锁相环仿真报告
锁相环实验报告
锁相环实验报告引言在电子、通信和控制系统中，锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种广泛应用的反馈控制系统，用于提供稳定的频率和相位锁定。
本实验旨在探究锁相环的原理、结构和性能，并通过实际实验验证其工作原理。
锁相环原理锁相环是一种负反馈控制系统，通常由相频控振荡器（VCO）、相锁环比较器、波形整形电路和滤波器组成。
其基本原理是：通过不断调节VCO的频率，使其输出信号与参考信号的相位差保持在一个稳定的工作范围内。
实验目的1.了解锁相环的基本原理和结构；2.学习锁相环在频率和相位锁定中的应用；3.通过实际实验验证锁相环的工作原理。
实验器材1.锁相环实验台；2.函数信号发生器；3.示波器；4.电压表；5.连接线等。
实验步骤搭建实验平台1.将锁相环实验台与函数信号发生器、示波器和电压表连接；2.正确接入电源，打开锁相环实验台的电源开关； 3.确认各仪器仪表的正常工作。
设置参考信号1.使用函数信号发生器产生一个正弦波信号作为参考信号；2.设置参考信号的频率和幅度。
调节锁相环参数1.调节锁相环的增益参数，观察VCO输出信号的变化；2.尝试不同的锁相环参数组合，观察系统的稳定性和响应性。
改变输入信号1.改变函数信号发生器输出信号的频率；2.观察锁相环的相位锁定和频率锁定过程。
测量锁相环性能1.使用示波器观察锁相环输入信号、输出信号和参考信号的波形；2.使用电压表测量VCO输出信号的频率。
实验结果与分析通过实验我们可以观察到锁相环的工作原理和性能。
在不同的锁相环参数设置下，VCO输出信号的频率和相位与参考信号的变化情况不同。
根据实验数据，我们可以分析锁相环的稳定性、响应速度和抗干扰能力等性能。
结论锁相环是一种广泛应用于电子、通信和控制系统中的反馈控制系统。
通过本实验，我们深入了解了锁相环的原理和结构，并通过实际实验验证了其工作原理。
锁相环具有稳定的频率和相位锁定能力，可以在信号处理和调节控制中起到重要作用。
实验报告一 模拟锁相环模块
模拟锁相环模块信息工程学院08级电子班安艳芳0839107一、实验目的1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计二、实验仪器JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台）三、实验原理和电路说明锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。
其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上。
同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。
该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。
因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。
经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。
正常时，VCO 锁定在外来的256KHz频率上。
模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。
当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。
模拟锁相环实验报告
模拟锁相环实验报告锁相环（PLL）是一种常见的控制系统，它可以将输入信号的频率和相位与参考信号匹配，从而实现精确的信号同步和频率锁定。
本次实验旨在通过模拟锁相环的实验，了解PLL的基本原理和实现方式，并探究其在频率合成和时钟恢复等应用中的优势和局限性。
一、实验原理1.1 PLL的基本原理PLL由相频比较器、环形控制器、振荡器和分频器等组成。
其基本原理如下：（1）将参考信号和输出信号输入相频比较器，得到误差信号；（2）将误差信号输入环形控制器，控制其输出的控制电压；（3）将控制电压输入振荡器，控制其输出的频率和相位；（4）将振荡器的输出信号通过分频器分频后反馈给相频比较器，形成闭环控制。
通过不断比较和修正，PLL可以使输出信号的频率和相位与参考信号匹配，从而实现锁定。
1.2 实验器材本次实验采用的器材如下：信号发生器、示波器、多路开关、振荡器、计数器等。
1.3 实验步骤（1）将信号发生器产生的正弦波信号作为参考信号，通过示波器观测其频率和相位；（2）将信号发生器产生的方波信号作为输入信号，通过多路开关控制输入信号的频率和幅值；（3）将输入信号和参考信号输入相频比较器，得到误差信号；（4）将误差信号输入环形控制器，控制其输出的控制电压；（5）将控制电压输入振荡器，控制其输出的频率和相位；（6）将振荡器的输出信号通过分频器分频后反馈给相频比较器，形成闭环控制；（7）通过计数器观测输出信号的频率和相位，调整环形控制器的参数，使输出信号与参考信号匹配。
