用LabVIEW模拟锁相环
基于Multisim的锁相环解调系统仿真_毕业设计论文
LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 基于Multisim 的锁相环解调系统仿真兰州理工大学毕业设计基于Multisim的锁相环解调系统仿真PLL Demodulation System Simulation Based on Multisim莫伟杰（MoWeijie）09250107摘要实现调频波解调的方法有很多，而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频，具有工作稳定，失真小，信噪比高等优点，所以被广泛用在通信电路系统中。
锁相环其原理是通过鉴相检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制。
该文首先介绍了锁相环技术发展的现状、方向以及背景，并对PLL的原理进行了阐述。
在以上的基础上，分别设计了2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号，然后用锁相环进行解调，最后采用Multisim软件进行仿真。
在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。
在整个电路设计中，力求要做到电路简单，并完成任务书提到的要求。
关键词：调制；解调；Multisim；锁相环AbstrackThere are many ways to realize frequency wave demodulation, and PLL frequency which has the advantages of stable operation, small distortion, high signal-to-noise ratio and so on is achieved by using modern PLL frequency technology, so it is widely used in communication circuit system. Phase-locked loop through the difference of the phase detection of input signal and the output signal phase, and the detected phase difference signal into output voltage signal, the signal through a low pass filter. After the formation of the voltage control oscillator , the output signal of the oscillator frequency control.This paper first introduces the present situation, development direction, phase-locked loop technology as well as the background, and the principle of PLL is discussed. On the basis of the above, the modulation and demodulation circuit of 2ASK, 2PSK, 2FSK which function is a digital baseband signal is modulated by an analog signal and output were designed, and then useing the PLL demodulation, finally using Multisim software simulation. In the 2ASK, 2FSK, 2PSK demodulation, the output of the low pass filter waveform distortion is relatively large, but finally it can regenerate digital baseband pulse sampling decision circuit after shaping. In the circuit design, and strive to do a simple circuit, and complete the task book mentioned requirements.Keywords：modulate ；modulation ；PLL；Multisim目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究现状 (1)1.3 研究内容介绍 (2)第2章基本原理 (3)2.1 Multisim介绍 (3)2.2 锁相环基本原理 (5)2.2.1锁相环的基本组成 (5)2.2.2 锁相环的工作原理 (5)第3章调制解调电路设计 (8)3.1 2FSK调制解调电路设计 (8)3.1.1 2FSK调制电路设计原理 (8)3.1.2 2FSK调制单元电路的设计 (9)3.1.3 2FSK解调单元电路的设计 (12)3.1.4 2FSK解调电路的整体设计 (15)3.2 2PSK调制解调电路设计 (17)3.2.1 2PSK调制解调电路设计原理 (17)3.2.2 2PSK调制与解调电路的设计与仿真 (18)3.3 2ASK调制解调电路设计 (19)3.3.1 2ASK调制解调电路设计原理 (19)3.3.2 2ASK调制与解调电路的设计与仿真 (21)3.4 解调结果分析 (22)总结 (24)参考文献 (25)附录：(外文翻译) (27)致谢 (51)第1章绪论1.1 研究背景实现调频波解调的方法有很多，而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频方法，具有工作稳定失真小，信噪比高等优点，所以被广泛用在通信电路系统中。
