锁相环仿真电路

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uD（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uC（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

通俗点说，设置PLL锁相环就相当于超频，单片机超频的原因和PC机是一个道理。 分频的主要原因是外设需要的工作频率往往远低于CPU/MEMORY，这也和PC机南北桥的原理类似。相对来说，PLL锁相环的设置还是比较简单的，因为东西很死，完全可以照搬。只是大家也不要太贪，设置太高相对来说不够稳定，进行过PC机超频的应该很有 体会，一般我们现在用的XS128我觉得设置在80MHz是比较合适的，相比前几届比赛用的DG128，这个频率已经蛮高的了。还有就是 SYNR,REFDV只有在CLKSEL_PLLSEL=0的情况下才能写入，不过这是系统默认状态。 多半大家可能还会有以下几点疑问： 1.PLL锁相环怎么设置？

答：通过写REFDV（CRG参考分频寄存器）和SYNR（CRG合成器寄存器）进行设置 2.代码里while(!CRGFLG_LOCK);这句是干什么的？ 答：时钟校正同步

3.为什么代码中会有多多少少的几句空语句？

答：锁相环从设定到最后稳定还是需要一点点时间的，所以需要加几条空指令

OSC、FOSC、OSCCLK：我认为这三者一样，是振荡器频率，即是我们外加晶振频率

SYNR 时钟合成寄存器

VCOFRQ[7:6]：不知道，跪求高人解答！

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

几种常见锁相环分析

并网变换器对锁相环的基本要求：

（1）电网电压经常发生跌落、闪变等动态电能质量问题，并且这些异常的出现均是不可预计而且需要及时补偿的。所以要求并网变换器能够对电网电压相位的变化在ms级的时间内能做出快速的响应，即要求并网变换器的锁相方法要有良好的动态性能，保证当电压跌落和骤升时不对锁相性能造成太大影响。

（2）三相电压不平衡时，要求电力电子装置的锁相方法能够捕获正序基波分量的相位，对三相不平衡情况有很强的抑制作用。

（3）锁相环应该能快速检测到电网电压发生相位、频率突变等问题。 （4）要求锁相方法对畸变电压要有很强的抑制作用。

（5）对于一些电力补偿装置如动态电压恢复器，锁相方法不仅要实时检测网侧电压的相位，而且要实时监测网侧电压的幅值变化状况用来判断并决定电力补偿装置的工作模式

1、 基于低通滤波器的锁相方法

Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通滤波器的锁相方法，其原理如图所示。三相电网电压从三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，利用常见的低通滤波器滤除电网中的谐波干扰，然后对信号进行标么化处理，从而得到电网电压的相位，旋转矩阵R用于补偿滤波器所造成的相位滞后。

原理及R

优点

三 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 了解锁相环在载波提取中的作用 3 了解平方环和科斯塔斯环的工作原理

内容

设计两个仿真模型，分别使用平方环和科斯塔斯环对抑制载波双边带调制的模拟信号进行相干解调。

原理

1 平方环

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输出信号进行2分频即可恢复载波。平方环的原理框图如下图所示：

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。

本是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。科斯塔斯环又

1锁相环的基本原理

1.1 锁相环的基本构成

锁相环路（PLL）是一个闭环的跟踪系统，它能够跟踪输入信号的相位和频率。确切地讲，锁相环是一个使用输出信号（由振荡器产生的）与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。在同步（通常称为锁定）状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。

如果出现相位误差，一种控制机理作用到振荡器上，使得相位误差再次减小到最小。在这样的控制系统中，实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位，因而我们称之为锁相环。