二、实验结果在实验过程中，我们先设置参考信号的频率为1KHz，通过示波器观测其频率和相位，然后将信号发生器产生的方波信号作为输入信号，进行频率和幅值的调节，使其与参考信号匹配。
在调节的过程中，我们观测到输出信号的频率和相位逐渐趋近于参考信号的频率和相位，最终实现了同步锁定。
然后，我们进一步测试了PLL在频率合成和时钟恢复等应用中的性能。
我们将输入信号的频率和幅值进行变化，观测输出信号的变化情况。
matlab锁相环仿真
锁相环
1.svpwm调制
（1）、simulink搭建的结构图为
（2）、三相正弦波经过alpha-beta 坐标变换的x-y坐标图形为
（2）、以上结果经过svpwm调制模块后输出的适量顶点轨迹xy图形为
2
2、三相锁相环的设计
（1）、三相锁相环的原理为
三相锁相环的基本原理是基于坐标变换，采用静止坐标变换和同步坐标变换完成鉴相功能（将输入的三相电压经过坐标变换输出输入电压（相位给定）与输出信号的相位差），然后经过滤波器将高频信号过滤，经过pi调节器锁定到输入信号的频率，然后经过积分器对频率w进行积分得到电角度。
最后将输出反馈到输入端，构成闭环系统。
（2）、结构框图为
Pll局部结构图为
（3）、仿真结果与分析1 三相电源中含有谐波电源波形含有五次谐波
电源波形
仿真结果为
当三相电源不平衡时
仿真结果图为
电源波形为
仿真结果图为
对以上仿真结果的具体分析为
如果电源中含有直流分量，在进行abc到dq变换过程中直流分量会自动消失掉，故输出波形中不会含有直流分量
当电源中含有谐波时变换以后会是一个正弦量这个时候在系统
中添加一个滤波器将高频信号过滤掉即可。
其实锁相环最终的输出量为与输入量同相位的基波分量。
3 单相锁相环的设计
结构图为
pll具体结构图为
该仿真电源含有三相谐波。
锁相环实验报告
锁相环实验报告
《锁相环实验报告》
锁相环是一种常见的控制系统，广泛应用于通信、电力、自动控制等领域。
本
实验旨在通过搭建锁相环系统，验证其在信号同步和抑制噪声方面的性能。
实验设备包括信号发生器、锁相环模块、示波器等。
首先，我们将信号发生器
产生一个正弦波信号作为输入信号，然后将其输入到锁相环模块中。
锁相环模
块通过比较输入信号和反馈信号的相位差，控制其输出信号与输入信号同步。
最后，我们使用示波器观察输入信号、锁相环输出信号和反馈信号的波形，并
分析它们之间的相位关系和噪声抑制效果。
实验结果表明，锁相环系统能够有效地实现输入信号和输出信号的同步，且具
有良好的抑制噪声能力。
当输入信号频率发生变化时，锁相环系统能够迅速跟
随并调整输出信号，保持同步状态。
同时，锁相环系统还能够抑制输入信号中
的噪声，输出信号的波形更加稳定。
通过本次实验，我们深入了解了锁相环系统的工作原理和性能特点，为其在实
际应用中提供了有力的支持。
锁相环系统的同步性能和噪声抑制能力对于通信、电力系统等领域具有重要意义，本实验结果对于相关领域的研究和应用具有一
定的参考价值。
模拟锁相环实验报告
模拟锁相环实验报告实验一模拟锁相环模块一、实验原理和电路说明模拟锁相环模块在通信原理综合实验系统中可作为一个独立的模块进行测试。
在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz 时钟锁在发端的256KHz 的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。
f 0=256K H z 64K H z U P 04U P 03B U P 02U P 01512K H z 分频器÷4分频器÷8H D B 3环路滤波器放大器图 2.1.1 模拟锁相环组成框图T P P 02T E S T 跳线器K P 02V C O T P P 03T P P 06T P P 04T P P 05256K b itp sT P P 07带通滤波器T P P 01U P 03A 64K H z 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D 触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz ）组成。
在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。
该模拟锁相环模块的框图见图2.1.1。
因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz 时钟分量，经UP03B 构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz 时钟信号，该信号再通过UP03A 放大，然后经UP04A 和UP04B 两个除二分频器（共四分频）变为64KHz 信号，进入UP01鉴相输入A 脚；VCO 输出的512KHz 输出信号经UP02进行八分频变为64KHz 信号，送入UP01的鉴相输入B 脚。
经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。