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。
基于LabVIEW的电机转速控制系统设计
图 4 中 , V 1 产生模拟脉冲信号 , 参数设置如下 : 脉冲幅 值 3 V , 上升时间 10μs , 下降时间 10 μs , 脉宽 60 ms , 周期 125 ms , 频率 8 Hz 。R6 、R7 及 C5 的值根据滤波效果可调整 , 最后选定 R6 = 510 K , Rz = 30 K , C5 = 1μF 。此时具有最佳的 滤波效果 。
关键词 : 虚拟仪器 ; 锁相环 ; LabV IEW
System Design Electro - motor Rotational Speed Control Based on of LabVIEW
Li Nan , Teng Fei ( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiao Tong U niversity , Shanghai 200240 , China)
Key words : virt ual inst rument ; p hase locked loop ; LabV IEW
0 引言
振动焊接是一种在焊接过程中对焊接工件施加振动的新技 术 。该技术可以有效的提高工件焊接质量 , 并降低生产和时间 成本 。振动焊接是通过控制带有偏心块的电动机的振动频率来 工作的 , 因此 , 在对该技术的控制中 , 很重要的一项内容是控 制电动机的转速 。目前已有的振动焊接控制系统 , 对电机的转 速控制主要用单片机做硬件控制 , 以 C 语言做编程 。在操作 性及与其他软件的兼容性上存在一些不足 。本研究开发了以锁 相环为核心 , 以 N I 数据采集卡和 LabV IEW 为平台的电机转 速控制系统 , 该系统能够充分利用锁相环的精确锁相功能 , 实 现很高的控制精度 , 同时实现在软件界面上的控制操作 , 并且 能够与其他应用软件良好兼容 。很好的实现了对振动焊接工作 频率的控制 。
基于labview的锁相放大器实现
数字锁相相放大器-labview
1 引言自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。
后来又出现了模拟锁相放大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。
对于数字锁相放大器而言，又出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。
还有基于PC 的系统级模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C，C++等语言实现的。
由于整个系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
虚拟仪器(Virtual Instruments 简称VI)是基于计算机的数字化测量测试仪器，它是1986 年由美国国家仪器公司(National Instruments以下简称NI)首先提出的。
它要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济、更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。
NI 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。
使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。
本文就是依据虚拟仪器要求和锁相放大器的特性，详细介绍了基于虚拟仪器的锁相放大设计过程，应用这一设计技术研制了L-I-100 型光信号锁相检测实验仪。
这一仪器在实验和实际中得到了广泛的应用，尤其在微弱光信号检测方面的应用显得愈加重要。
2 锁相放大器原理简介2.1 锁相放大器的基本原理锁相放大器是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。
它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。
它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。
是从强噪声中提取弱信号的重要手段。
在国外常把这类仪器称为锁定放大器(Iock-in Amplifier) 。
利用Simulink对改进的平方锁相环进行了仿真
利用Simulink对改进的平方锁相环进行了仿真。
由于用FPGA实现时，可直接定义DDS为两路正交的输出，而在Simulink模型中，数控振荡器的输出仅为一端输出。
在此为了简单起见，搭建锁相环模型时用到了两个数控振荡器，为得到正交的输出只需要将两个数控振荡器的相位差定为π／2即可。
这样做不仅大大地简化了搭建模型的时间，而且对仿真本身没有任何影响，仿真核心部分如图5所示。
仿真条件：初始相差为π／3；初始频偏为5 kHz；调制方式为BPSK；码元速率为2 Mb／s；载波频率为4 MHz。
仿真模型如图6所示。
其中，Bernoulli BinaryGenerator和sine Wave模块分别产生伯努利分布的随机二进制数序列和载波信号，将随机二进制数序列通过简单的变换模块，生成双极性不归零码，再一起送人Product模块完成BPSK调制。
因为该仿真主要是验证算法的可行性，所以假设是在理想的信道下传输的。
在接收解调端，使用乘法器Product1完成平方功能，也可将该乘法器用绝对值模块等非线性器件模块代替。
Product2作为锁相环的鉴相器，并且该锁相环路为二阶环。
为了验证该算法的可行性，设置NCO的中心频率与发送载波频率之间有一定误差，控制灵敏度也可通过仿真实验确定。
为了更好地比较仿真结果，SineWavel模块的频率与NCO设置的中心频率一致，并将输出一起送进示波器进行观察分析。
示波器Scope2对比显示了双极性不归零码与相干载波乘积的输出和未经过锁相环路乘积的输出。
