环路滤波器噪声特性分析与仿真
锁相环环路滤波器噪声特性分析与仿真金玉琳;余世刚;周毅;保玲【摘要】为估计环路滤波器对锁相频率合成器输出相位噪声的贡献,建立了一种常用的有源差分环路滤波器噪声模型,并推导出滤波器中各噪声源贡献的噪声的理论公式.针对一实际滤波器贡献的相位噪声进行理论计算,考虑了滤波器中运放的非理想特性后,对滤波器中各个噪声源贡献的相位噪声进行了仿真.通过理论结果和仿真结果对比,得出理论公式对实际环路滤波器噪声进行了很好的估计.最后给出环路滤波器设计时在噪声性能方面的考虑.%It is necessary to accurate phase noise prediction of synthesizer for loop filter's contribution, a noise model for loop filter that is used for differential output phase detector is built, and theoretical formula of the output phase noise contribution from each noise source in loop filter is derived. Theoretical value of phase noise is calculated aimed at the contribution from a actual loop filter, and the phase noise is simulated after considered the actual character of op-amp. Comparing the theoretical value and simulated value, the noise of the actual loop filter can be estimated by theoretical formula, and some considerations of loop filter design about the noise performance are provided.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)021【总页数】4页(P193-195,198)【关键词】频率合成器;锁相环;有源环路滤波器;相位噪声【作者】金玉琳;余世刚;周毅;保玲【作者单位】兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TN713-34锁相频率合成器其潜在的出色性能、相对简单性和低成本而被普遍使用[1]。
锁相环设计与MATLAB仿真
锁相环设计与MATLAB仿真锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电路设计技术，用于提取输入信号中的相位信息，并在输出信号中保持输入信号与输出信号的相位差稳定。
PLL广泛应用于通信系统、时钟生成器、频率合成器等领域。
锁相环主要由相位检测器（Phase Detector，PD）、环路滤波器（Loop Filter，LF）、振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和分频器（Divider）组成。
相位检测器用于比较输入信号和VCO输出信号的相位差，并产生一个低频的误差信号。
传统的相位检测器包括异或门相位检测器（XOR PD）和倍频器相位检测器（Multiplier PD）。
异或门相位检测器适用于窄带相位差测量，倍频器相位检测器适用于宽带相位差测量。
MATLAB提供了用于建模和仿真PLL的工具箱，可以方便地进行相位检测器的设计和性能分析。
环路滤波器用于滤波相位误差信号，根据滤波器的设计方法不同，可以实现不同的环路特性。
传统的环路滤波器包括积分环路滤波器和比例积分环路滤波器。
积分环路滤波器对误差信号进行积分，使得环路系统具有很高的稳定性和抗干扰能力，但响应时间较长。
比例积分环路滤波器在积分环路滤波器的基础上引入比例增益，可以更快地响应相位误差的变化。
振荡器（VCO）根据环路滤波器输出的控制电压来生成输出信号，并提供给分频器进行频率除法操作。
振荡器通常采用压控振荡器（VCO）或电流模式逻辑（Current Mode Logic，CML）结构，可以根据应用需求选择合适的振荡器设计。
分频器用于将振荡器输出的高频信号按照设定的分频比例进行分频，生成与输入信号相位对齐的输出信号。
分频器采用计数器和锁存器设计，计数器用于记录输入信号的周期数，锁存器将计数器的值锁定在一个周期，输出给相位检测器进行相位比较。
锁相环的设计和仿真可以通过MATLAB工具箱进行。
首先，设计相位检测器的传输函数和特性，选择适当的相位检测器类型和设计参数。
锁相环与MATLAB仿真讲解
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。
锁相环PLL原理与应用
Uφ(t) f2’
uc VCO
Ud(t)
对锁相环的另一种描述
uo Uo’(t)
反馈过程简单描述： ωo(t)↑→频差↓→ PD的直流分量↓→ LPF的直流分量↓→ ωo(t) ↓→频差↑→ PD的直流分量↑→ LPF的直流分量↑→ ωo(t)↑→循环往复 频差=0 → PD的直流分量=常数→ LPF的直流分量=常数→
