锁相技术课程论文设计模版

目次
1 引言 (1)
2.原理分析 (2)
2.1 鉴频 (4)
2.2锁相环的工作原理 (5)
2.3锁相鉴频器的工作原理 (6)
3.systemview仿真过程 (7)
3.1 建立仿真模型 (8)
3.2 仿真结果分析 (9)
4.结论 (10)
5.参考文献 (11)
1 引言
鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。

按用途可分为两类。

第一类用于调频信号的解调。

常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。

第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。

对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频 -- 调幅调频变换型。

这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。

第二类是相移乘法鉴频型。

这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。

因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。

第三类是脉冲均值型。

这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。

2原理分析
2.1鉴频
调频波(FM)解调称为频率检波，简称鉴频。

实现调频波解调的方法有很多，常见的方法有：a．斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频，这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件，电路形式比较复杂不易于集成；b．移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频，这些鉴频器易于集成，但移相乘积鉴频器内部噪声较大，脉冲均值鉴频器线性好、频带宽，但中心频率范围较低；c．锁相环鉴频，它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法，具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点，所以被广泛应用在通信电路系统中。

实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频-- 调幅调频变换型。

这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。

第二类是相移乘法鉴频型。

这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。

因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。

第三类是脉冲均值型。

这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。

鉴频器是一种具有移相鉴频特性的的陶瓷滤波元件，主要用在电视机或录像机的伴音中频放大或解调电路中以及FM调频收音机的鉴频器电路中。

它分为平衡型和微分型两种类型，前者用于同步鉴相器作平衡式鉴频解调，后者用于差分峰值鉴频器作差动微分式鉴频解调。

德键调频音频窄带型JTCV10.7M系列贴片鉴频器，搭配多种IC应用于FM程序检验，转换频率为有用的音频信号。

2.2锁相环的工作原理
锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相环(或相位比较器,记为PD或PC):是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.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,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。

⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性
关系。

在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。

锁相环为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud 。

Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。

Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

图1为上述三个部分组成PLL的方框图，它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。

如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。

由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Vd(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。

如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。

相反，若VCO 输出频率高于输入基准信号，相位比较器的输出会下降，使VCO锁定在输入基准信号的频率。

图1 PLL组成方框图
2.3 锁相鉴频器的工作原理
锁相鉴频器原理框图如图1所示。

当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO(压控振荡器)就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。

这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。

图2 锁相鉴频器原理框图
3 SystemView仿真过程
3.1建立仿真模型
由上面的论述分析，参照鉴频器信号的调制解调原理框图，在通信仿真软件Systemview 中建立完整仿真模型如图所示。

说明：参照图建立的鉴频器调制模块，也称间接法调频；解调模块由相干解调和积分鉴频器解调两种方法组成，在积分鉴频器中完成90°相移的部分又分延迟法和希尔伯特法两种。

在实际仿真中，仿真参数可根据实际情况灵活改变，以期达到较好的仿真效果。

需要特别说明的是延时Delay的设置：假设载波频率为500 Hz，设仿真系统的采样频率为2 000 Hz，它刚好是载波的4倍，即系统采样周期(1／2 000=500 μs)为载波周期的1／4。

可以选择刚好延迟一个系统采样周期500μs，也就是延迟了载波周期的1／4，从而实现相移90°的目的。

3.2仿真结果分析
运行仿真，完成后直接由SystemView分析窗口中导出结果波形。

下图为SystemView接收计算器计算出来的信号的频谱图(放大之后只取了单边)，中心是500 Hz的载频分量，正的上边频(图中两侧的小凸起)位于505 Hz处，负的下边频位于495 Hz处，符合事先对鉴频器信号频谱的估计。

看起来鉴频器与熟悉的AM频谱非常相似，作为对比，给出常规AM调幅信号的频谱图如图所示。

对比上下边频发现，鉴频器的下边频和AM反相。

为了进一步区分它们，可以画出其矢量相加图，如图所示。

从图中可以看到，由于下边频为负，它们的合成矢量与载波正交相加，使得鉴频器存在相位变化△φ。

当满足式(5)时，△φ非常小，引起的幅度变化可以忽略。

这是鉴频器属于角度调制，区分于AM的本质所在。

因为在AM中，上下边频的合成矢量与载波同相，不存在相位变化。

解调信号输出波形
延迟分析
实际仿真中，仿真参数可根据实际情况灵活改变，以期达到较好的仿真效果。

需要特别说明的是延时Delay的设置：假设载波频率为500 Hz，设仿真系统的采样频率为2 000 Hz，它刚好是载波的4倍，即系统采样周期(1／2 000=500 μs)为载波周期的1／4。

可以选择刚好延迟一个系统采样周期500μs，也就是延迟了载波周期的1／4，从而实现相移90°的目的。

结论
因此，分析介绍了模拟调制中常见的鉴频器基本原理，并在最后建立了SystemView 系统仿真模型。

基本给出了利用通信仿真软件分析问题的思路，即推导分析原理一画出原理框图一按照原理框图在SystemView中建立仿真模型一调整参数，运行仿真一分析仿真结果，给出结论。

熟悉了解这个过程，就可以充分利用相关EDA软件为研究通信问题服务，提高了科研效率。

实用文档
大全参考文献
1刘泉，通信电子线路.武汉：武汉理工大学出版社，2005
2张肃文，高频电子线路.北京：高等教育出版社，2004
3高吉祥，高频电子线路.北京：电子工业出版社，2005
4（美）贝斯特，锁相环设计、仿真与应用.北京：清华大学出版社，2007 5谢自美，电子线路设计、实验、测试.武汉：华中科技大学出版社。