图7给出了乘以载波之后的信号波形(示波器的横坐标表示时间轴，物理符号是t，单位为s，物理量为2μs；纵坐标表示信号的强度)。
为了更加清晰地观察图形，图7波形是低通和抽样判决器之前的波形。
从图中对比不难看出，改进的锁相环路能够很好地将信号解调出来，从而达到了预想的效果，并通过仿真得知其仍然能够应用于相关的领域(如调制解调)，然而对于有相位差和频偏的载波已经不能解调出原始的信号了。
利用LabVIEW编写锁相放大器控制程序-
锁相放大器
• MODEL SR830 DSP Lock-In Amplifier
如果使用外加信号发生 器则需要同时输入参考 信号
待测信号输入（电流，电压）
参考信号输出
锁相放大原理
程序介绍-前面板
• 初始化设置以及扫描参数设置
GPIB地址
扫描选择： 信号幅度、 频率、相位
文件路径 是否来回扫描 扫描设置：范围、间隔
程序介绍-程序框图
• 参数写入步骤
厂商提供的LabVIEW驱动
程序介绍-程序框图
• 手动设置输出信号相位、幅度、频率、谐波数
程序介绍-程序框图
• 测量结果读取
程序介绍-程序框图
• 扫描——变量参数输出
扫描的时间间隔为200ms
索引数组
程序介绍-程序框图
• 扫描结果的输出和存档
波形图显示 写入文件
程序测试
• 通过锁相放大器输出正弦波信号，外借一个电阻后接地，
测量电阻两端电压
0.03Hz VS 扫描时间间隔200ms
总结
• 优点：
• 实现电脑端控制，简单，可远程操作，数据文件输出； • 实现锁相放大器原本没有的扫描功能； • 容易添加其它组件（如外置信号发生器）； • 方便与其他设备组合使用（如和PPMS组合实现低温强磁场的电输
利用LABVIEW编写锁相放大 器控制程序
张成（10300190055）
指导老师：谭砚文
主要内容
➢LabVIEW介绍 ➢锁相放大原理 ➢程序介绍
• 前面板：初始化设置、扫描设置、仪器参数设置、数据 波形图
• 程序框图：读取设置、写入设置、参数控制、扫描、输 出数据
➢总结 ➢致谢
LABVIEW介绍
基于虚拟仪器的软件锁相环系统设计
基于虚拟仪器的软件锁相环系统设计摘要本文基于LabVIEW的虚拟仪器技术,在介绍数字锁相环的原理、结构基础上对软件数字锁相环系统进行设计,并通过计算机仿真验证了该锁相环的可应用性,具有灵活通用的特性。
关键词虚拟仪器;锁相环;LabVIEW随着计算机技术的广泛应用和电子技术的高速发展,虚拟仪器技术应用于测试、控制以及信号的处理分析领域成为发展趋势。
数字锁相环技术在相同领域的应用使利用虚拟仪器技术设计数字锁相环成为需要和可能。
美国NI公司开发的LabVIEW软件是现在应用最广泛的虚拟仪器开发软件,工程师和科学家可以通过设计和调用特定的程序模块,高校快捷的创建自己的程序,不仅具有友好的人机界面,而且具有传统仪器中比较高端的存储、回显以及数字滤波等功能,更可以根据需要随时灵活修改程序,增加功能以满足更个性化的要求。
1 锁相环1.1锁相环锁相环分模拟锁相环、数字锁相环,随着计算机性能的不断提高,又有了软件锁相环。
其特点都是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
传统模拟锁相环由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)3部分组成。
1.2 软件锁相环本设计利用LabVIEW软件实现锁相环,属于软件锁相环。
不管哪种锁相环,其原理大同小异,但实现方法不一样。
本设计系统框图如图1所示。
Fin为外部参考信号,Fout为锁相环输出信号,经过鉴频鉴相器过后得出⊿f和⊿θ,从而调整Fout 输出,当⊿f和⊿θ为0时环路程锁定状态。
2 系统设计与实现2.1 环路反馈结构锁相环在鉴频、鉴相以及滤波之后需要反馈结构来调整生成特定的信号,LabVIEW软件在实现过程中通过While循环的移位寄存器(shifter),将本次循环结果送入下次循环,从而达到反馈结构功能。
2.2 信号产生模块LabVIEW软件提供了强大的信号产生功能函数,本设计调用Basic Function Generator .vi模块,它可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波4种常见波形,可以设置不同频率、幅值以及相位。
基于LabVIEW的锁相放大器及其应用
基于LabVIEW的锁相放大器及其应用物理学院? 07级崔? 龙? 20071001013韩恩道? 20071001028摘? 要：研究了基于LabVIEW的锁相放大器的实现方法，利用测量信号与两路参考信号的互相关将所需频率的微小信号锁定并进行测量。
两路有恒定相位差的参考信号的设计使得可通过计算直接输出被测信号的幅值。
制作了基于LabVIEW的锁相放大器原型并进行了初步测试。
将制作的锁相放大器应用在了利用声波的相位差定位的系统中。
关键词：LabVIEW，虚拟仪器，锁相放大器Abstract: Having a research on the Lock-in Amplifier (LIA) based on NI-LabVIEW, making use of the cross-correlation of the measured signal and the reference signal so that the tiny signal which is in the certain frequency can be locked and tested. The setting of two channels of reference signals make it possible to get the amplitude of the signal directly. A prototype of LIA based on LavVIEW is made. Then the LIA is used in a system which finds out the location of a sound source. Keywords: LabVIEW, VI, Lock-in Amplifier1.虚拟仪器和LabVIEW1.1 虚拟仪器技术1.1.1 概? 述虚拟仪器(Virtual instrument 简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