用低通滤波器LPF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压
u c A d sio n ( t ) t { o ( t ) [ [ ]i( t ) t i( t )]}
此时的ωi(t)为输入信号的瞬时振荡角频率， ωo(t)为输出信号的瞬时振荡角频率；φi (t)和φo(t)分别 为输入信号和输出信号的瞬时位相。瞬时频率（单位时间变化的弧度）和瞬时相位的关系为：
对一个二阶系统而言，就存在ωn、ξ。在同样的LPF条件下，VCO灵敏度越高， ξ越小（很快锁定）。
锁相环仿真前对一些基本仿真原件的认识
——VCO0
FM、VCO 信号相乘
一种由数字电路组成的鉴相器。 检测到输入信号过零时开启计数器；检测到参考信号过零时锁定计数器。其间计数器内的 计数值就是相位差的某种表达。该计数值经过A/D后就成为相位差某种表达模拟量。
RS触发器
ui PD
ud LPF
UI(t) f1
ui
ud
uc
uo
PD
LPF
VCO
鉴相器PD：是一个完成相位比较的单元，用来比较输入信号和基准信号的之间的相位。它的输出 电压正比于两个输入信号之相位差。
低通滤波器LPF：是一个有源频及其他的高频噪声），起平滑滤波的作用。通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运 算放大器。
三相锁相环及仿真
三相锁相环及仿真Newly compiled on November 23, 20202三相电压软件锁相环仿真实现锁相环有很多种方法，目前在电力电子装置实际应用中常用的锁相环技术是过零比较方式，就是通过硬件电路检测电网电压的过零点来获得相位差的信号，然后用硬件或者软件实现锁相。
这种方案原理和结构都很简单，也易于工程上的实现。
但是一个工频周期内电网电压只能检测到两个过零点，这限制了锁相环的锁相速度；而且,当电网侧电压中有含有的谐波或这三相不平衡时，这种方法就不能准确的确定基波正序的过零点了，进而而影响了锁相的精度[38]。
为了避免过零点检测方法带来的问题，本文采用三相软件锁相环(SPLL)[39]方法。
电压合成矢量u s与d、q轴电压分量u sd、u sq的关系图如图所示，对于三相电网，电压合成矢量u s的幅值是不变的，则q轴电压分量u sq反映了d轴电压分量u sd与电网电压合成矢量u s的相位关系。
从图中可以看出，当u sq<0时，说明d轴超前u s，应该减小同步信号的频率；u sq>0时，说明d 轴滞后u s，此时应该增大同步信号频率；u sq＝0时，说明d轴与u s同相。
可见，可以通过控制电网电压q轴分量u sq＝0恒成立，使电网电压合成矢量u s定向于d轴电压分量u sd，实现两者同相位，因此可以得到一个对电压矢量u s进行锁相的方法。
采集得到的压三相对称正弦相电压的瞬时值可以表示为：a m1b m1c m1cos2cos()32cos()3u Uu Uu Uθθπθπ⎧⎪=⎪⎪=-⎨⎪⎪=+⎪⎩(2-36)式中，θ1=ω1t，为输入相位角，ω1为电网角频率；U m为电网电压幅值。
三相对称电压变换到两相静止坐标系α、β轴电压分量u sα、u sβ，两相静止αβ坐标系再经两相旋转坐标系变换后得到的d、q轴电压分量u sd、u sq可以表示为：sd m1sq m1cos()sin()u Uu Uθθθθ=-⎧⎪⎨=-⎪⎩(2-36) 式中，θ＝ωt，三相电压SPLL的输出相位角，ω输出角频率。
锁相环的matlab的仿真程序(PLL matlab simulation program)
锁相环的matlab的仿真程序（PLL matlab simulation program）% phasell。
M%锁相环（PLL），调整一个本地振荡器的相位。
%与输入的调制信号。
这样的阶段%输入信号被锁定，信号解调。
%也用于PM和FM。
我们将使用闭环系统来实现它。
控制系统这里应用了%技术。
%*********************************************************** ***锁相环一阶闭环透过率的%阶跃响应% h（s）= 1；%系统类型号= 1；%道/ thetai（输出/输入阶段）关闭所有千伏= 1；KD＝1；DT = 0.01T＝0：dt：2u =（1，长度（t））G11 = [ TF（[ 2 * pi *千* KD ]、[ 1 2 * pi *千* KD ]）]为其传递函数在给定的讲义[ 11 ] = lsim（G11，U，T）图形情节（t，Y11）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（第一阶'step响应闭环率”）%*********************************************************** ****锁相环一阶闭环误差透过率的阶跃响应所有其他因素h（s）等在这里都一样。
%中来/ thetai（相同的解释。
