锁相环倍频器

天津理工大学中环信息学院

电子技术课程设计设计题目：锁相环倍频电路设计

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目录

第一章绪论 (5)

第二章目锁相环倍器 (6)

锁相环原理及应用

锁相电路（PLL）及其应用 自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的围。 目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。 一、锁相环路的基本工作原理 1．锁相环路的基本组成 锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。 图1 锁相环路的基本组成框图 将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。 在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出

控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。 2．锁相环路的捕捉与跟踪过程 当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。 当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。 捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。 由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ） 鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。 鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路． （1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。 （2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。 （3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。 图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。

数字锁相环实验

实验二 数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中，同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。 B C A H G F E D 本地时钟14336KHz 外部测试64KHz 倍频 ÷63 ÷64 ÷65 ÷28 ÷4 延时10ns 采样1 采样2 UM01：FPGA TPMZ03 TPMZ05 图2.2.1 数字锁相环的结构 TPMZ04 TPMZ02 ÷8 TPMZ01 数字锁相环的结构如图2.2.1所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA 内部实现，其工作过程如图2.2.2所示。

A ：14336KHz B ：448KHz C ：64KHz E ：16KHz F ：16KHz 000111011/631/641/651/64 D ：16KHz (G, H) 可变分频器分频数 T1时刻 T2时刻 T3时刻 T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图2.2.1，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E 、F 对D 信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图2.2.2中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该，图2.2.2中D 点的时钟与输入参考时钟C 没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D 点信号前沿提前。在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为惯性方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D 点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D 点时钟信号的时钟沿在E 、F 时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中，各测试点定义如下： 1、 TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz ） 2、 TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz ） 3、 TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz ） 4、 TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz ） 5、 TPMZ05：数字锁相环调整信号 注：以上测试点通过JM05测试头引出，测量时请在测试引出板上进行。JM05的排列如下图所示：

通信原理数字锁相环实验

通信原理实验报告三数字锁相环实验

实验3数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中，同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。 图2.2.1 数字锁相环的结构 数字锁相环的结构如图所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA内部实现，其工作过程如图所示。

T1时刻T2时刻T3时刻T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F对D信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该，图中D点的时钟与输入参考时钟C没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D点信号前沿提前。在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D点时钟信号的时钟沿在E、F时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中，各测试点定义如下： 1、TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz） 2、TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz） 3、TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz） 4、TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz） 5、TPMZ05：数字锁相环调整信号

全数字锁相环原理及应用

全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日 摘要：锁相环是一种相位负反馈系统，它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展，全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此，本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究，并用VHDL语言编程，利用FPGA仿真。 为解决软件无线电应用扩展到射频，即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题，本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一，它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础，还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。 关键词：全数字锁相环；锁定时间；锁定精度；PID控制；自动变模控制；数控振荡器；时间数字转换器；数字环路滤波器；FPGA； Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言 锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展，但是其应用领域也在不断扩大，随着高新科技的发展，使得它的性能需要不断地改进和提高，因此，锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3]，以适应不同场合的需求。

滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 模拟锁相环实验 载波同步帧同步实验

实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 实验项目三数字锁相环法位同步观测 （1）观测“数字锁相环输入”和“输入跳变指示”，观测当“数字锁相环输入”没有跳变和有跳变时“输入跳变指示”的波形。 从图中可以观察出，若前一位数据有跳变，则判断有效，“输入跳变指示”输出表示1；否则，输出0表示判断无效。 （2）观测“数字锁相环输入”和“鉴相输出”。观测相位超前滞后的情况 数字锁相环的超前—滞后鉴相器需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。经观察比较，“鉴相输出”比“数字锁相环输入”超前两个码元。

（3）观测“插入指示”和“扣除指示”。 （4）以信号源模块“CLK ”为触发，观测13号模块的“BS2”。 思考题：分析波形有何特点，为什么会出现这种情况。 因为可变分频器的输出信号频率与实验所需频率接近，将其和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较的结果若是载波频率高了，就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入 一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而了达到同步的目的。 思考题：BS2恢复的时钟是否有抖动的情况，为什么？试分析BS2抖动的区间有多大？如何减小这个抖动的区间？ 有抖动的存在，是因为可变分频器的存在使得下一个时钟沿的到来时间不确定，从而引入了相位抖动。而这种引入的误差是无法消除的。减小相位抖动的方法就是将分频器的分频数提高。

实验二十 模拟锁相环实验 实验项目一 VCO 自由振荡观测 （1）示波器CH1接TH8，CH2接TH4输出，对比观测输入及输出波形。 实验项目二 同步带测量 （1） 示波器CH1接13号模块TH8模拟锁相环输入，CH2接TH4输出BS1，观察TH4 输出处于锁定状态。将正弦波频率调小直到输出波形失锁，此时的频率大小f1为 400Hz ；将频率调大，直到TH4输出处于失锁状态，记下此时频率f2为 9.25kHz 。 对比波形可以发现TH8与TH4信号输入与输出错位半个周期 如右图所示，方波抖动，说明处于失锁状态。 记下两次波形失锁的频率，可计 算 出 同 步 带 f=9.25KHz-400Hz=8.85KHz 。