利用LabVIEW进行电子电路仿真与设计
利用LabVIEW进行电子电路仿真与设计近年来，随着科技的不断进步，电子电路在各行各业中扮演着越来越重要的角色。
为了提高电子电路的设计和测试的准确性，LabVIEW作为一款功能强大的虚拟仪器平台被广泛应用于电子电路的仿真与设计。
本文将介绍如何利用LabVIEW进行电子电路仿真与设计。
一、LabVIEW简介LabVIEW是由美国国家仪器公司（NI）开发的一种图形化编程环境。
它提供了丰富的函数库和工具，使得用户可以通过拖拽、连接和配置的方式来构建电子电路的仿真模型和测试程序。
相对于传统的编程语言，LabVIEW更加直观和易于理解，因此成为了许多工程师和科研人员的首选。
二、LabVIEW的电路模拟功能LabVIEW提供了一系列的模拟器件和函数，能够帮助用户构建包括电源、电阻、电容、电感等元件的电路模型。
通过拖拽和连接这些模拟器件，用户可以快速搭建起电路的拓扑结构，并配置其参数。
LabVIEW还提供了丰富的信号源和测量器件，使得用户可以直接在虚拟仪器界面上产生和测量各种信号，方便进行电路的测试和调试。
三、LabVIEW的仿真功能在电路搭建完成后，LabVIEW提供了强大的仿真功能，能够帮助用户对电路的性能进行评估和分析。
通过设置不同的输入信号和参数，LabVIEW可以对电路进行静态和动态的仿真，并输出各种性能参数，如电压、电流、功率等。
用户可以通过观察和分析这些参数，进一步改进和优化电路的设计。
四、LabVIEW的调试功能LabVIEW不仅提供了电路的仿真和分析功能，还可以帮助用户快速定位和解决电路中的问题。
当电路出现异常或者性能不达标时，用户可以利用LabVIEW提供的调试工具，对电路进行逐步调试。
LabVIEW的调试功能包括数据采集、波形显示、信号分析等，能够帮助用户准确定位到问题所在，并提供解决方案。
五、LabVIEW的电路设计功能除了仿真和调试功能，LabVIEW还具备强大的电路设计功能。
用户可以通过运用LabVIEW中的算法和模块，进行电路的分析和设计。
基于labview锁相调频与鉴频电路远程实验的开发
学校代码：10255学号：2131195基于LabVIEW锁相调频与鉴频电路远程实验的开发THE DEVELOPMENT OF REMOTE EXPERIMENT ABOUT “PLL FREQUENCY MODULATION & DEMODULATIONCIRCUITS” BASED ON LABVIEW学院：信息科学与技术学院专业：电子与通信工程姓名：霍然导师：叶建芳2015年5月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。
论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。
本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本版权书。
本学位论文属于不保密□√。
学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日基于LabVIEW锁相调频与鉴频电路远程实验的开发摘要随着测量仪器向着数字化、计算机化的方向发展，虚拟仪器正逐渐取代了传统的测试仪器。
在实验中使用虚拟仪器，不但可以节省大量仪器的经费投入，免去维护仪器的复杂工作及排除仪器故障所需的大量时间与精力，同时也能够调动学生的积极性，使学生更加专注于对知识的理解而不是仪器的调试。
由美国NI(National Instruments)公司开发的Multisim软件平台将原理图输入、工业标准的SPICE仿真集成在同一环境中，可方便地仿真和分析电路。
模拟锁相环实验实验报告
实验十四模拟锁相环实验一、实验目的1、了解用锁相环构成的调频波解调原理。
2、学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。
二、实验内容1、掌握锁相环锁相原理。
2、掌握同步带和捕捉带的测量。
三、实验仪器1、1号模块 1块2、6号模块 1块3、5号模块 1块4、双踪示波器 1台四、锁相环的构成及工作原理1、锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为V i(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。
下面逐一说明基本部件的作用。
鉴相器PD 环路滤波器LF压控振荡器VCO)(t V i)(tVD)(tVC)(tV 图14-1 锁相环组成框图一、压控振荡器（VCO）VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，也就是一个电压－频率变换器，实际上还有一种电流－频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。
二、鉴相器（PD ）PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号V 0(t)与输入信号V i (t)之间的相位差θe (t)，并把θe (t)转化为电压V d (t)输出，V d (t)称为误差电压，通常V d (t)作为一直流分量或一低频交流量。
三、环路滤波器（LF ）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在V d (t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe (t)大小的控制信号V e (t)。
按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V 0(t)与V i (t)的相位差θe (t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压V d (t)，此误差电压经LF 滤波后得到V c (t)，由V c (t)去改变VCO 的振荡频率使趋近于输入信号的频率，最后达到相等。
