基于matlab的锁相环设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于matlab的锁相环设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

钟。 锁相环通常可以产生这些频率间隔小而精确的时钟。 另外，在射频系统中 往往要产生高频本地时钟，这可以通过锁相环将外部提供的低频参考时钟倍频来实现最后 ,锁相环通过采用小数分频器可以实现精确的任意小数时钟频率。 锁相环频率合成器的基本结构如图 11 所示。 P F DC P / L P F V C O1 / Mfo u tfR E F 图 11 频率合成器 其中，信道选择电路是数字部分，用以改变分频比。 该结构可实现输出时钟频率是输入参考频率的 N 倍。 由于输入参考频率一般来自于稳定的低噪声石英振荡器，因而它可以得到相当精确的输出频率，目前输出频率达到几十 GHz 的频率合成器都已被报道。 时钟产生器 当微处理器的 晶体管数达到一百万以上时 [7]，时钟驱动逻辑电路的电容负载就达到了几个微法，因此通过时钟驱动器的延时就会有或更长。 这个延时使输入输出信号有很长的建立和保持时间，并且对高时钟频率系统的设计是个限制。 当微处理器的时钟频率达到或更高时，消除由于芯片上时钟驱动延时引起的外部时钟与内部时钟的偏移就变得非常重要。 而与微处理器集成在同一芯片上的锁相环可以消除这个时钟偏移。 另外一方面，利用锁相环电路倍频的功能可以获得比外部时钟频率通常是通过晶体振荡器得到高的内部时钟频率，而且可以将该时钟发生器作为一个模块集成到微处理器芯 片中。 目前锁相环电路已经以核的形式成为系统级芯片里的一个重要模块。 时钟恢复电路 在数字通信中，一般只传输非归零，一一的连续数据流信号，而不同时传输时钟信号。 在接收端为了得到数据，就必须从数据信号中恢复出同步时钟信号并从输入的数据流中重新产生数据信息，实现这个功能的电路就是时哈尔滨理工大学学士学位论文 6 钟数据恢复电路。 被恢复出来的时钟信号可以消除输入数据流在传输过程中引入的抖动和偏移。 偏移减小 锁相环消除延时 如图 12 所示： V C OL P F()cutP D()dut()out ()rut 图 12 锁相环消除延时 在高速数字系统中，通过印 制版 (PCB)进人系统的时钟信号 CKin，会通过缓冲器 (Buffer)来调整波形，并驱动电路。 由于负载电容 CL(通常为纳法级 )的影响，芯片内部时钟信号 CKB。 会相对于 CKin 有一个显著的时间延迟。 我们可以认为这个时间延迟为一个相位差，并在缓冲级上伴随附加一个锁相环 (有大的环路增益 )，原理上就可以完全消除缓冲级延时了。 在低功耗系统中，一个重要的因素是锁定时间。 低功耗系统经常上电和掉电，这就要求锁相环快速使得相位一致。 而且，当低功耗处理器上电后 ,其时钟缓冲级后的负载电容看上去也是变化的 (MOS 电容随栅电压变 化 ),即使锁相环一直工作中，仍然需要一段时间去稳定下来。 另一个缺点是，锁定时间是环路参数的函数，并随工艺和温度变化。 本文的章节安排及主要内容 本文主要针对锁相环的基本功能和工作状态进行了仿真，章按照设计流程自顶向下顺序展开。 第二章介绍了锁相环的基本原理，介绍了锁相环的基本构成、数学模型及环路性能，为第三章的仿真打下了坚实的理论基础。 第三章介绍了使用的软件 Matlab的特点，并分析了锁定性能和稳定性能，介绍了锁相环的调制作用，相关程序见附录。 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 第 2章 锁相环理论 基本理论 锁相环是一个闭环的相位负反馈控制系统， 它能使得输出信号的相位和输入信号的相位对齐。 锁相环通常由鉴相器（ PD）、环路滤波器（ LF）和压控振荡器（ VCO）LF()rut0d三部分组成，锁相环组成的原理框图如图 21 所示。 ()dsucFV C OL P F()cutP D()dut()out ()rut 图 21锁相环基本组成 两信号之间的瞬时相位差为 ()d tu ()c tu1R2C （ 21） 式中 ()ctuVCOKp2t参考信号的载波角频率，式 0 为压控振荡器的自由振荡角频率，+d1te2为输出信号以其载波相位 + ()csuFdsVCOK1()se 2为参考时的瞬时相位，在 VCO 未受控之前它是常数，受控后它是时间的函数。 则由频率和相位之间的关系可得到两信号之间的瞬时频差为 00( ) ( )e rd t d tdt dt   （ 22） PD 是相位比较装置，它把输出信号 ()out)和参考信号 ()rut的相位进行比较，产生对应于两信号相位差 ()et )的误差电压 ()dut。 LF 是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压 ()dut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。 VCO 受控制电压 ()cut的控制， ()cut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。 整个锁相环的工作原理： 1 鉴相器把输出信号 ()out和参考信号 ()rut的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差 ()et 大小的误差电压 ()dut。 2 ()dut经过环路滤波器，滤去高频分量，得到控制电压 ()cut。 3 ()cut调整 VCO 的频率向参考信号的频率靠扰，至两者频率相等而相位同步实现锁定，锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值，即 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 0()lim 0tdtdt  （ 23） 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， ()cut为恒定值。 