基于MATLAB锁相环课件

本次答辩内容1.研究目的与意义2.基本原理3.工作任务4.锁定性能5.环路性能6.稳定性能7.调制作用8.结论本次答辩内容1.研究目的与意义1目的与意义

锁相环（PhaseLockedLoop）的输出信号能够自动跟踪输入信号的频率和相位变化，它具有独特的窄带跟踪性能，既能跟踪输入信号，又能对输入噪声进行窄带滤波。在现代集成电路中，锁相环是一种广泛应用于模拟、数字及数模混合电路系统中的非常重要的电路模块。在通信和数字系统中可以作为时钟恢复电路应用；在电视和无线通信系统中可以用作频率合成器来选择不同的频道；PLL还可应用于频率调制信号的解调。总之，PLL已经成为许多电子系统的核心部分。因此，研究锁相环具有重要意义。目的与意义锁相环（PhaseLockedL2基本原理1.鉴相器（PD）是相位比较装置，它把输出信号)和参考信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差)的误差电压。完成相位—电压的变换作用。2.环路滤波器（LPF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压中的高频成份和调整环路参数，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。3.压控振荡器（VCO）是一个电压－频率变换装置，受控制电压的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定。1.基本组成基本原理1.鉴相器（PD）是相位比较装置，它把输出信号)和3基本原理t<t。时,PLL为锁定状态。当t=t。时,输入信号频率有一个小的阶跃(为了分析简单,假设阶跃频率比较小)，输入信号的相位领先于输出信号，两者的相位差将开始随着时间增加，导致鉴相器产生一个随时间增加的输出信号ud(t)，该信号经过低通滤波器滤波，经一定延迟，产生控制信号uc(t)，它也随时间增加。因此压控振荡器的频率也增加，这会减小输出信号与输入信号的相位差。经过一定的时间，振荡器的振荡频率将调节到与输入信号的频率相等。2.PLL的响应过程基本原理t<t。时,PLL为锁定状态。当t=t。时,输入信号4基本原理3.基本原理1.当相位差为一个固定的值时，锁相环频率相等。2.锁相环频率相等，相位差保持不变。3.当频率相等，存在恒定的相位误差时，这个相位差经鉴相器和环路滤波器转化为直流控制电压控制VCO的振荡频率使频率相等。4.当频率不等时，相位差不为恒定值，鉴相器的输出电压发生变化，调整VCO的振荡频率，直至频率相等。基本原理3.基本原理1.当相位差为一个固定的值时，锁相环频率5工作任务

本次设计的任务1.在输入信号的相位发生阶跃变化时，分析锁相环性能；2分析调制作用。性能锁定性能环路性能稳定性能1.2.调制作用工作任务本次设计的任务1.在输入信号的相位6锁定性能1.一阶锁相环1.一阶锁相环的传输函数的时域响应2.一阶锁相环误差传输函数时域响应当输入相位发生阶跃变化时，如1所示。Kd

＊Kv=1，建立时间t1=1.58。Kd

＊Kv=4,建立时间t2=0.4。当增益增大时，建立时间较短。当输入相位发生阶跃变化时，如2所示。Kd

＊Kv=1，建立时间t3=1.59。Kd

＊Kv=4,建立时间t4=0.37。当增益增大时，建立的时间较短。锁定性能1.一阶锁相环1.一阶锁相环的传输函数的时域响应2.7锁定性能2.二阶锁相环1.二阶锁相环的传输函数的时域响应2.二阶锁相环误差传输函数时域响应当输入相位发生阶跃变化时，如1所示。当输入相位发生阶跃变化时，如2所示。Kd*Kv=1Kd*Kv=4波峰时间0.490.19波峰值1.2081.083建立时间2.241.64Kd*Kv=1Kd*Kv=4波谷时间0.50.2波谷值-0.2-0.2建立时间2.232.07锁定性能2.二阶锁相环1.二阶锁相环的传输函数的时域响应2.8锁定性能3.一阶锁相环与二阶锁相环比较传输函数误差函数针对Kd

＊Kv=1，分析锁相环建立时间一阶1.59二阶2.23但是在实际应用中很少用到，因为它没有环路滤波器，环路高频成分不能被滤除。一阶锁相环建立时间较短，振荡较小。锁定性能3.一阶锁相环与二阶锁相环比较传输函数误差函数针对K9环路性能1.鉴相器输出12