环路达到最后的这种状态就称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即)()(t t V e d θ∝因此在锁定状态，θe (t)不可能为零，换言之在锁定状态V 0(t)与V i (t)仍存在相位差。
用LabVIEW模拟锁相环
用LabVIEW模拟锁相环毕业设计(论文)中文摘要毕业设计(论文)外文摘要目录1 引言1.1 LabVIEW概述1.2 LabVIEW 工作环境1.2.1 LABVIEW 的工作窗口1.2.2 LabVIEW的操作模块1.2.3 虚拟仪器程序（VI）的基本组成2 锁相环理论介绍2.1 锁定与跟踪的概念2.1.1锁相环理论分析2.1.3环路组成3 虚拟锁相环电路的具体实现3.1正弦鉴相器的实现3.1.1正弦鉴相器理论分析3.1.2正弦鉴相器虚拟转换3.2 滤波器（LF）3.3 压控振荡器(VCO)4 子VI4.1 时钟发生器的实现4.2移位寄存器的实现4.3分频器的实现4.4子VI的具体实现步骤5 程序的前面板图和程序图结论参考文献1 引言锁相环路（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广泛的应用。
锁相环路具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可以提供一系列频率稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。
它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。
它具有低门限特性，可以大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
对所相环路的研究需首先建立完整的数学模型，继而以模型为基础，用LabVIEW实现其各种工作状态下的性能与指标，诸如跟踪、捕获等等。
1.1 LabVIEW概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Workbench, 实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言 )的虚拟仪器软件开发工具。
用LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。
LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷轻松的设计环境。
基于LabVIEW的软件数字锁相环实现
图 5 鉴相器程序框图
2. 2. 3 仿真信号产生模块 该模块通过调用两个子模块分别提供正弦信号
图 6 仿真信号产生模块
1期
孙秀桂 ,等 :基于 LabV IEW 的软件数字锁相环实现
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3 测试结果
实验时 ,以产生输出 14 Hz正弦波信号为例 。 采用正弦波信号发生器产生正弦波作为输入信号 , 对仪器进行实验 。当 w i = 14, w0 = 13 且 2. 4 ≤k0 ≤ 5. 3时可捕获信号 ; 当 w i = 110, w0 = 100 且 k0 = 7. 7
参 考 文 献
1 张东升 ,张东来 ,王 陶 ,等. 基于 Lyppunov函数的全数字锁相环
的优化设计. 电工技术学报 , 2008; 23 (11) : 109—114 2 刘东华 ,赵 彬 ,刘志国. 基于软件锁相环的测频方法研究. 电子
测量技术 , 2008; 31 (4) : 33—35 3 屈 强 ,刘东华 ,杨 君 ,等. 软件锁相环的设计与应用. 遥测遥
大学出版社 , 2003
80
科 学 技 术 与 工 程
10卷
D esign of Softwareand D ig ita l Pha se2locked L oop Ba sed on LabV IEW
SUN Xiu2gui, ZHANG Hong2bin1 , ZHANG Shu2chao
摘 要 锁相环在测控 、数字信号处理等领域有着广泛的应用 。软件锁相环成为锁相环发展的趋势之一 ,根据锁相环路的基 本组成及原理 ,利用 LabV IEW 软件提供的强大的数值计算和信号分析等能力对软件数字锁相环进行设计 。实验和仿真结果 表明该软件锁相环具有较好的捕获和跟踪性能 。利用软件实现的锁相环比硬件锁相环具有更好的灵活性和通用性 ,同时具有 结构简单 、参数设计灵活等优点 。 关键词 软件锁相环 LabV IEW 鉴相器 子 V I 中图法分类号 TN91119; 文献标志码 A
锁相环应用电路仿真
高频电子线路实训报告锁相环路仿真设计专业学生姓名学号2015 年 6 月24日锁相环应用电路仿真锁相环是一种自动相位控制系统，广泛应用于通信、雷达、导航以及各种测量仪器中。
锁相环及其应用电路是“通信电子电路”课程教学中的重点内容，但比较抽象，还涉及到新的概念和复杂的数学分析。
因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难。
为此，我们将基于Multisim的锁相环应用仿真电路引入课堂教学和课后实验。
实践证明，这些仿真电路可以帮助学生对相关内容的理解，并为进行系统设计工作打下良好的基础。
锁相环的应用电路很多，这里介绍锁相环调频、鉴频及锁相接收机的Multisim仿真电路。
1.锁相环的仿真模型首先在Multisim软件中构造锁相环的仿真模型(图1)。
基本的锁相环由鉴相器(PD)、环路滤波器(I P)和压控振荡器(VCO)三个部分组成。
图中，鉴相器由模拟乘法器A 实现，压控振荡器为V3，环路滤波器由R1、C1构成。
环路滤波器的输出通过R2、R3串联分压后加到压控振荡器的输入端，直流电源V2用来调整压控振荡器的中心频率。
仿真模型中，增加R2、R3及的目的就是为了便于调整压控振荡器的中心频率。