正常时，VCO 锁定在外来的256KHz 频率上。
模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。
锁相环实验报告
锁相环实验报告锁相环实验报告一、实验目的本次实验的目的是了解锁相环（PLL）的原理和应用，掌握PLL电路的设计和调试方法，以及了解PLL在通信系统中的应用。
二、实验原理1. PLL原理锁相环是一种基于反馈控制的电路，由比例积分环节、相位检测器、低通滤波器和振荡器等组成。
其基本原理是将输入信号与参考信号进行比较，并通过反馈调整振荡频率，使得输入信号与参考信号同步。
2. PLL应用PLL广泛应用于通信系统中，如频率合成器、时钟恢复器、数字调制解调器等。
三、实验设备和材料1. 实验仪器：示波器、函数发生器等。
2. 实验元件：电阻、电容等。
四、实验步骤1. 搭建PLL电路并连接到示波器上。
2. 调节函数发生器输出正弦波作为参考信号，并将其输入到PLL电路中。
同时，在函数发生器上设置另一个正弦波作为输入信号，并将其连接到PLL电路中。
3. 调节PLL参数，包括比例积分系数和低通滤波器截止频率等，使得输入信号与参考信号同步。
4. 观察示波器上的输出波形，记录下PLL参数的取值。
五、实验结果与分析1. 实验结果通过调节PLL参数，成功实现了输入信号与参考信号的同步，并在示波器上观察到了稳定的输出波形。
记录下了PLL参数的取值，如比例积分系数和低通滤波器截止频率等。
2. 实验分析通过本次实验，我们深入了解了锁相环的原理和应用，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时，我们也了解到PLL在通信系统中的重要作用，如时钟恢复、数字调制解调等。
六、实验结论本次实验成功地实现了输入信号与参考信号的同步，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时也加深对于PLL在通信系统中应用的认识。
七、实验注意事项1. 在搭建电路时应注意接线正确性。
2. 在调节PLL参数时应注意逐步调整，避免过度调整导致系统失控。
3. 在观察示波器输出波形时应注意放大倍数和时间基准设置。
锁相环实验报告
锁相环实验报告锁相环实验报告引言：锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常见的电子系统控制技术，广泛应用于通信、测量、信号处理等领域。
本实验旨在通过设计和搭建一个基本的锁相环电路，深入理解锁相环的原理和应用。
一、实验目的本实验的主要目的是通过搭建锁相环电路，实现对输入信号的频率、相位的跟踪和稳定。
具体目标包括：1. 理解锁相环的基本原理和工作方式；2. 学会设计和搭建基本的锁相环电路；3. 通过实验验证锁相环的频率和相位跟踪性能。
二、实验原理1. 锁相环的基本原理锁相环是一种反馈控制系统，由相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）和分频器组成。
其基本原理如下：（1）相位比较器：将输入信号和VCO输出信号进行相位比较，输出相位误差信号；（2）低通滤波器：对相位误差信号进行滤波，得到控制量；（3）VCO：根据控制量调整输出频率，使其与输入信号保持相位同步；（4）分频器：将VCO输出信号分频后反馈给相位比较器，形成闭环控制。
2. 锁相环的应用锁相环广泛应用于频率合成、时钟恢复、频率/相位调制解调等领域。
例如，在通信系统中，锁相环常用于时钟恢复电路，保证数据传输的稳定性和可靠性。
三、实验内容与步骤1. 实验器材与元件准备（1）信号发生器：产生待测频率的正弦信号；（2）锁相环芯片：如CD4046、PLL565等；（3）电阻、电容等元件：用于搭建锁相环电路；（4）示波器：用于观测和分析实验结果。
2. 搭建锁相环电路根据锁相环的基本原理和实验要求，设计和搭建一个简单的锁相环电路。
电路中包括相位比较器、低通滤波器、VCO和分频器等模块，并连接好电源和地线。
3. 实验操作步骤（1）将信号发生器的输出信号接入锁相环电路的输入端；（2）调节信号发生器的频率，观察锁相环的跟踪效果；（3）通过示波器观察锁相环输出信号的频率和相位稳定性。
用于载波提取的锁相环仿真
用于载波提取的锁相环仿真目的1掌握锁相环的基本原理2介绍锁相环在载波抽取中的促进作用3介绍平方环和科斯塔斯环的工作原理内容设计两个仿真模型，分别采用平方环和科斯塔斯环对遏制载波双边拎调制的模拟信号展开电磁波模拟信号。
原理1平方环路设调制信号为m(t)中无直流分量，则dsb信号为s(t)?m(t)cos?ct（3－1）接收端将该信号经过一个平方律部件后得到m2(t)12e(t)?m(t)cos?ct??m(t)cos2?ct22（3－2）222m(t)的均值是基带信号的功率，是一个正的常数，因此上式中含有2?c频率在上式中分量的谐波，用中心频率为2?c的带通滤波器将这一谐波分量选出后，再通过锁相环选定，最后对锁相环vco输入信号展开2分频即可恢复正常载波。
