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. 锁相环的基本概念和重要参数指标

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。

)

(sin )sin()()(sin )sin()('t U t U t u t U t U t u o o o o o i i i i i θθωθθω=+==+=

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。

当i ω≠o ω，两个信号的相位差，不论i θ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。

o i t t θθθθ-=-)()('o

i o i t t t θθωωθθ-+-=-)()()('

三者关系为：H P L ωωω∆<∆<∆

在理想二阶环的情况下，在捕获状态下，评价捕获性能的主要指标为

P ω∆、L ω∆和捕获时间P T 。计算式如下：

3

2

02/2n

P P n L T ξωωωξωω∆=∞=∆=∆

其中，n ω为自然谐振角频率，后面将介绍n ω在设计环路滤波器时，将与ξ（阻尼系数，由于考虑到不同ξ对多种输入信号的误差响应和输出响应的影响，选取使响应曲线最平稳的最佳值0.707）决定滤波器两个参数的大小，仿真中可通过设定快捕带得到n ω。从这可以看到，P T 不仅与环路参数有关，而且与初始频差有关，固有频差越大，则需捕获时间就越长。

在同步状态下，重要的指标有稳态相位误差)(∞e θ和H ω∆，环路锁定后，频差等于0，但稳态相差通常会存在，它反映了环路的跟踪精度，稳态相差越小，跟踪精度越高。理想二阶环条件下，∞=∆H ω。

3. 锁相环的构成及工作原理

从锁相环结构图看到，其包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。

3.1. 鉴相器

正弦型鉴相器即一乘法器（有些资料后接LPF ），用于检测环路输入信号相位与输出信号相位间的相位误差)(t e θ，设输入输出信号

分别为：

作如下变换：

通过鉴相器后得到，

m K 为相乘系数，这里为1/2。

3.2. 环路滤波器

由通过检相器式子看出，检相器输出包含了和频分量和差频分量，通过环路滤波器，由于其具有低通特性，和频分量将被滤除，输出为振荡器的控制信号)(t u c 。记F(p)为环路滤波器的传递函数，则)()()(t u p F t u d c =。

3.3. 压控振荡器

压控振荡器为电压频率变换器，其瞬时频率为 当)(t u c =0时，)(t v ω=0ω。瞬时相位可以表示为

)

(sin )sin()(t U t U t u i i i i i θθω=+=)

(cos ))(cos()('t U t t U t u o o o o o θθω=+=)

()()

()()(;)()(2'11t t t t t t t t t t t t o o i o o i o i o i o i i θωθθωθθωθωωωθωωωθωθ+=+=+∆=-=∆+-+=+=)]()(2sin[)]()({sin[***)2/1()()(2121t t t t t U U K t u t u K o o i m o i m θθωθθ+++-=)

()(t U t u e d d θ=)

()]([)(t u K t u f t c o o c v +==ωω

通过以上分析，得到模拟锁相环的相位模型为：

相应的数字锁相环的模型为

则PLL 的动态方程为

4. 数字锁相环的设计及simulink 仿真

数字锁相环的设计主要在于环路滤波器和NCO 的设计，而鉴相器则为一简单的数字乘法器。下面将主要介绍数字环路滤波器和NCO 的设计。

4.1. 数字环路滤波器设计

在清楚数字环路滤波器的结构后，数字环路滤波器的系数是设计的主要部分，其结构如下图所示（simulink 仿真图）：

)

(*p /)(dt

)(dt )()(2t

0t

0't u K t t u K t t c o c o o v ）（=⎰+=⎰=θωωθ

)

(sin )p (KF )(p )(p 1t t t e e θθθ-=