图1 锁相环的仿真模型2.锁相接收机的仿真电路直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。
采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。
其结构原理如图2所示。
图2 锁相环调频电路的原理框图实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，也就是说，锁相环路只对慢变化的频率偏移有响应，使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上。
而随着输人调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。
图3 锁相环调频的仿真电路根据图2建立的仿真电路如图3所示。
图中，设置压控振荡器V1在控制电压为0时，输出频率为0；控制电压为5V时，输出频率为50kHz。
这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz，为此设定直流电压V3为2.5V。
基于LabVIEW FPGA的三相锁相环设计与实现
基于LabVIEW FPGA的三相锁相环设计与实现
孙备;鲁琴;杜列波;李贞屹
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(22)8
【摘要】针对传统FPGA模式开发的锁相环在实时人机交互方面的不足,设计了基于LabVIEW FPGA技术的三相锁相环;方案以sbRIO-9631模块为硬件平台,利用LabVIEW编程控制FPGA逻辑,在FPGA中分三级流水线实现了基于dq变换的锁相环算法,并通过FIFO实时上传采集信号、锁定相位至PC机,最后在PC机上实现对锁相环性能分析、PI参数调控和数据显示;经过实验,该锁相环具有较高的精度,锁相时间约为两个周期,锁相误差约为0.03 rad,通过PC机可实时调节锁相性能.【总页数】3页(P2603-2605)
【作者】孙备;鲁琴;杜列波;李贞屹
【作者单位】国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073;63758部队,福建厦门361023
【正文语种】中文
【中图分类】TP368
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基于Matlab的数字锁相环的仿真设计_毕业论文设计
毕业论文设计基于Matlab的数字锁相环的仿真设计摘要：锁相环是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动跟踪系统。
它广泛应用于无线电的各个领域，并且，现在已成为通信、雷达、导航、电子仪器等设备中不可缺少的一部分。
然而由于锁相环设计的复杂性，用SPICE对锁相环进行仿真，数据量大，仿真时间长，而且需进行多次仿真以提取设计参数，设计周期长。
本文借助于Matlab中Simulink仿真软件的灵活性、直观性，在Simulink中利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型。
先借助模拟锁相环直观形象、易于理解的特点，通过锁相环在频率合成方面的应用，先对模拟锁相环进行了仿真，对锁相环的工作原理进行了形象的说明。
在模拟锁相环的基础上，重新利用仿真模块搭建了全数字锁相环的仿真模型，通过仿真达到了设计的目的，验证了此全数字锁相环完全能达到模拟锁相环的各项功能要求。
关键词：锁相环，压控振荡器，锁定，Simulink，频率合成，仿真模块1引言1932年法国的H.de Bellescize提出同步捡波的理论，首次公开发表了对锁相环路的描述。
到1947年，锁相环路第一次应用于电视接收机的水平和垂直扫描的同步。
到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件，为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。
锁相环独特的优良性能使其得到了广泛的应用，其被普遍应用于调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等。
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。
而Matlab强大的数据处理和图形显示功能以及简单易学的语言形式使Matlab在工程领域得到了非常广泛的应用，特别是在系统建模与仿真方面，Matlab已成为应用最广泛的动态系统仿真软件。
利用MATLAB建模可以快速地对锁相环进行仿真进而缩短开发时间。
锁相环仿真(基于MATLAB)
锁相环仿真1.锁相环的理论分析1．1 锁相环的基本组成锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（ PLL,Phase-Locked Loop ）。
锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector ）、环路滤波器（ LF,Loop Filter ）和压控振荡器（ VCO,Voltage Controlled Oscillator ）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图示：锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成 u D（t ）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 u C（t ），对振荡器输出信号的频率实施控制。
1．2 锁相环的工作原理1.2.1 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：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：式中的ω0 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 u D为：低通滤波器低通滤波器（LF）的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（t ）。