如上）G12 = [（[ 1，0 ]，TF [ 1 2 * pi *千* KD ]）]误差透过讲义中给出[ 12 ] = lsim（G12，U，T）图形情节（t，Y12）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（第一阶'step响应闭环误差率”）%*********************************************************** *****锁相环一阶闭环透过率的%阶跃响应VCO与输入信号相位之间的百分比% h（s）= 1；%系统类型号= 1；% v2 / thetaiKD＝1；G13 = [ TF（[ 0 ] [ 1 KD，2 * pi *千* KD ]）]为压控振荡器的电压和输入信号透过率[ 13 ] = lsim（G13，U，T）图形情节（t，Y13）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（第一阶'step响应闭环透光率的B / W的VCO和输入阶段”）%*********************************************************** *********锁相环二阶闭环透射率的阶跃响应%系统类型号= 2；%道/ thetai= 3.15ζ= sqrt（（π*千* KD）/（2 *））omegan = sqrt（2 * pi *伏* KD *）G21 = [（[ 2 *泽塔* TF omegan omegan ^ 2 ]、[ 1 2 *泽塔* omegan omegan ^ 2 ]）]【Y21 T ] = lsim（G21，U，T）图形情节（t，Y21）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（二阶锁相环的环路闭合'step响应率）%*********************************************************** **********锁相环二阶闭环误差透过率的阶跃响应%系统类型号= 2；% / thetai中来G22 = [（[ 0 ] 0 TF 1，[ 1 2 *泽塔* omegan omegan ^ 2 ]）]【Y22 T ] = lsim（G22，U，T）图形情节（t，Y22）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（二阶锁相环的环路闭合'step响应误差率）%*********************************************************** **********锁相环二阶闭环透射率的阶跃响应VCO与输入信号相位之间的百分比%系统类型号= 2；% v2 / thetaiG23 = [ TF（KD KD * [ 0 ]、[ 1 2 * pi *千* 2 * pi *千* KD KD ]）]【Y23 T ] = lsim（G23，U，T）图形情节（t，Y23）xlabel（秒的时间）ylabel（幅度标准”）标题（二阶'step响应闭环透光率的B / W的VCO和输入阶段”）%*********************************************************** ***************%锁相环。
PLL的ADS仿真
本次PLL仿真的目的是用ADS计算环路参数值并估计锁定时间和相噪水平。
其中所选取的锁相环芯片为ADF4350，要求该芯片输出1GHz的点频。
该芯片的一些参数如下:1)输出频率范围为137.5MHz至4400MHz，其中VCO的压控输出范围为2200MHz至4400MHz，具有可编程的1/2/4/8/16分频输出。
2)输入频率范围为10至105MHz，最大鉴相频率为32MHz。
3)在外接电阻为5.1K的情况下，电荷泵输出的最大电流为5mA。
4)VCO的压控增益为33MHz/V，归一化相噪水平为-213dBc/Hz，在输出为2.2GHz的情况下，其相噪水平分别为：-89dBc/Hz@10KHz，-114dBc/Hz@100KHz。
另外我们取参考输入为25MHz，鉴相频率也为25MHz，我们选择VCO输出直接分频模式，即VCO输出4GHz，则N=4000/25=160。
晶振的相噪水平为:-113dBc/Hz@1KHz, -121dBc/Hz@10KHz, -128dBc/Hz@100KHz。
我们选取三阶无源滤波结构，环路带宽设置为20KHz，相位裕度为45°-50°。
一，PLL环路滤波的仿真首先我们先用ADS仿真环路参数。
利用ADS自带的PLL仿真模块，按照以上要求设置好之后就得到了图一的仿真原理图。
图一 PLL的ADS仿真原理图其中以上模块包括了PLL的闭环特性、参数设置区、PLL的开环特性、环路滤波器部分以及仿真所需要的仿真器和优化目标等。
根据我们仿真的要求，我们只需要把PLL的参数区设置成如图二所示的即可。
图二 PLL变量区的参数设置在图二中，VAR1部分的Kv为VCO的鉴相增益，Id为CP的输出电流，NO为分频因子。
VAR2的五个参数为环路滤波器的参数值，其范围是可以设置的。
VAR3部分的UnityGainFreq为期望的环路带宽值，我们定为20KHz。
Min_Phase_Margin 和Max_Phase_Margin分别是最小和最大的相位裕度值，我们希望相位裕度的值为45至50度。
基于SystemView锁相环的仿真与分析
摘要随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛。
SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。