平方环路的原理框图如下图右图：图3-1平方环载波提取原理框图2科斯塔斯环利用平方环进行解调时，需要三个乘法器，且锁相环工作在载波的二倍频上。
如果载波频率较高，锁相环将需要工作在相当高的频率上，导致成本大大提高。
因此，科斯塔斯环针对这一缺点进行了改进。
本就是使用科斯塔斯环法抽取同步载波的。
科斯塔斯环又称同二者拓扑环路，其原理框图如下：v3低通v5v1输入已调信号输出压控振荡器环路滤波器v790о相移v2v4低通v6图3-2科斯塔斯环原理框图在科斯塔斯环环路中，误差信号v7是由低通滤波器及两路相乘提供的。
压控振荡器输出来信号轻易供给一路相加器，供给另一路的则就是甩往下压振荡器输入经90o移相后的信号。
两路相加器的输入均涵盖存有调制信号，两者相加以后可以消解调制信号的影响，经环路滤波器获得仅与压控振荡器输入和理想载波之间相位差有关的掌控电压，从而精确地对压往下压振荡器展开调整，恢复正常出来完整的载波信号。
现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。
设输入调制信号为m(t)cos?ct，则v3?m(t)cos?ctcos(?ct??)?1m(t)[cos??cos(2?ct??)]2（3－3）1m(t)[sin??sin(2?ct??)]2（3－4）v4?m(t)cos?ctsin(?ct??)?经低通滤波器后，倍频项被滤除，输出分别为：v5?1m(t)cos?21v6?m(t)sin?2v7?v5v6?12m(t)sin2?8将v5和v6在相乘器中相乘，得，（3－5）（3－5）中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时， v7?12m(t)?4（3－6）（3－6）中的v7大小与增益误差θ成正比，它就相等于一个鉴相器的输入。
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。
实验八 模拟锁相环应用实验
实验八模拟锁相环应用实验一、实验目的1、掌握模拟锁相环的组成及工作原理。
2、学习用集成锁相环构成锁相解调电路。
3、学习用集成锁相环构成锁相倍频电路。
二、锁相环路的基本原理1、锁相环路的基本组成锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。
锁相环由三部分组成，如图8-1所示。
图8-1 锁相环组成方框图它包含压控振荡器（vco），鉴相器（pd）和环路滤波器（LF）三个基本部件，三者组成一个闭合环路，输入信号为v i（t），输出信号为v o（t），反馈至输入端。
下面逐一说明基本部件的作用。
1）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，也就是一个电压一频率变换器，实际上还有一种电流一频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。
2）鉴相器（PD）PD是一相位比较装置，用来检测输出信号v o（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）为一直流量或一低频交流量。
3）环路滤波器（LF）LF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 c（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 o（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v d（t）∝θe（t）因此在锁定状态，θe（t）不可能为0，换言之在锁定状态v o（t）与v i（t）仍存在相位差。
锁相环仿真报告
ωn =
2 BL ； 1 ζ+ 4ζ
τ1 =
Kd Kr
ω
2 n
；
τ2 =
2ζ
ωn
。
2． 仿真分析(使用 Matlab 中的 Simulink)
（1） 仿真参数 3 给定 ζ=0.707，Kd=4V/rad，Kr=24π×10 rad/(V·S)，BL=10Hz，计算得 ωn=19rad/s， τ1=848s，τ2=0.075s，环路滤波器传递函数
0
0.1
0.2
0.3
1/ 2
τ ⎛ Kd Kr ⎞ ⎟ ， ζ = ωn = 2 ⎜ ⎟ 2 2⎜ ⎝ τ1 ⎠ τ2
1/ 2
它是传递函数的幅频曲线的最高点对应的频率； ζ 为环路阻尼系数， ωn 为自然谐振频率， 它表示了传递函数幅频响应最大值的衰减程度，该值越大，传递函数幅频曲线最高点越小。 环路噪声带宽 BL 可用 ωn 和 ζ 来表示
BL =
ωn
2
(ζ +
1 ) 4ζ
环路噪声带宽是幅频响应下降到 3dB 时的频宽。
二． 锁相环的锁定过程分析
1． 环路捕获过程的几种情况
① 快捕过程
3