即 u C（t ）为：式中的ωi 为输入信号的瞬时振荡角频率，θ i （t）和θ O（t）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：即则，瞬时相位差θ d为对两边求微分，可得频差的关系式为上式等于零，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， u c（t ）为恒定值。
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用LabVIEW模拟锁相环毕业设计(论文)中文摘要毕业设计(论文)外文摘要目录1 引言1.1 LabVIEW概述1.2 LabVIEW 工作环境1.2.1 LABVIEW 的工作窗口1.2.2 LabVIEW的操作模块1.2.3 虚拟仪器程序（VI）的基本组成2 锁相环理论介绍2.1 锁定与跟踪的概念2.1.1锁相环理论分析2.1.3环路组成3 虚拟锁相环电路的具体实现3.1正弦鉴相器的实现3.1.1正弦鉴相器理论分析3.1.2正弦鉴相器虚拟转换3.2 滤波器（LF）3.3 压控振荡器(VCO)4 子VI4.1 时钟发生器的实现4.2移位寄存器的实现4.3分频器的实现4.4子VI的具体实现步骤5 程序的前面板图和程序图结论参考文献1 引言锁相环路（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广泛的应用。
锁相环路具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可以提供一系列频率稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。
它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。
它具有低门限特性，可以大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
对所相环路的研究需首先建立完整的数学模型，继而以模型为基础，用LabVIEW实现其各种工作状态下的性能与指标，诸如跟踪、捕获等等。
1.1 LabVIEW概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Workbench, 实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言 )的虚拟仪器软件开发工具。
用LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。
LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷轻松的设计环境。
利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构建自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写。
1.2 LabVIEW 工作环境1.2.1 LABVIEW 的工作窗口主要由两个窗口组成：一个是前面板开发窗口，用于编辑和显示VI前面板对象，另一个是框图程序窗口，用于编辑和显示流程图（程序源代码）。
1.2.2 LabVIEW的操作模块LabVIEW提供3个模版：工具模板（Tool palette）﹑控制模板（Control palette）和功能模板（Function palette）来完成VI前面板和流程图两部分的设计开发任务。
(1)工具模板（Tools Palette）：提供用于操作、编程前面板和流程图上对象的各种工具。
有操作工具：该工具是操作数值的工具。
当用它向前面板的控制器或显示器键入值时，工具会变成标签工具的形状。
选择(位置)工具：用于选择、移动或改变对象的大小。
当它用于改变对象边框的大小时，会变成相应的形状。
标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。
当创建自由标签时它会变成相应的形状。
连线工具：用于在框图程序上连接对象。
如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条线上，就会显示相应的数据类型。
探针工具：可以在框图程序内的数据流上设置探针。
调试时可以通过探针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。
等等(2)控制模板（Controls Palette）：如前所述，虚拟仪器的面板是通过软件实现的。
具体的讲，就是LabVIEW将传统仪器上的各种旋钮、开关、显示屏等所有可能涉及的操作部件都做成外形相似的“控件”，分类存于控制面板上。
设计者在设计仪器面板时，只需根据需要选择合适“控件”，放在面板相应的位置即可。
由于控制模板是LabVIEW为设计者设计虚拟面板而提供的，因此它只会在前面板编辑窗口中出现。
控制模板中有数值子模板、布尔值子模板、字符串和路径子模板、数组和簇子模板等等(3)功能模板（Functions Palette）：是创建框图程序的工具，在流程图中使用。
功能模板包含用于VI编程的对象，例如：数值运算、仪器I/O、文件I/O以及数据采集等操作。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
1.2.3 虚拟仪器程序（VI）的基本组成VI由以下3部分组成。
（1）程序前面板：交互式的用户界面。
（2）框图程序：是程序源代码，用模块代替普通函数。
（3）图标/连接器（子VI）：可被高级VI调用的VI2 锁相环理论介绍锁相环路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。