随着时间的增大，ud先增大后减小,最后趋于0，也就是锁相环锁定。其中达到波峰值的时间为0.1，趋于稳定的时间为1.91。

图2为相位误差响应，变化与ud一致，为鉴相器的输入。由公式ud

=Kdθe可知，当出现相位差θe时，引起ud变化。鉴相器完成相位—电压的变换作用。数学模型是增益模块。ud

=Kdθe

环路性能1.鉴相器输出12随着时间的增大，ud102.低通滤波器输出

低通滤波器的输出增加，即为压控振荡器的输入。幅值随着时间先增大后减小，并趋于稳定。稳定时间为1.89。

环路滤波器作用可以滤除误差电压ud中的高频分量。具有低通特性。数学模型为环路性能2.低通滤波器输出低通滤波器的输出增加，即为压控振荡113.压控振荡器

压控振荡器是一个电压－频率变换装置，振荡频率wv应随输入控制电压uc线性地变化。数学模型当输入信号发生阶跃变化时，环路滤波器的输出逐渐升高，从而导致压控振荡器的频率发生变化来减少环路滤波器的相位误差。压控振荡器起的是积分器得作用，并且斜率为1.

综上所述，锁相环的响应过程可以这样描述：输入信号的相位领先于输出信号，两者的相位差将开始随着时间增加，导致鉴相器产生一个随时间增加的输出信号，该信号经过低通滤波器滤波，经一定延迟，产生控制信号，它也随时间增加。因此压控振荡器的频率也增加，这会减小输出信号与输入信号的相位差。经过一定的时间，振荡器的振荡频率将调节到与输入信号的频率相等。环路性能3.压控振荡器压控振荡器是一个电压－频率变换装置，振荡频率12阻尼系数对稳定性的影响稳定性能阻尼系数的值建立时间0.27.520.53.510.7072.240.82.5112.224.23

是锁相环的常取值。阻尼系数对稳定性的影响稳定性能阻尼系数的值建立时间0.27.13调制作用1.原理

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图

因为调频信号的频率随调制信号振幅的变化而变化，当调制信号的幅度为零时，调频波的频率称为中心频率。调制作用1.原理调频波的特点是频率随调制信号幅度14调制作用2.波形其中我们设置载波频率fc为200。当调制信号振幅为-2时，中间信号的频率小于中心频率当调制信号振幅为2时，左边信号的频率大于中心频率。当调制信号振幅为0时，调频波频率与压控振荡器频率（中心频率）与相等，图中右边信号我们也可用公式验证：左边信号：中间信号：调制作用2.波形其中我们设置载波频率fc为200。当调制信15结论本次论文完成内容：（1）根据仿真波形，分析一，二阶锁相环的锁定性能，并对二者进行了比较。（2）分别对锁相环基本模块的输出进行仿真，根据仿真波形，分析环路性能。（3）根据仿真波形，分析不同阻尼系数对稳定性能的影响。（4）根据仿真波形，分析锁相环的调制作用。

本次设计运用MATLAB进行仿真，在输入信号发生阶跃的基础上，分析锁相环的锁定性能，环路性能和稳定性能。最后分析了锁相环的调制作用。结论本次论文完成内容：16本次答辩内容1.研究目的与意义2.基本原理3.工作任务4.锁定性能5.环路性能6.稳定性能7.调制作用8.结论本次答辩内容1.研究目的与意义17目的与意义

锁相环（PhaseLockedLoop）的输出信号能够自动跟踪输入信号的频率和相位变化，它具有独特的窄带跟踪性能，既能跟踪输入信号，又能对输入噪声进行窄带滤波。在现代集成电路中，锁相环是一种广泛应用于模拟、数字及数模混合电路系统中的非常重要的电路模块。在通信和数字系统中可以作为时钟恢复电路应用；在电视和无线通信系统中可以用作频率合成器来选择不同的频道；PLL还可应用于频率调制信号的解调。总之，PLL已经成为许多电子系统的核心部分。因此，研究锁相环具有重要意义。目的与意义锁相环（PhaseLockedL18基本原理1.鉴相器（PD）是相位比较装置，它把输出信号)和参考信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差)的误差电压。完成相位—电压的变换作用。2.环路滤波器（LPF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压中的高频成份和调整环路参数，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。3.压控振荡器（VCO）是一个电压－频率变换装置，受控制电压的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定。1.基本组成基本原理1.鉴相器（PD）是相位比较装置，它把输出信号)和19基本原理t<t。时,PLL为锁定状态。当t=t。时,输入信号频率有一个小的阶跃(为了分析简单,假设阶跃频率比较小)，输入信号的相位领先于输出信号，两者的相位差将开始随着时间增加，导致鉴相器产生一个随时间增加的输出信号ud(t)，该信号经过低通滤波器滤波，经一定延迟，产生控制信号uc(t)，它也随时间增加。因此压控振荡器的频率也增加，这会减小输出信号与输入信号的相位差。经过一定的时间，振荡器的振荡频率将调节到与输入信号的频率相等。2.PLL的响应过程基本原理t<t。时,PLL为锁定状态。当t=t。时,输入信号20基本原理3.基本原理1.当相位差为一个固定的值时，锁相环频率相等。2.锁相环频率相等，相位差保持不变。3.当频率相等，存在恒定的相位误差时，这个相位差经鉴相器和环路滤波器转化为直流控制电压控制VCO的振荡频率使频率相等。4.当频率不等时，相位差不为恒定值，鉴相器的输出电压发生变化，调整VCO的振荡频率，直至频率相等。基本原理3.基本原理1.当相位差为一个固定的值时，锁相环频率21工作任务