起始频差很小，即输入输出的相差 θe(t)动态变化频率很小，使得 Z(t)的变化不超过一个 周期时环路就进入锁定状态。此时 θe(t)的变化不超过 2π，这种捕获过程称为快捕过程。 快捕带：使得 θe(t)在 2π 之内环路就进入锁定的最大起始频差。 ② 频率牵引的捕捉过程 随着起始频差增大， 相位误差 θe(t)的频率增大， 则误差电压信号 ε(t)频率增大， 此时 ε(t) 通过环路滤波器(低通)有衰减。如果衰减后的误差信号不至于使 Z(t)接近于 0，而是对压控 振荡器(VCO)还是有一定的控制作用，则 VCO 输出频率会逐渐向着输入频率靠近，这就使 得误差信号 ε(t)的频率得到降低，通过环路滤波器的衰减变弱，Z(t)变大，对 VCO 的控制作 用逐渐变大，直到最后进入锁定过程。 捕捉带：可以通过频率牵引过程使环路进入锁定状态的最大起始频差。 ③ 环路无法锁定情况 当起始频差很大，使得误差信号 ε(t)不能通过环路滤波器，Z(t)接近于 0，不能对 VCO 进行电压控制，则 VCO 的输出频率和相位不发生变化，环路不能锁定。
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。
模拟锁相环实验报告
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。
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。
锁相环实验报告
锁相环实验报告1. 引言锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常用的控制系统，可以实现输入信号与参考信号之间的相位同步。
在通信、控制、测量等领域有广泛的应用。
本实验旨在通过搭建锁相环电路并进行实验，深入了解锁相环的工作原理和特性。
2. 实验设备和器材本实验所用设备和器材如下： - 函数发生器 - 直流稳压电源 - 射频信号源 - 锁相环芯片 - 示波器 - 电阻、电容等器件 - 连接线等3. 实验原理锁相环是由相位比较器、低通滤波器、控制电压产生电路和VCO（Voltage Controlled Oscillator）组成。
其工作原理可分为以下几个步骤：1.输入信号与参考信号经过相位比较器进行比较，得到相位误差信号。
2.相位误差信号经过低通滤波器得到控制电压。
3.控制电压经过控制电压产生电路产生驱动VCO的控制信号。
4.VCO根据控制信号输出频率可变的信号。
5.输出信号经过除频器和低通滤波器得到稳定的参考信号。
4. 实验步骤1.连接实验电路，将函数发生器作为输入信号源，射频信号源作为参考信号源，分别接入相位比较器的输入端和参考输入端。
将相位比较器的输出接入低通滤波器，再将低通滤波器的输出接入控制电压产生电路。
控制电压产生电路的输出接入VCO的控制信号输入端，VCO的输出信号接入除频器和低通滤波器，最后将低通滤波器的输出与相位比较器的输入相连。
2.将实验电路接通电源，调节函数发生器和射频信号源，使得函数发生器输出的波形为正弦波，在示波器上观察输入信号和输出信号。
3.调节控制电压产生电路中的参数，观察输出信号的频率和相位变化。
4.调节VCO的参数，观察输出信号的频率和相位变化。
5.记录实验数据并进行分析。
5. 实验数据和结果分析根据实验步骤中的操作，记录下实验数据，并进行结果分析。
可以观察到输入信号和输出信号的频率和相位的变化情况，通过对比分析得出锁相环的工作特性。
6. 结论通过本次实验，我们深入了解了锁相环的工作原理和特性。
基于PSpice软件的锁相环路的仿真的开题报告
基于PSpice软件的锁相环路的仿真的开题报告1. 研究背景锁相环路（PLL）是一种基于反馈控制的电子电路，被广泛应用于现代通信系统中。
PLL的基本功能是将参考信号的频率和相位锁定到输入信号的频率和相位，并从输入信号中产生一个相位稳定的输出信号。
由于其广泛应用，PLL已成为电子电路设计的重要组成部分。
因此，研究和模拟PLL的性能至关重要，可以为实际应用提供指导和优化设计。
2. 研究目的本文旨在通过使用PSpice软件对PLL进行仿真研究，对PLL的性能和工作原理进行深入了解，并探讨如何通过优化PLL的参数来提高其性能和稳定性。
3. 研究方法在本次研究中，我们将使用PSpice软件进行PLL的仿真研究。
首先，我们将建立PLL的基本电路，并设计该电路的参数。
然后，通过输入参考信号并接收反馈信号，观察PLL的输出，以评估其性能和稳定性。
最后，我们将尝试优化PLL的参数以提高其性能和稳定性。
4. 研究内容本研究将重点探讨以下内容：1）PLL基本电路的建立和参数设计2）PLL输入参考信号和反馈信号的获取3）PLL输出的观测和性能评估4）优化PLL参数以提高其性能和稳定性5. 研究意义通过仿真研究PLL的性能和稳定性，我们可以更深入地了解PLL的工作原理，探讨其优化设计的方法，为电子电路设计提供指导。
此外，在实际应用中，我们可以根据PLL的性能要求对其参数进行调整，以满足不同的应用需求。
6. 预期结果预计本次研究能够模拟出PLL的基本工作原理和性能表现，并通过优化其参数，进一步提升其性能和稳定性。
同时，我们将探讨PLL在实际通信系统中的应用，并展示其在不同场景下的性能表现。
