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1、基于Matlab的锁相环设计摘 要随着现代集成电路技术的发展，锁相环已经成为集成电路设计中非常重要的一个部分，所以对锁相环的研究具有积极的现实意义。锁相环电路是一种输出信号在频率和相位上能够与输入参考信号同步的电路，锁相环由于其具有一系列独特的优良性能，它已经成为通信、雷达、导航、电子仪器仪表等设备中不可缺少的一部分。所以这些年来锁相环的设计与研究工作也越来越受到人们的重视，人们开始利用人工计算或计算机软件来分析锁相环的性能。在研究大量资料的基础之上，先对锁相系统的基本工作原理进行了分析，以传统模拟锁相环的结构为基础，分析了锁相环的数学模型，详细描述了锁相环的整体电路以及鉴相器、环路滤波器、压
2、控振荡器等电路模块。并以此为出发点对锁相环的锁定性能、及稳定性能、等各种性能进行了分析。在分析和设计的同时，也采用Matlab软件对锁相环电路进行了仿真。首先分析了一阶锁相环和二阶锁相环的锁定性能，并进行了比较。其次分析了阻尼系数对环路稳定性能的影响。最后介绍了锁相环的调制作用。从锁相环的仿真结果可知，我们的理论研究结果和实验结果相符，锁相环电路达到了设计指标要求。关键词锁相环； Matlab；仿真Phase-Locked Loop Design Based on MatlabAbstractWith the development of modern integrated circuit t
3、echnology, phase locked loop has become a significant component of integrated circuit, which makes the research of phase-locked loop valuable. Phase-locked loop is a kind of circuit that an output signal in the frequency and phase reference signal can be synchronized with the input. Because of a ser
4、ies of uniquely excellent performances, it is becoming an indispensable part of the equipments such as communication, radar, airmanship, electronic instrument etc. People realize the importance of the design and study of PLL , they come to use artificially calculation or software to analyze the prop
5、erty of PLL.After a deep study of the materials about PLL, this thesis starts with the analysis of the fundamental principles of a phase-locked system , then we build the mathematical model based on the traditional of the PLL, describes the overall PLL circuit and phase detector, loop filter, VCO ci
6、rcuit module, etc, and afterwards investigate some of its characters such as locking performance and stability.In the analysis and design, but also we conducted a phase locked loop circuit simulation by Matlab software. First of all, we analyzed the first-order phase lock loop and a second order pha
7、se-locked loop lock performance, and on the basis of the comparison. Secondly we analyzed the damping how to stability of the loop. Finally we introduced the modulation of the phase locked loop. From the simulation results, we know that the theory conclusions and the simulation results fit well phas
8、e-locked loop circuit to the design requirements.Keywords PLL, simulation, Matlab不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 发展历程21.3 国内外发展现状31.4 锁相环的应用51.4.1 频率合成51.4.2 时钟产生器51.4.3 时钟恢复电路61.4.4 偏移减小61.5 本文的章节安排及主要内容6第2章 锁相环理论72.1 基本理论72.2 基本模块82.2.1 鉴相器82.2.2 环路滤波器102.2.3 压控振荡器112.3
9、环路的相位模型及基本方程122.4 环路性能122.4.1 线性化相位模型和传递函数132.4.2 锁定状态下锁相环的动态特性142.5 本章小结16第3章 锁相环仿真173.1 Matlab软件介绍173.2 锁定性能183.2.1 一阶锁相环183.2.2 二阶锁相环193.2.3 一阶锁相环与二阶锁相环比较213.3 环路性能213.3.1 鉴相器的输出223.3.2 低通滤波器的输出233.3.3 压控振荡器的输出243.4 稳定性能253.5 调制作用273.6 本章小结28结论29致谢30参考文献31附录A33附录B36千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新
10、域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义在现代集成电路中，锁相环（Phase Locked Loop）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。该模块用于完成两个信号相位同步的自动控制，即锁相。它是一个闭环的自动控制系统，它将自动频率控制和自动相位控制技术融合，它使我们的世界的一部分有序化1，它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化，也可以将之称为一个相位差自动跟踪系统，它能够自动跟踪两个信号的相位差，并且靠反馈控制来达到自动调节输出信号相位的目的。其理论原理早在上世纪30年代无线电
11、技术发展的初期就已出现，至今已逐步渗透到各个领域。伴随着空间技术的出现，锁相技术大力发展起来，其应用范围已大大拓宽，覆盖了从通信、雷达、计算机到家用电器等各领域。锁相环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；此外，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。一般来说，锁相环可分为以下四类：a. 模拟锁相环：由纯模拟电路构成，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型的锁相环也被称作线性锁相环。b. 数字锁相环：该类型的锁相环的模块完全由数字电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容。c. 混合锁相环：由模拟
12、和数字电路构成，鉴相器和分频器由数字电路构成，而其他模块由模拟电路构成；其中电荷泵锁相环（CPPLL）应用最为广泛。d. 程序锁相环：由计算机程序构成，一般应用较少。锁相环电路简单的模拟电路发展到数模混合电路和全数字电路，由二阶发展到三阶和更高阶。它属于闭环相位自动控制系统，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。长久以来，锁相环一直是相位相干通信系统的基石。模拟锁相环一直占据着统治地位。随着微电子学领域的快速发展，具备巨大优势的数字化系统开始取代相应的模拟系统。目前的趋势是用数字化方式设计和实现锁相环。锁相环被广泛应用于各类电子产品中，在通信系统、数字电路、硬
13、盘驱动电路及cpu等专用芯片中都是一个必不可少的单元，并且直接决定了整个系统的工作稳定性和各项指标的好坏，研究锁相环对我国微电子产业的发展具有重要意义。1.2 发展历程锁相环(PLL-Phase Locked L00P)是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。人们对锁相环的最早研究始于20世纪30年代，其在数学理论方面的原理，30年代无线电技术发展的初期就己出现。1930年建立了同步控制理论的基础，1932年法国工程师贝尔赛什(Bellescize)发表了锁相环路的数学描述和同步检波论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述。锁相技术首先被用在同步接收中2，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的
14、本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。到了1943年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的像，使荧光屏上的电视图像稳定清楚。随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展3。五十年代，随着空间技术的发展，由杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研制,成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环
15、路线性理论的文章4，并解决了锁相环路最佳设计化问题。空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展。六十年代初，维特比(Viterbi)研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题， 发表了相干通信原理的论文。最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。集成电路技术出现后，直到19655年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。最初的锁相环是纯模拟的(APLL)，所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴
16、相器，环路滤波器为低通滤波器(由电阻R电容C组成)，压控振荡器的结构多种多样。由于APLL在稳定工作时，各模块都可以认为是线性工作的，所以也称为线性锁相环LPLL( Linear Phase. Hckedbop )。APLL对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。其主要用于对信号的调制。70年代，林特赛(Undsy)和查理斯(Chanes)在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶PLL的非线性理论分析。随着人们对锁相技术的理论和应用进行的深入广泛的研究，伴随着数字电路的发展，鉴相器部分开始由数字电路代替，其它部分仍为模拟电路，这种锁相环就是最初的数字锁相环