本次设计的任务1.在输入信号的相位发生阶跃变化时，分析锁相环性能；2分析调制作用。性能锁定性能环路性能稳定性能1.2.调制作用工作任务本次设计的任务1.在输入信号的相位22锁定性能1.一阶锁相环1.一阶锁相环的传输函数的时域响应2.一阶锁相环误差传输函数时域响应当输入相位发生阶跃变化时，如1所示。Kd

＊Kv=1，建立时间t1=1.58。Kd

＊Kv=4,建立时间t2=0.4。当增益增大时，建立时间较短。当输入相位发生阶跃变化时，如2所示。Kd

＊Kv=1，建立时间t3=1.59。Kd

＊Kv=4,建立时间t4=0.37。当增益增大时，建立的时间较短。锁定性能1.一阶锁相环1.一阶锁相环的传输函数的时域响应2.23锁定性能2.二阶锁相环1.二阶锁相环的传输函数的时域响应2.二阶锁相环误差传输函数时域响应当输入相位发生阶跃变化时，如1所示。当输入相位发生阶跃变化时，如2所示。Kd*Kv=1Kd*Kv=4波峰时间0.490.19波峰值1.2081.083建立时间2.241.64Kd*Kv=1Kd*Kv=4波谷时间0.50.2波谷值-0.2-0.2建立时间2.232.07锁定性能2.二阶锁相环1.二阶锁相环的传输函数的时域响应2.24锁定性能3.一阶锁相环与二阶锁相环比较传输函数误差函数针对Kd

＊Kv=1，分析锁相环建立时间一阶1.59二阶2.23但是在实际应用中很少用到，因为它没有环路滤波器，环路高频成分不能被滤除。一阶锁相环建立时间较短，振荡较小。锁定性能3.一阶锁相环与二阶锁相环比较传输函数误差函数针对K25环路性能1.鉴相器输出12

随着时间的增大，ud先增大后减小,最后趋于0，也就是锁相环锁定。其中达到波峰值的时间为0.1，趋于稳定的时间为1.91。

图2为相位误差响应，变化与ud一致，为鉴相器的输入。由公式ud

=Kdθe可知，当出现相位差θe时，引起ud变化。鉴相器完成相位—电压的变换作用。数学模型是增益模块。ud

=Kdθe

环路性能1.鉴相器输出12随着时间的增大，ud262.低通滤波器输出

低通滤波器的输出增加，即为压控振荡器的输入。幅值随着时间先增大后减小，并趋于稳定。稳定时间为1.89。

环路滤波器作用可以滤除误差电压ud中的高频分量。具有低通特性。数学模型为环路性能2.低通滤波器输出低通滤波器的输出增加，即为压控振荡273.压控振荡器

压控振荡器是一个电压－频率变换装置，振荡频率wv应随输入控制电压uc线性地变化。数学模型当输入信号发生阶跃变化时，环路滤波器的输出逐渐升高，从而导致压控振荡器的频率发生变化来减少环路滤波器的相位误差。压控振荡器起的是积分器得作用，并且斜率为1.

综上所述，锁相环的响应过程可以这样描述：输入信号的相位领先于输出信号，两者的相位差将开始随着时间增加，导致鉴相器产生一个随时间增加的输出信号，该信号经过低通滤波器滤波，经一定延迟，产生控制信号，它也随时间增加。因此压控振荡器的频率也增加，这会减小输出信号与输入信号的相位差。经过一定的时间，振荡器的振荡频率将调节到与输入信号的频率相等。环路性能3.压控振荡器压控振荡器是一个电压－频率变换装置，振荡频率28阻尼系数对稳定性的影响稳定性能阻尼系数的值建立时