锁相环在无线电技术的许多领域，如调制与解调、频率合成、数字同步系统等方面得到了广泛的应用，已经成为现代模拟与数字通信系统中不可缺少的基本部件。

锁相环通常由鉴相器（PD），环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个基本部件组成。如图1-1所示：

ui(t) ud(t) uc(t) uo(t) PD LF VCO

图1-1 锁相环的基本构成

在PLL中，PD是一个相位比较器，比较基准信号（输入信号）ui（t）与输出信号

uo（t）之间的相位偏差?e(t)，并由此产生误差信号ud(t)；LF是一个低通滤

学院本科毕业设计（论文）

摘 要

随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛。SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。锁相环路作为能自动跟踪信号相位的闭环自动控制系统已获得非常广泛的应用。将锁相技术应用应用于频率合成器的设计中，既可以满足频率合成器的高精度、高稳定度的性能要求；又可使频率合成器的体积缩小、成本降低；同时频道转换便捷，使之能方便的应用于移动通信领域。

论文介绍了锁相环路的基本工作原理及特性，在分析了锁相频率合成器的组成原理后，提出了在SystemView环境下的锁相环路频率合成器的设计方案，并调试成功。

关键词:SystemView；锁相技术；频率合成器；仿真

学院本科毕业设计（论文）

ABSTRACT

System simulation skills are widely used in area of electronic engineering as the developing of computer technique. Appearance of the software SystemView represents a

摘 要

随着通信及电子系统的飞速发展，促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进。 本次毕业设计的主要任务是，采用0.18μm CMOS工艺，设计实现一个基于改进的鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器的全集成的CMOS PLL锁相环电路，设计重点为PLL锁相环电路的版图设计，设计工具为Laker。

本论文介绍了PLL锁相环电路的基本原理以及其完整的版图设计结果。本次设计表明，采用该方案实现的锁相环电路主要功能工作正常，初步达到设计要求。

关键词：PLL锁相环电路，鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器，版图设计，0.18μm CMOS工艺

1

Abstract

With the development of the communications and electronic systems, the technology of the integrated PLL and digital PLL develops rapidly.

The main task of graduation is to design and realize a fully integrated CMOS PLL circuit which is bas

学院本科毕业设计（论文）

摘 要

随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛。SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。锁相环路作为能自动跟踪信号相位的闭环自动控制系统已获得非常广泛的应用。将锁相技术应用应用于频率合成器的设计中，既可以满足频率合成器的高精度、高稳定度的性能要求；又可使频率合成器的体积缩小、成本降低；同时频道转换便捷，使之能方便的应用于移动通信领域。

论文介绍了锁相环路的基本工作原理及特性，在分析了锁相频率合成器的组成原理后，提出了在SystemView环境下的锁相环路频率合成器的设计方案，并调试成功。

关键词:SystemView；锁相技术；频率合成器；仿真

学院本科毕业设计（论文）

ABSTRACT

System simulation skills are widely used in area of electronic engineering as the developing of computer technique. Appearance of the software SystemView represents a

锁相环：跟踪、锁定交流信号的相位，还可提供有关信号的频率和幅值信息。 锁相环可以实时调整、自动控制，以保证相位的同步。软件锁相环相比于硬件锁相具有设计方便、修改灵活的优点，不需要复杂的硬件电路即可实现相关功能。

单相软件锁相环（SPLL）有两种设计思路。一是基于单相变量的设计思路，而是基于两相正交变量的设计思路。 一、基于单相变量的设计思路

1、基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环

?假设输入电压基波分量ei?Vcos?，令鉴相器输出的电压相位为?，那么定义一虚拟

电流i?sin?，并定义两者的乘积为虚拟无功电流，取出其中的2次谐波后，即为虚拟无功功率平均值p。通过闭环控制使p=0，从而实现相位锁定。

结构简单，但是采用了低通滤波器，因此会有较大系统延迟；若输入信号中有谐波存在，则会在鉴相输出信号中引入响应谐波信号，使得低通滤波器难以设计实现要求。

2、基于输入信号重构的单相锁相环

采用自适应滤波理论来重构其输入信号的基频分量，相位角不需要经任何延迟，从鉴相器输出端直接得到。

具有较大好的动态快速性，但是对电网电压谐波较为敏感。

二、基于两相正交变量的单相锁相环

1、基于延迟法虚拟两相的单相锁相环

采用90°延迟模块产生与输入电网电压信号V?