锁相环路作为能自动跟踪信号相位的闭环自动控制系统已获得非常广泛的应用.将锁相技术应用应用于频率合成器的设计中，既可以满足频率合成器的高精度、高稳定度的性能要求；又可使频率合成器的体积缩小、成本降低；同时频道转换便捷，使之能方便的应用于移动通信领域.论文介绍了锁相环路的基本工作原理及特性，在分析了锁相频率合成器的组成原理后，提出了在SystemView环境下的锁相环路频率合成器的设计方案，并调试成功。
关键词：SystemView；锁相技术;频率合成器；仿真ABSTRACTSystem simulation skills are widely used in area of electronic engineering as the developing of computer technique。
Appearance of the software SystemView represents a new level of simulation skills in communication fields. The phase—lock loop (PLL) can not only satisfy the requirement of high frequency stability and high frequency precision, but also reduce the scale and cost of frequency synthesizer。
At the same time, the channel conversion can be realized conveniently，so the phase-lock frequency synthesizer can be used in the field of the mobile communication。
PLL的ADS仿真
本次PLL仿真的目的是用ADS计算环路参数值并估计锁定时间和相噪水平。
其中所选取的锁相环芯片为ADF4350，要求该芯片输出1GHz的点频。
该芯片的一些参数如下:1)输出频率范围为137.5MHz至4400MHz，其中VCO的压控输出范围为2200MHz至4400MHz，具有可编程的1/2/4/8/16分频输出。
2)输入频率范围为10至105MHz，最大鉴相频率为32MHz。
3)在外接电阻为5.1K的情况下，电荷泵输出的最大电流为5mA。
4)VCO的压控增益为33MHz/V，归一化相噪水平为-213dBc/Hz，在输出为2.2GHz的情况下，其相噪水平分别为：-89dBc/Hz@10KHz，-114dBc/Hz@100KHz。
另外我们取参考输入为25MHz，鉴相频率也为25MHz，我们选择VCO输出直接分频模式，即VCO输出4GHz，则N=4000/25=160。
晶振的相噪水平为:-113dBc/Hz@1KHz,-121dBc/Hz@10KHz,-128dBc/Hz@100KHz。
我们选取三阶无源滤波结构，环路带宽设置为20KHz，相位裕度为45°-50°。
一，PLL环路滤波的仿真首先我们先用ADS仿真环路参数。
利用ADS自带的PLL仿真模块，按照以上要求设置好之后就得到了图一的仿真原理图。
图一 PLL的ADS仿真原理图其中以上模块包括了PLL的闭环特性、参数设置区、PLL的开环特性、环路滤波器部分以及仿真所需要的仿真器和优化目标等。
根据我们仿真的要求，我们只需要把PLL的参数区设置成如图二所示的即可。
图二 PLL变量区的参数设置在图二中，VAR1部分的Kv为VCO的鉴相增益，Id为CP的输出电流，NO为分频因子。
VAR2的五个参数为环路滤波器的参数值，其范围是可以设置的。
VAR3部分的UnityGainFreq为期望的环路带宽值，我们定为20KHz。
Min_Phase_Margin 和Max_Phase_Margin分别是最小和最大的相位裕度值，我们希望相位裕度的值为45至50度。
锁相环电路的仿真设计
锁相环的ADS仿真实验报告一．ADF4113芯片介绍1.概述频率合成器中的ADF4113可用于在上变频和下变频上执行本地振荡器，无线接收器和发送器部分。
他们包括一个低噪声数字PFD（相位频率侦测器），一个精密电荷泵，一个可编程参考分频器，可编程A和B计数器和一个双模预置分频器性（P/P+1）。
A（6-bit）和B（13-bit）计数器，会同双模分频器性（P/P+1），实现一个N分频器（N =BP+A）。
此外，14位的参考计数器（R计数器）在PFD 输入时允许投入可选REFIN频率。
如果用合成器被一个外部环路滤波器和电压控制振荡器使用，那么一个完整的PLL（锁相环）就可实现。
该器件工作在2.7 V至5.5 V的电压供应范围内，并且可以不使用时使其开路。
2.电路描述参考输入部分：参考输入级如图24。
SW1和SW2是常闭开关。
SW3是常开。
当电源关闭时，SW3是封闭的和SW1和SW2打开。
这将确保在电源关闭在REFIN引脚上没有加载。
射频输入级：RF输入阶段如图25所示。
其次是一个2级限幅放大器生成一个CML（电流模式逻辑）时钟电平所需的预分频器。
预分频器性（P / P+1）该双模预置分频器性（P / P+1），随着A和B计数器，使大型分频比，N，实现（每组的BP +A）。
该双模预分频器，操作在CML时钟电平，对CMOS A 和B计数器需要设置时钟从射频输入级平台并划分到了可管理的频率。
预分频器是可编程的。
它可以设置软件到达8 / 9，16/17，32/33，或64/65。
它是基于同步4 / 5的核心。