当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等， ()cut随时间而变化。 由此可见，通过锁相环的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。 基本模块 鉴相器 鉴相器又称相位比较器，它是用来比较两个输入信 号之间的相位差()et ，完成相位 — 电压的变换作用，输出的误差电压 ()dut是相位差 ()et 的函数，即 ( ) ( )deu t f t  （ 24） 如图 22 所示，理想的鉴相器的鉴相特性是线性的，即 ( ) ( )d d eu t K t （ 25） 其中 dK 表示鉴相器的增益，其单位为伏 /弧度。 ()d()e t L F()rut0()ut()dut 图 22 理想鉴频器特性 图 23 正弦鉴相器模型 在很多情况下，这个线性关系不一定满足。 鉴相器的形式有很多，按其鉴相特性 ()eft分，有正弦 形，三角形和锯齿形等。 作为原理分析，通常总是使用正弦形，较为典型的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接为模型，如图 23 所示。 在统一以 0t 为共同参考的情况下，参考信号 ()rut和输出信号 ()out可分别写成 01( ) s i n ( )rru t U t t （ 26） 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 02( ) c o s ( )oou t U t t （ 27） 式中 1 0 0( ) ( ) ( )r r rt t t t          （ ）。 式中 r 参考信号的载波角频率， v 为压控振荡器的自由振荡角频率。 式中 ()rt 为参考信号以其载波相位 rt 为参考时的瞬时相位。 其中 0 ro     称为环路固有频差。 那么鉴相器的输出为 d m r om r om r om r o eu t K u t u tK U t t U t tK U U t t tK U U t                 0 1 0 20 1 2( ) ( ) ( )s i n ( ) c o s ( )1 s i n 2 ( ) ( )21 s i n ( )2 （ 28） 式中 mK 为相乘器的相乘系数， 12( ) ( ) ( )e t t t  为两相乘电压信号的瞬时相位误差。 通过低通滤波器滤除 02 成分后，得到误差电压 1( ) s i n ( s i n (2d m r o e d eu t K U U t U t        （ 29） 令 12d m r oU K U U 为鉴相器输出电压振幅，由此可得鉴相器的数学模型和鉴相特性，分别如图 24 和 25 所示。 当  在 0 附近时，可以近似为： ()ddu t U  （ 210） 1()t 2()t e t s i n ( )de tU sindU +()dut()e t2 20 图 24 正弦鉴相器数学 模型图 图 25 正弦鉴相器的鉴相特性 鉴相器有两个主要功能：一个是频率牵引，另一个是相位锁定。 实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块，但是这些附的模块不会影响锁相环的基本工作原理，可以忽略。 鉴相器的电路种类很多，大致可以分为四种常用类型：。 一般应用在模拟锁相环 (LPLL)中，即线性锁相环，鉴相的范围是 [+90176。 ， 90176。 ]；。 较多应用于数字锁相环中，鉴相范围同为 [+90176。 ， 90176。 ]中，要考虑鉴相器输入的两个信号是对称的还是非对称的， 如是非对称还要考虑其对 PLL 增益及锁相宽度的影响； 触发器型鉴相器。 这种鉴相器由边沿触发，利用边沿间的间隔进行哈尔滨理工大学学士学位论文 10 鉴相 ， 相位误差为 [+180176。 ， l80176。 ]； (phasefrequency detector)。 其优势就在于失锁时，它 的 角频率容易描述。 这种角频率的描述就可以实现鉴频的功能。 鉴相范围为[+360176。 ， 360176。 ]。 环路滤波器 环路滤波器作用可以滤除误差电压 ()dut中的高频分量，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性，具有低通特 性。 更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。 环路滤波器是一个线性系统，其数学模型如图 26 所示。 常用的环路滤波器有 RC 积分滤波器 [8]、无源比例积分滤波器。 1. RC 积分滤波器 它结构简单，电路构成如图 27 所示。 ()d su ()c su()F s dutcut1RC 图 26 环路滤波器数学模型 图 27 RC 积分滤波器 它的传输函数为： 11( ) 1( p)1( ) 1cdut RCFu t PPRC     （ 211） 其中1 1LP FRC 。 变换为拉普拉斯形式，即用 S 代替 P，则得： 111()1 1LP FFs ss  （ 212） 2．无源比例积分滤波器 它与 RC 积分滤波器相比，附加了一个与电容器串联的电阻 R2，电路结构如图 28 所示。 ()d tu ()c tuR2C 图 28 无源比例积分滤波器 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 它的传输函数为： 21( ) 1( p ) ( ) 1cdu t pF u t p  （ 213） 式中 1 1 2()R R C ， 22RC  ，变换为拉普拉斯形式，则得 211() 1 sFs s  （ 214） 压控振荡器 压控振荡器（ VCO）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 ()vt 应随输入控制电压 ()cut线性地变化，即 0( ) ( )v V C O ct K u t （ 215）。