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。
实验三 锁相环路VCO输出和输入响应曲线仿真
实验三锁相环路VCO输出和输入响应曲线仿真（一）实验目的：熟悉锁相环控制电压对VCO的调节作用，在MATLAB环境下编程实现一阶和二阶各型环输出的阶跃响应曲线；（二）实验所用软件：MATLAB7.1 R14 SP3.（三）实验内容：编程实现如下内容：一阶一型环一阶二型环；误差响应曲线；（四）实验要求：1．熟悉MATLAB中相关函数和命令的使用，如：lsim;subplot;2．和读懂程序代码：用画图函数画出波形；3．进一步熟悉MATLAB中编程的画图函数的使用；figure; xlabel;ylabel;title;grid on;（五）具体实例：一阶环路阶跃及误差响应曲线kv = 1;kd = 1;dt = .01;t = 0 : dt : 2;step = ones(1,length(t));clt_1 = tf([2*pi*kv*kd],[1 2*pi*kv*kd]);[out_1 t] = lsim(clt_1,step,t);figuresubplot(3,1,1)plot(out_1);xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 1st Order Transmittance of PLL')grid on;% Step response of 1st order closed loop error transmittance of pll clt_e1 = tf([1 0],[1 2*pi*kv*kd]);[out_e1 t] = lsim(clt_e1,step,t);subplot(3,1,2)plot(out_e1)xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 1st Order Error Transmittance of PLL') grid on;% Step response of 1st order transmittance between VCO & Inputclt1 = tf([kd 0],[1 2*pi*kv*kd]);[out1 t] = lsim(clt1,step,t);subplot(3,1,3)plot(out1)xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 1st Order Transmittance between VCO & Input') grid on;% Step resonse of 2nd order closed loop transmittance of plla = 3.15;zeta = sqrt((pi*kv*kd)/(2*a));wn = sqrt(2*pi*kv*kd*a);clt_2 = tf([2*zeta*wn wn^2],[1 2*zeta*wn wn^2]);[out_2 t] = lsim(clt_2,step,t);figuresubplot(3,1,1)plot(out_2)xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 2nd Order transmittance of PLL')grid on;% Step response of 2nd order closed loop error transmittance of pll clt_e2 = tf([1 0 0],[1 2*zeta*wn wn^2]);[out_e2 t] = lsim(clt_e2,step,t);subplot(3,1,2)plot(out_e2)xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 2nd Order Error Transmittance of PLL') grid on;% Step response of 2nd order transmittance between VCO & Inputclt2 = tf([kd kd*a 0],[1 2*pi*kv*kd 2*pi*kv*kd*a]);[out2 t] = lsim(clt2,step,t);subplot(3,1,3)plot(out2)xlabel('Time in seconds')ylabel('Amplitude')TITLE ('Step Response of 2nd Order Transmittance between VCO & Input') grid on;。
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图 1-3 有源比例积分滤波器电路图
传递函数
F ( s) =
A(1 + sR2 C ) 1 + sAR1C + s( R1 + R2 )C
当增益 A 很大时(理想有源比例积分滤波器时 A→∞)