A和B计数器A和B的CMOS计数器连结模数双重预分频器，使其允许在一个广泛的区域的PLL反馈比例不等计数器。
计数器将被指定的工作，当预分频器的输出小于等于200MHz。
因此，随着一个 2.5GHz的RF输入，分频器16/17的频率值是有效的，但对8 / 9值无效。
相位频率侦测器（PFD）和电荷泵在PFD需要从R计数器和N计数器输入（N=BP + A）并且按比例生成的、输出相位和它们之间的频率差。
PLL(锁相环)电路原理及设计 [收藏]讲解
![PLL(锁相环)电路原理及设计 [收藏]讲解](https://img.taocdn.com/s3/m/9774d52587c24028905fc314.png)
PLL(锁相环电路原理及设计[收藏]PLL(锁相环电路原理及设计在通信机等所使用的振荡电路，其所要求的频率范围要广，且频率的稳定度要高。
无论多好的LC振荡电路，其频率的稳定度，都无法与晶体振荡电路比较。
但是，晶体振荡器除了可以使用数字电路分频以外，其频率几乎无法改变。
如果采用PLL(锁相环(相位锁栓回路，PhaseLockedLoop技术，除了可以得到较广的振荡频率范围以外，其频率的稳定度也很高。
此一技术常使用于收音机，电视机的调谐电路上，以及CD唱盘上的电路。
一 PLL(锁相环电路的基本构成PLL(锁相环电路的概要图1所示的为PLL(锁相环电路的基本方块图。
此所使用的基准信号为稳定度很高的晶体振荡电路信号。
此一电路的中心为相位此较器。
相位比较器可以将基准信号与VCO (Voltage Controlled Oscillator……电压控制振荡器的相位比较。
如果此两个信号之间有相位差存在时，便会产生相位误差信号输出。
(将VCO的振荡频率与基准频率比较，利用反馈电路的控制，使两者的频率为一致。
利用此一误差信号，可以控制VCO的振荡频率，使VCO的相位与基准信号的相位(也即是频率成为一致。
PLL(锁相环可以使高频率振荡器的频率与基准频率的整数倍的频率相一致。
由于，基准振荡器大多为使用晶体振荡器，因此，高频率振荡器的频率稳定度可以与晶体振荡器相比美。
只要是基准频率的整数倍，便可以得到各种频率的输出。
从图1的PLL(锁相环基本构成中，可以知道其是由VCO，相位比较器，基准频率振荡器，回路滤波器所构成。
在此，假设基准振荡器的频率为fr，VCO的频率为fo。
在此一电路中，假设frgt;fo时，也即是VC0的振荡频率fo比fr低时。
此时的相位比较器的输出PD会如图2所示，产生正脉波信号，使VCO的振荡器频率提高。
相反地，如果frlt;fo时，会产生负脉波信号。
(此为利用脉波的边缘做二个信号的比较。
如果有相位差存在时，便会产生正或负的脉波输出。
一种捷变频锁相环设计研究
一种捷变频锁相环设计研究厉家骏;张福洪;陆家明【摘要】VCO预置电压技术为实现锁相环快速锁定提供了较好的解决方案.分析了电压预置的原理的实现可行性和针对具体PLL的优化设计.提出了电压预置技术具体的系统实现流程和电压预置后可能会产生环路失锁等现象,通过一些具体辅助电路的加入来解决快速跳频和环路锁定的问题.运用ADS仿真设计软件搭建PLL框架,观察预置电压后的锁定时间.仿真结果表明,使用该技术后环路的锁定时间大幅度缩短.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2015(048)010【总页数】4页(P1192-1195)【关键词】锁相环;捷变频;电压预置;频率合成器【作者】厉家骏;张福洪;陆家明【作者单位】杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN911.8经历80年的时间沉淀，频率合成技术的理论已经达到了一定的高度。
在电子系统方面的应用实践也日益增加，频率合成技术也相继的走向成熟，也逐渐的走向辉煌。
频率源作为电子系统的关键设备之一，同时也作为跳频系统中不可或缺的一部分，对整个系统起到了关键性作用。
跳频通信系统被作为当代军事，雷达和卫星导航的热门话题，那么一个好的频率源对整个跳频系统来说是至关重要。
在现代局部战争中，电子对抗与反对抗都对频率合成器的性能提出了新的较高的要求，而快跳频率源[1]为抗干扰，抗捕获提供了重要的保证。
所以本设计的核心内容是对频率源的频率切换速度进行提高即致力于研究一个快速跳频的频率合成系统。
一般的锁相环(Phase Locked Loop，PLL)式频率合成系统的跳频时间都在几十微秒至二百微秒，如果能将跳频时间缩短到10 μs以内，那么会对频率合成系统的研制和跳频通信系统的发展都有着重要的意义。
而由HITTITE公司出的HMC830、HMC833等PLL芯片内部均采用了电压预置的手段来提高跳频速度。
PLL 锁相环的ADS 仿真
（4） N是环路的分频比，即θb=θo/N（fbak=fout/N）； 因此锁相环的开环传递函数为：
Gk (s)
=
θb θi
=
Kd
i
Z(s) i
Kv s
i
1 = Kd Kv Z(s) N Ns
闭环传递函数为：
（1）
Φ(s) = G(s) = NKd KvZ (s) 1 + Gk (s) Ns + Kd Kv Z (s)
⑹频谱纯度： 该指标由输出信号的相位噪声和杂散来衡量，带内相位噪声主要由参 考源、鉴相器和电荷泵决定，带外相位噪声主要由 VCO 决定。
我们使用的锁相环芯片的鉴相器输出通常是基于电荷泵结构的，因此下面均以电荷泵锁 相环为例进行讲解。对于基于电荷泵结构的锁相环，其锁定或接近锁定时可近似等效为一个 线性的反馈系统，其系统框图如下：