2.1 锁定与跟踪的概念2.1.1锁相环理论分析锁相环路（PLL）是一个相位跟踪系统，设输入信号：u i （t）= Uisin[wit +θi（t）]式中 ui是输入信号的幅度;w是载波角频率; iθi （t ）是以载波相位w i t 为参考的瞬时相位若输入信号是未调载波，θi （t ）即为常数，是u i （t ）的初始相位，若输入信号是角调制信号，（包括调频调相），θi （t ）即为时间的函数设输入信号u o （t ）＝U o cos[w o t +θo （t ）]式中 U o 是输出信号的幅度w o 是环内被控制振荡器的自由振荡角频率，它是环路的一个重要参数θo （t ）是以自由振荡的载波相位w o t 为参数的瞬时相位，在未受控制以前它是常数，在输入信号的控制之下，θo （t ）即未时间常数。
因为锁相环路是一个相位控制系统，输入信号u i （t ）对环路起作用的是它的瞬时相位，它的幅度通常是固定的，输出信号u o （t ）的幅度U o 通常也是固定的，只是其瞬时相位受输入信号瞬时相位的控制，因此，我们希望直接建立输出信号瞬时相位与输入信号瞬时相位之间的控制关系。
为此，先讨论两个不同频率信号之间的相位关系。
2.1.2环路模型前面已分别得到了环路的三个基本部件模型，按下图所示的环路构成，不难将这三个模型连接起来得到环路的模型，如下图所示由图上显示看到，这是一个相位负反馈的误差控制系统。
输入相位θ1（t ）与反馈的输出相位θ2（t ）进行比较，得到误差相位θe （t ），由误差相位产生误差电压Ud （t ），误差电压经过环路滤波器F （p ）的过滤得到控制电压Uc （t ），控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移，来跟踪输入信号频率Wi （t ）。
若输入Wi 为固定频率，在Uc （t ）的作用下，Wv （t ）向Wi 靠拢，一旦两者相等时，若满足一定条件，环路就能稳定下来，达到锁定。
锁定之后，被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同，两者之间维持一定的稳态相位差。
由图可见，这个稳态相差是维持误差电压以控制电压所必须的。
若没有这个稳态相差，控制电压就会消失（环路滤波器为理想积分器是例外，这在第四章中将会说明），压控振荡器的振荡频率又将回到其自由振荡频率Wu ，环路当然不能锁定。
存在剩余误差（锁相环路中就是相位误差）是误差控制系统的特征。
这个模型直接给出了输入相位θ1（t ）与输出相位θ2(t)之间的关系，故又称为环路的相位模型，它是进一步分析锁相环的基础。
2.1.3环路组成锁相环路为什么能够进入相位跟踪，实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反馈控制系统。
这个负反馈控制系统是由鉴相器（PD ）、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成的，基本构成如下图所示。
实际应用中有各种形式的环路，但它们都是有这个基本环路演变而来的。
而本课题采用最简单的锁相环路——一阶锁相环路进行研究设计。
+ _一阶锁相环路没有环路滤波器(LF)，是最简单的锁相环路。
实际上一阶环很少被采用，但是由于环路中发生的种种物理现象，如捕获、锁定和失锁等等，都可以通过一阶环得到明确的说明。
鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位θ1（t）与反馈信号θ2（t）之间的相位差θe(t)，输出的误差信号Ud(t)是相位差θe(t)的函数。
压控振荡器是一个电压——频率变换装置，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压Uo(t)线性的变化。
3 虚拟锁相环电路的具体实现在利用LabVIEW来实现锁相电路时，按锁相环路的功能分为几个子模板来实现，就好比一个电路板有很多各器件组成的一样，下面讲介绍每个程序模块功能和实现的方法。
3.1正弦鉴相器的实现3.1.1正弦鉴相器理论分析鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位θ1（t）与反馈信号θ2（t）之间的相位差θe(t)，输出的误差信号Ud(t)是相位差θe(t)的函数，即Ud(t)=f[θe(t)]鉴相特性f[θe(t)]可以是多种多样的，正弦形特性，三角形特性，锯齿形特性等等，此课题选用正弦形特性，故称为正弦鉴相器。
常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串连组成,如下图所示:Ui（t）+ _Uo（t）设相乘器的相乘系数为Km[单位为1/V],输入信号Ui（t）与反馈信号Uo（t）经相乘作用Km ·Ui（t）·Uo（t）＝Km· Ui·sin[Wot+θ1（t）] ·Uo·cos[Wot+θ2（t）]＝1/2·Km ·Ui·Uo·sin[2Wot+θ1（t）+θ2（t）]+1/2·Km ·Ui·Uo·sin[θ1（t）－θ2（t）]在经过低通滤波器滤除2Wo成分之后，得到误差电压Ud(t)＝ 1/2·Km ·Ui·Uo·sin[θ1（t）－θ2（t）]令 Ud＝1/2·Km ·Ui·Uo·为鉴相器的最大输出电压，则Ud(t)＝Ud· sin[θe(t)]3.1.2正弦鉴相器虚拟转换(1)在框图程序窗口中打开功能模板（Functions），左击其中的信号分析子模板（Analyze）,在信号分析子模板中选中Signal processing，然后再打开 Signal Generation 功能子模板中的Sine ware VI,该VI产生正弦波。
调用两个Sine ware VI作为相乘器的输入信号。
(2)在功能模板（Functions）中选中数值运算模板（Numeric）,再选择其中的Multiply(乘函数)。
(3)在功能模板中，选中信号分析子模板（Analyze），再选定其中的Signal processing，找到Filters模板，选中其中的Butterworth Filter.VI把滤波器类型参数设置为Lowpass.(4)如上所述，把各部分连接，如下图所示：3.2 滤波器（LF）本题采用没有滤波器的一阶锁相环路，即F(p)=1一阶锁相环实际上很少被采用。