F (s) ≈
A(1 + sR2 C ) 1 + sR2 C 1 + sτ 2 = = sAR1C sR1C sτ 1
BL =
ωn
2
(ζ +
1 ) 4ζ
环路噪声带宽是幅频响应下降到 3dB 时的频宽。
二． 锁相环的锁定过程分析
1． 环路捕获过程的几种情况
① 快捕过程
3
起始频差很小，即输入输出的相差 θe(t)动态变化频率很小，使得 Z(t)的变化不超过一个 周期时环路就进入锁定状态。此时 θe(t)的变化不超过 2π，这种捕获过程称为快捕过程。 快捕带：使得 θe(t)在 2π 之内环路就进入锁定的最大起始频差。 ② 频率牵引的捕捉过程 随着起始频差增大， 相位误差 θe(t)的频率增大， 则误差电压信号 ε(t)频率增大， 此时 ε(t) 通过环路滤波器(低通)有衰减。如果衰减后的误差信号不至于使 Z(t)接近于 0，而是对压控 振荡器(VCO)还是有一定的控制作用，则 VCO 输出频率会逐渐向着输入频率靠近，这就使 得误差信号 ε(t)的频率得到降低，通过环路滤波器的衰减变弱，Z(t)变大，对 VCO 的控制作 用逐渐变大，直到最后进入锁定过程。 捕捉带：可以通过频率牵引过程使环路进入锁定状态的最大起始频差。 ③ 环路无法锁定情况 当起始频差很大，使得误差信号 ε(t)不能通过环路滤波器，Z(t)接近于 0，不能对 VCO 进行电压控制，则 VCO 的输出频率和相位不发生变化，环路不能锁定。
正弦输入信号 1 0.5 Xi(V) 0 -0.5 -1012 Nhomakorabea3
5 6 t(s) 压控振荡器输出信号
4
7
8
9
10
1 0.5 Xo(V) 0 -0.5 -1
0
1
2
3
4
5 t(s)
6
7
8
9
10
图 3-2(1) 输入的 20Hz 正弦信号和压控振荡器输出信号
6
正弦输入信号
1 0.5 Xi(V) 0 -0.5 -1
0
0.1
0.2
0.3
F (s) ⎤ F ( s) ⎡ θ i (t ) = ⎢1 + K d K r θ o (t ) s ⎥ s ⎣ ⎦
K=KdKr 为环路增益，KF(0)为环路的直流增益。 锁相环路控制过程可写成线性微分方程的形式，则锁相环路系统可用线性系统的方法 进行分析。
4． 锁相环路的传递函数
锁相环路传递函数表达式
F (s) =
锁相环路参数表 参数名称 鉴相器增益系数 Kd 压控振荡器灵敏度 Kr 环路阻尼系数 ζ 环路带宽 BL 环路自然谐振频率 ωn 环路滤波器类型 环路滤波器时间常数 τ1 环路滤波器时间常数 τ2 环路滤波器传递函数
1 + 0.075s 848s
参数值 4V/rad 24π×10 rad/(V·S) 0.707 10Hz 19rad/s 理想有源比例积分滤波器 848s 0.075s
当环路处于同步状态时，相位误差 θe(t)比较小，可利用近似 sinθe(t)≈θe(t)，则此时锁相 环路方程可写成线性微分方程形式
K d θ e (t ) ⋅ F ( s ) ⋅
写成输入输出表示的形式如下
Kr = θ i (t ) − θ e (t ) s Kr = θ o (t ) S
K d ⋅ [θ i (t ) − θ o (t )]⋅ F ( S ) ⋅ Kd Kr
1/ 2
τ ⎛ Kd Kr ⎞ ⎟ ， ζ = ωn = 2 ⎜ ⎟ 2 2⎜ ⎝ τ1 ⎠ τ2
1/ 2
它是传递函数的幅频曲线的最高点对应的频率； ζ 为环路阻尼系数， ωn 为自然谐振频率， 它表示了传递函数幅频响应最大值的衰减程度，该值越大，传递函数幅频曲线最高点越小。 环路噪声带宽 BL 可用 ωn 和 ζ 来表示
2． 锁相环路各组成部分的数学模型
（1） 鉴相器 鉴相器的一种模型便是乘法器加上一低通滤波器 LPF，如下图所示，这里的低通滤波作 用是通过环路滤波器 LF 得到的。两信号经过乘法器后输出一个表征相位误差的信号与一个 和频信号； 低通滤波器滤去高频的和频信号， 则鉴相器输出的是表征相位误差的电压误差信 号：
H (s) =
K d K r F ( s) θ o ( s) = θ o ( s) s + K d K r F ( s)
2 2ωnζs + ωn 2 s 2 + 2ωnζs + ωn
将上述的环路滤波器传递函数代入，写成标准形式，得到
H (s) =
其中，
⎛ Kd Kr ωn = ⎜ ⎜ τ ⎝ 1
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
其中 τ1=R1C，τ2=R2C。 （3） 压控振荡器 电压频率转换器件， 模型中可以假设压控振荡器的输出频率与控制电压呈线性关系， 关 系式如下
ωo (t ) = ωo + K r Z (t )
其中，ωo 是压控振荡器的静止频率(quiescent frequency)，Kr 称为压控振荡器的灵敏度 (sensitivity)，量纲为 rad/(V·s)，Z(t)为输入到压控振荡器的控制电压。 相位是对频率的积分，则压控振荡器输出的相对于静止频率的相位为
ωn =
2 BL ； 1 ζ+ 4ζ
τ1 =