⑵频率稳定度： 在一定时间间隔内，频率的相对变化程度(f-fo)/fo，单位一般为ppm
⑶频率精度：
（10-6）或ppb（10-9），该指标一般由参考源fref决定； 相邻两个输出频率的最小间隔，对于整数分频，其频率精度等于fref； 对于小数分频，其频率精度可为任意小；
博客：
ω/(rad/s) 幅值裕度
ωg
ω/(rad/s)
-90
相位裕度γ -180
图 3 锁相环开环传递函数的伯德图 图中，ωc为环路增益降为 0dB时的频率，即通常所说的环路带宽。幅值裕度和相位裕 度是描述系统稳定程度的两个关键参数，定义如下：
幅值裕度 = −L[Gk (ωg )]
（3）
相位裕度=γ = 180 + ϕ(ωc )
的中间值； 5. 仿真所需的仿真器、优化器、优化目标及公式编辑器。 我们先来看第 1 部分：
锁相环PLL设计调试小结
锁相环设计调试小结一、系统框图二、锁相环基础知识及所用芯片资料（摘录）（一）、并行输入 PLL （锁相环）频率合成器MC145152-2MC145152 是 MOTOROLA 公司生产的大规模集成电路，它是一块采用并行码输入方式设定，由16根并行输入数据编程的双模 CMOS-LSI 锁相环频率合成器，其内部组成框图如图 3-32-3 所示。
N 和 A 计数器需要 16 条并联输入线，而 R 计数器则需要三条输入线。
该芯片内含参考频率振荡器，可供用户选择的参考频率分频器（12X8 ROM 参考译码器和12BIT ÷R 计数器组成的参考频率fr ），双端输出相位检测器，逻辑控制，10比特可编程序的÷N(N=3~1023) 计数器和 6比特可编程的÷A(A=3~63)计数器和锁定检测部分.10比特 ÷ N 计数器，6 比特÷ A 计数器，模拟控制逻辑和外接双模前置分频器(÷P /÷P +1)组成吞食脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：N T =P*N+A 。
MC145152 的功能：* 借助于 CMOS 技术而取得的低功耗。
* 电源电压范围 3~9V 。
* 锁相检测信号。
* 在片或离片参考振荡器工作。
* 双模并行编程。
* N 范围 =3~1023,A 范围 =0~63。
*用户可选的 8 个 R 值：8 ，64 ， 128 ， 256 ， 512 ， 1024 ， 1160 ，2048． * 芯片复杂度——8000 个场效应管或 2000 个等效门。
鉴相器MC145152 环路滤波器 LPF压控振荡器 MC1648分频器MC12017频率输出引脚说明：N0-N9 （11-20 ）：÷ N 计数器的编程输入端。
当÷ N 计数器的计数为0 时，这N个输入供给预置÷ N 计数器的数据。
N0 为最低位，N9 为最高位。
ModelSim仿真PLL模块
一概述设计锁相环(PLL)的IP核，并完成在ModelSim中的仿真测试。
锁相环常用在调频和分/倍频设计中。
难点：在ModelSim中实现IP核的仿真。
二锁相环IP设计1 在Quartus Tools MegaWizard Plus-In Manager中创建IP核，选择I/O 中的ALTPLL核，并输入文件名称后点“Next”。
注意路径名不能有中文！2 对锁相环进行常规设置为芯片的速度等级，如EP4CE15E22C8的速度等级为8。
为输入的晶振频率，板上为50M晶振，则输入50。
3 其它配置选择默认，一直点Next，直到进入c0配置画面C0脚即为锁相环的输出，它可以倍频、分频和倍分频综合使用。
这里1为倍频系数，2为分频系数，3为相位差，4为占空比。
这里设c0为倍频，即2倍频，输出频率为100MHz。
4 设置c1~c4输出C0配置好后，点“Next”进入C1配置画面，选中“Use this clock”，并设置为分频，即2分频，25MHz。
同理c2设置相位差为90度，c3设置占空比为20，c4设置为混频。
5 生成源文件配置完c4脚后，点“Next”或“Finish”，则可看到仿真库文件。
这个文件在ModelSim仿真中需要使用。
点击“Next”，点中_init.v文件。
选中“Finish”结束设计。
6 添加文件到工程中设计结束后会自动弹出，点“Yes”7 复制仿真库文件将\altera\13.0\quartus\eda\sim_lib中的220model.v和altera_mf.v文件复制到工程目录。
8 编写测试文件打开myfifo_inst.v文件，另存为myfifo_tb.v，并改写成如下：三ModelSim进行仿真1 打开ModelSim，新建工程pll_tb。
2 将目录下的4个文件添加到工程3 选中其中一个文件，点编译4 点“Library work”，找到mypll_tb.v，右键点击，选中仿真。
pll 环路参数的计算与建模
标题：PLL环路参数的计算与建模引言：相位锁定环路（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常用的电子系统调频技术。
它可以将输入信号的频率与参考信号的频率进行同步，实现频率合成、时钟恢复等功能。
本文将详细介绍PLL环路参数的计算与建模方法，以帮助读者更好地理解和应用PLL技术。
一、PLL环路基本原理1.1 相位锁定环路的定义相位锁定环路是一种闭环控制系统，由相位比较器、积分环节、低通滤波器和VCO（Voltage-Controlled Oscillator，电压控制振荡器）组成。