Kd Kr
ω
2 n
；
τ2 =
2ζ
ωn
。
2． 仿真分析(使用 Matlab 中的 Simulink)
（1） 仿真参数 3 给定 ζ=0.707，Kd=4V/rad，Kr=24π×10 rad/(V·S)，BL=10Hz，计算得 ωn=19rad/s， τ1=848s，τ2=0.075s，环路滤波器传递函数
三． 光纤授时中补偿相位噪声的锁相环参数选取
1． 数学分析
分析如何选取锁相环路中的各参数，主要是环路滤波器参数 τ1 和 τ2。 （1） 列出相关表达式 环路传递函数
2 2ωnζs + ωn H ( s) = 2 2 s + 2ωnζs + ωn
环路自然谐振频率
⎛ Kd Kr ωn = ⎜ ⎜ τ ⎝ 1
2． 锁相环中各参数对环路捕获的影响
从环路捕获角度来讲，我们希望锁相环路的捕捉带宽，捕捉时间短。通过以上对环路捕 获情况的分析可知，加大环路滤波器带宽可以使捕捉带变宽，捕捉时间变短，但是这样会造 成环路滤波性能下降， 例如滤除噪声的能力就会下降。 所以要综合这两方面的因素来设计环 路滤波器的参数，在有源比例积分滤波器中，滤波器参数为时间常数 τ1 和 τ2。 在上面分析环路鉴相器时，我们知道鉴相器中的低通滤波器滤除了相乘器/乘法器输出 的和频信号，只输出反映相位误差的低频信号 ε(t)=Kdsinθe(t)。可见设计这里的低通滤波器 时，其截止频率不能太高，起码不能高于输入输出频率和(和频)，否则无法高效滤除和频信 号。但是从锁相环路捕捉的的角度来考虑，截止频率又不能太低，太低会使捕捉带减小，捕 捉时间增加。综合起来，鉴相器中的截止频率也要合理设置，在低于和频的范围内应尽可能 选择大的数值，理想情况可选择为和频值。 上述考虑低通滤波器为理想低通情况， 实际中是不存在理想低通滤波器的， 所以即使选 定合适的截止频率，也不能保证和频信号完全滤掉，这也使环路的性能受到影响，但只要合 适选取参数，这一影响可以很小。 总而言之，锁相环路低通滤波器参数对环路性能有很大影响。
3
F (s) =
1 + 0.075s 848s
5
（2） 仿真框图
图 3-1 锁相环路 Simulink 仿真框图
（3） 仿真结果及分析 Simulink 仿真中，输入信号使用 20Hz 的正弦信号。 由于上面所选取的环路带宽为 10Hz，该锁相环路可以在大约 10Hz 带宽范围内锁定， 则压控振荡器的起始静止频率(quiescent frequency)可以取的大致范围为 5-15Hz。 下面仿真结果图是压控振荡器起始的静止频率取在 5Hz 时的仿真结果图，此时可以实 现环路锁定。仿真时间为 10s。 图 3-2(1)上部分为输入的 20Hz 正弦信号，下部分为压控振荡器输出信号。 为了更清楚地看出从最开始时环路未锁定时压控振荡器输出信号， 到锁定后压控振荡器 输出信号的变化情况，分别截取前 1s 和锁定后的任意 1s 的输入和输出信号情况。 图 3-2(2)为选取开始 1s，输入的 20Hz 正弦信号和压控振荡器输出信号。 图 3-2(3)为锁定后选取的 1s，输入的 20Hz 正弦信号和压控振荡器输出信号。 图 3-2(4)上部分为鉴相器输出信号，下部分为环路滤波器输出信号。 结论：起始频差在环路带宽 10Hz 内，锁相环路可以锁定，最终压控振荡器输出信号与 输入信号无动态相差，输出的相位稳定，始终与输入的相位正交；如果起始输出与输入频差 超出环路带宽范围，则环路不能锁定，输出信号无法达到相对于输入信号的相位稳定状态。 结论：在没有噪声的情况下，理论上在任意起始频差范围内环路都能锁定。起始频差越 大，则环路锁定时间越长，而且最终的稳态相位误差也越大。
锁相环控制部分的仿真报告 1
一． 锁相环路原理
1． 基本锁相环路组成和锁相过程
基本锁相环路组成框图如下
图 1-1 基本锁相环路组成框图
各组成部分的具体介绍 PD：鉴相器(Phase Detector/Discriminator) 将输出信号 xo(t)的相位与输入信号 xi(t)的相位进行比较，输出电压误差信号 ε(t)，它是 相位误差的函数形式。 LF：环路滤波器(Loop Filter) 一个低通滤波器，滤除环路中的高频噪声，很大程度上决定着环路的噪声性能、捕获和 跟踪性能；误差信号 ε(t)经环路滤波器后输出控制信号 Z(t)。 VCO：压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator) 电压频率转换器件，压控振荡器的输出频率与电压控制信号呈一定的关系。 通过锁相环路各组成部分的介绍， 可以简述锁相环路的基本工作过程： 如果输出与输入 频率一致，二者相差稳定，没有相位误差，也就没有误差信号 ε(t)和 Z(t)的输出，压控振荡 器稳定在原来的输出频率，此时环路已经进入稳定跟踪状态；如果输出与输入频率不一致， 则存在动态相位误差，此时 ε(t)和 Z(t)的输出控制 VCO 的频率向着输入的频率靠近，直到 二者频率相等，达到无相位误差，环路进入稳定跟踪状态。注意稳态跟踪时，VCO 输出相 位与输入相位正交。 （不一定，也可以是同相）