通过不断调整VCO的频率或相位，使得输入信号与参考信号保持同步。
1.2 PLL环路的工作原理首先，相位比较器将输入信号与参考信号进行比较，得到相位误差信号。
然后，相位误差信号经过积分环节和低通滤波器处理后，控制VCO的频率或相位。
最终，VCO的输出信号被反馈给相位比较器，形成一个闭环控制系统。
二、PLL环路参数的计算2.1 带宽与稳定裕度PLL的带宽决定了其响应速度和稳定性。
带宽越大，系统的追踪能力越强，但也容易产生噪声和震荡。
带宽的计算可以根据系统的要求和参考信号的频率来确定。
稳定裕度是指PLL系统在输入信号频率变化时的稳定性，一般通过相位裕度和增益裕度来描述。
2.2 频率分辨率与拉RANGE频率分辨率是指PLL系统能够分辨的最小频率变化量，它与VCO 的调谐范围（拉RANGE）有关。
拉RANGE表示VCO可以调整的频率范围，一般由VCO的设计参数确定。
频率分辨率的计算可以通过拉RANGE除以分辨率比得到。
2.3 相位噪声与抖动相位噪声是指PLL系统输出信号在频谱上的相位随机变化。
抖动是指PLL系统输出信号的周期性相位扰动。
相位噪声和抖动对于某些应用场合具有重要影响，一般需要根据系统需求进行计算和优化。
三、PLL环路的建模方法3.1 传递函数模型传递函数模型是一种常用的PLL环路建模方法，通过建立输入信号与输出信号之间的传递函数关系，可以分析PLL系统的频率响应和稳定性。
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⑷频率范围： 锁相环系统输出频率的范围，该指标由 VCO 频率范围和锁相环芯片 内的分频器共同决定；
⑸换频时间： 锁相环系统输出信号从一个频率切换到另一个频率时，其输出从突变 到重新进入稳定状态所用的时间，该指标由系统阻尼系数和环路带宽 决定；
的中间值； 5. 仿真所需的仿真器、优化器、优化目标及公式编辑器。 我们先来看第 1 部分：
图 11 鉴相增益、滤波器器件值、VCO 压控增益和分频值等各模块的参数都被设置成变量，统一 放在第 2 部分的变量设置区内进行设置。信号源不需要设置。
第 3 和第 4 部分情况与第 1 部分类似，我们不需要做任何改动。 第 2 部分是环路参数配置区，我们需要根据实际的系统参数和设计目标做一些改动。改 动后如下图所示：
变，迫使fout变化到对应的频率，以保证fbak与fref相等。也就是说，我们可以通过改变fref使fout 变化到我们希望的频率，同时fout还能够自动跟踪fref的变化，这个特点使PLL能够用作频率合 成器和调制/解调器。
2.锁相环性能参数
锁相环系统有以下几个较为重要的技术指标：
⑴频率准确度： 实际输出频率fout与标称输出频率fo之差，一般由分频数N与参考源fref 决定；
ω/(rad/s) 幅值裕度
ωg
ω/(rad/s)
-90
相位裕度γ -180
图 3 锁相环开环传递函数的伯德图 图中，ωc为环路增益降为 0dB时的频率，即通常所说的环路带宽。幅值裕度和相位裕 度是描述系统稳定程度的两个关键参数，定义如下：
幅值裕度 = −L[Gk (ωg )]
（3）
相位裕度=γ = 180 + ϕ(ωc )
（4） N是环路的分频比，即θb=θo/N（fbak=fout/N）； 因此锁相环的开环传递函数为：
Gk (s)
=
θb θi
=
Kd
i
Z(s) i
Kv s
i
1 = Kd Kv Z(s) N Ns
闭环传递函数为：
（1）
Φ(s) = G(s) = NKd KvZ (s) 1 + Gk (s) Ns + Kd Kv Z (s)
目前生产 PLL 芯片的知名厂商有：模拟器件公司（ADI）、美国国家半导体公司（NS）、 德州仪器（TI）等。他们的代表型号分别有 ADF4111（ADI）、LMX2346（NS）、TRF3750 （TI）。
1.基本工作原理
锁相环包括四个基本模块：压控振荡器（VCO）、鉴相器（PD）、分频器（Div）和环路 滤波器（LPF），如下图
图 1 锁相环基本框图
压控振荡器（VCO）： 产生射频信号。其输出频率受到控制电压的影响，大多数 VCO 的输
出频率随控制电压升高而升高，即具有正斜率；
分频器（Div）：
对 VCO 的输出频率进行分频，使频率降下来以便于处理；
鉴相器（PD）：
对输入的参考频率（相位）fref和分频后的fbak进行比较，根据频率（相 位）之差产生对应的输出电压；
频率合成器
图6 查看环路频率响应
图7
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ADF4111 的鉴相器基于电荷泵结构
图8
采用无源 3 阶环路滤波器，此时系统 为 4 阶系统
图9 选择完毕后，点击 OK 进行确认，系统会根据这些选项自动为我们生成如下的仿真原理图模 板：
(C1
+
C2
)s2
(1
+
R2C1C2 C1 + C2
s)
（5） （6）
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Z(s)
Icp
uc
R2 C1
C2
图 4 2 阶无源环路滤波器
令 T1
=
R2C1C2 C1 + C2
典型的锁相环开环传递函数伯德图为：
（2）
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L(Gk)/(dB) 20logK 0
-20dB/dec -40dB/dec -20dB/dec
ωc
f (Gk)/(°) 0
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PLL 锁相环的 ADS 仿真
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说明
这是本人的一点学习总结，希望对初学锁相环/合成器的学弟学妹 们有用。锁相环技术是基于反馈理论的，因此学习锁相环/合成器最 好先学习《自动控制》。
噪底为-150 dBc/Hz； ⑹ 系统频率间隔： 200kHz； 由于 ADF4111 是整数分频芯片，因此鉴相频率应选为系统频率间隔，即 200kHz，则参
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考分频器的分频比应设置为 50，射频分频器的分频比应设置为 4500±50；芯片的电荷泵电 流我们选取典型值 5mA。
⑵频率稳定度： 在一定时间间隔内，频率的相对变化程度(f-fo)/fo，单位一般为ppm
⑶频率精度：
（10-6）或ppb（10-9），该指标一般由参考源fref决定； 相邻两个输出频率的最小间隔，对于整数分频，其频率精度等于fref； 对于小数分频，其频率精度可为任意小；
博客：
（4）
其中，L(Gk)=20logGk 。 工程中，系统的幅值裕度一般会设计为>6dB，即系统开环增益再变大 2 倍也不会到达
不稳定状态。而相位裕度一般要求为 30°~60°，通常取 45°。若相位裕度加大，系统响应 的过渡过程会变长。
3.环路滤波器的计算
在实际的工程应用中，分频器、鉴相器与电荷泵这三部分都已经被封装于锁相环 IC 里， 工程师所需要做的基本上只是根据系统要求计算出合适的环路滤波器并调试。
θi +
θe
-
θb
鉴相器 PD
Kd
低通滤波器 LPF
压控振荡器 VCO
uc
θo
Z(s)
Kv/s
分频器
Div
1/N
图 2 电荷泵锁相环的系统框图
其中（1）
Kd是鉴相器与电荷泵的鉴相增益， Kd
=
I cp 2π
，Icp为电荷泵的充放电电流；
（2） Z(s)是环路滤波器的传输函数；
（3） Kv是VCO的压控增益，单位是弧度/伏；因为VCO是一个积分环节，所以它的 传输函数分母中含有一个积分算子s；
博客：
低通滤波器（LPF）： 对鉴相器输出的电压进行滤波，为 VCO 提供干净的控制电压，同时
为系统提供一定的稳定裕量，该低通滤波器也称为环路滤波器。
PLL是一个频率/相位的自动控制系统：假如fout偏离期望的频率，则fbak会与fref产生一定 的频差，此时鉴相器会根据该频差输出对应的控制电压去迫使fout回到期望的频率；当fref变 化时，鉴相器的两个输入频率会产生一定的频差，接着鉴相器输出电压会随频差的大小而改
本人只是应用工程师，不是做理论的，理论知识比较欠缺，所以 有不对的地方请大家指正~~
最后希望大家尊重知识，请不要用于商业用途。
2009 年 2 月 上海
博客：
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锁相环基础
在通信系统中产生可变的本振信号（LO）的方法有以下几种：倍频/混频、直接数字频 率合成（DDS）和锁相环技术（PLL）。其中倍频/混频方法杂散较大，谐波难以抑制；DDS 器件工作频率较低且功耗较大，而 PLL 技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等优 点，是现阶段主流的频率合成技术。
图 5 ADF4111 功能框图 以下是 ADF4111 的一些性能参数，详见数据手册： ⑴ RFINA为射频信号输入口，其信号来自VCO，该端口能接受的输入频率范围是 80
MHz ~1200MHz，3V供电时输入信号的幅度范围-15dBm~0 dBm； ⑵ REFIN为参考信号输入口，其信号来自参考源（如TCXO），该端口能接受的输入频
率范围是 5 MHz ~104 MHz，输入幅度要求至少为-5 dBm； ⑶ 鉴相器能接受的最大的输入频率为 55 MHz，因此需要确保分频后fref和fbak不超过该
值；
⑷ 电荷泵电流Icp可通过写寄存器控制，一共有 8 档，其范围由外部电阻Rset决定； ⑸
下面以一实际案例来讲解如何利用 ADS 计算合适的环路滤波器并估算其锁定时间和相 位噪声。
设一窄带项目采用 PLL 芯片为 ADF4111，各个系统模块的参数如下： ⑴ VCO 输出频率： 900MHz±10MHz； ⑵ VCO 压控增益： 12MHz/V； ⑶ VCO 相位噪声： -30dBc/Hz@10Hz，-80dBc/Hz@1kHz，-120dBc/Hz@100kHz，噪
底为-140 dBc/Hz； ⑷ 参考源频率： 10MHz； ⑸ 参考源相位噪声：-90dBc/Hz@10Hz，-130dBc/Hz@1kHz，-145dBc/Hz@100kHz，
⑹频谱纯度： 该指标由输出信号的相位噪声和杂散来衡量，带内相位噪声主要由参 考源、鉴相器和电荷泵决定，带外相位噪声主要由 VCO 决定。
我们使用的锁相环芯片的鉴相器输出通常是基于电荷泵结构的，因此下面均以电荷泵锁 相环为例进行讲解。对于基于电荷泵结构的锁相环，其锁定或接近锁定时可近似等效为一个 线性的反馈系统，其系统框图如下：
, T2
=
R2C2 ，把上式的
s
换成
jω，则有
Gk ( jω) = −