锁相环pll工作原理及verilog代码

锁相环的组成和工作原理 #1 1．锁相环的基本组成 ． 许多电子设备要正常工作， 通常需要外部的输入信号与内部的振荡信 许多电子设备要正常工作， 号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。 号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。 锁相环路是一种反馈控制电路， 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环 ）。锁相环的特点是 （PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的 ）。锁相环的特点是： 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 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， 相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中， 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 于闭环跟踪电路 信号的频率与输入信号的频率相等时， 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 持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住， 就是锁相环名称的由来。 就是锁相环名称的由来。 （ ） 锁相环通常由鉴相器 PD） 环路滤波器 LF） 、 （ ） 和压控振荡器 VCO） （ ） 三部分组成， 所示。 三部分组成，锁相环组成的原理框图如图 8-4-1 所示。 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 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器， 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 出信号的相位差， ） 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（t） 输出， ， C ） 对振荡器输出信号的频率实施控制。 对振荡器输出信号的频率实施控制。 施控制 2．锁相环的工作原理 ． 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成， 利用模拟乘法器组成的鉴 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成， 相器电路如图 8-4-2 所示。 所示。

锁相环

锁相环路 主要内容： 模块介绍 项目训练 1、模块介绍 1.1 锁相环路基本工作原理 图6-1 锁相环路的基本组成框架 鉴相器（PD ）：用以比较i u 、o u 相位， 输出反映相位误差 的电压()D u t 。 环路滤波器（LF ）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO ）：在()C u t 控制下输出相应频率o f 。 图6-2 o U 与i U 的频率和相位之间的关系 两个正弦信号的频率和相位之间的关系如图6-2所示，若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。 若i o ωω≠，则称电路处于失锁状态，()i u t 和()o u t 之间产生相位变化，鉴相器

输出误差电压()D u t ，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压()C u t ，控制VCO 的角频率o ω，去接近i ω。最终使 i o ωω=，相位误差为常数，环路锁定，这时相位误差称为剩余相位误差或稳态相 位误差。 1. 2 锁相环路的相位模型及性能分析 一、鉴相器(PD) 设压控振荡器的输出电压为 [])(cos )(o 0o om o t t U t u ?ω+= ωo0 是压控振荡器未加控制电压固有振荡角频率， ?o(t)是以ωo0为参考的瞬时相位， 环路输入电压为)sin()(i im i t U t u ω=， 其相位可改写为)()(i o0o0i o0i t t t t t ?ωωωωω+=-+=， 则()i u t 与()o u t 之间的瞬时相位差为)()()(o i e t t t ???-=， 设鉴相器具有正弦鉴相特性，则[])(sin )(e d D t A t u ?=。 二、压控振荡器(VCO) 在c u = 0 附近，控制特性近似线性： o o0o c ()()t A u t ωω=+ o rad /(s )A V ?式中，是控制灵敏度（增益系数），单位 可见压控振荡器是一个理想的积分器，将积分符号用微分算子p =d/d t 的 倒数表示，则得 )()(c o o t u p A t = ? 1. 3 集成锁相环路 按电路构成分类，继承锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环；按用途分类，集成锁相环分为通用PLL 和专用PLL 。

实验报告一 模拟锁相环模块

模拟锁相环模块 信息工程学院08级电子班安艳芳0839107 一、实验目的 1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理 2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计 二、实验仪器 JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台） 三、实验原理和电路说明 锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上。同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下： 1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、 TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。 2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时，输入信号来自HDB3编码模块 的HDB3码信号；当KP021置于2_3时，选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。

锁相环调频和解调实验,频率合成器实验

实验11 锁相调频与鉴频实验 一、实验目的 1.掌握锁相环的基本概念。 2.了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。 3.掌握由集成锁相环电路组成的频率调制电路/解调电路的工作原理。 二、预习要求 1.复习反馈控制电路的相关知识。 2.锁相环路的工作原理。 三、实验仪器 1.高频信号发生器 2.频率计 3.双踪示波器 4.万用表 5.实验板GPMK8 四、锁相环的构成和基本原理 （1）锁相环的基本组成 图11-1是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

图11-1 锁相环的基本组成 ① 压控振荡器（VCO ） VCO 是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO 上的电压。所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。 ② 鉴相器（PD ） PD 是一个相位比较器，用来检测输出信号0V （t ）与输入信号i V （t ）之间的相位差θ (t)，并把θ(t)转化为电压)(t V d 输出，)(t V d 称为误差电压，通常)(t V d 作为一直流分量或一低频交流量。 ③ 环路滤波器（LF ） LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在)(t V d 中产生的无用组合频率分量及干扰，产生一个只反映θ(t)大小的控制信号)(t V C 。 4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。 （2）锁相环锁相原理 锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使)(t V O 与)(t V i 的相位差θ(t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压)(t V d 。此误差电压经过LF 滤波后得到)(t V c ，由)(t V c 去改变VCO 的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。环路达到最后的这种状态就称为锁定状态。当然由于控制信号正比于相位差，即)(t V d 正比于θ（t ），因此在锁定状态，θ（t ）不可能为零，换言之，在锁定状态)(t V O 与)(t V i 仍存在相位差。虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输出频率O F 与外加基准频率（输入信号频率）i F 相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。 （3）同频带与捕捉带 同步带是指从环路锁定开始，改变输入信号的频率i f （向高或向低两个方向变化），直到环路失锁（ 由锁定到失锁），这段频率范围称为同步带。 捕捉带是指锁相环处于一个固有的自由振荡频率V f ，即处于失锁状态，当从高端慢慢减小外加输入信号频率i f （初始频率设置较高），直到环路锁定，此时外加输入信号频率max i f 就是同步带的最高频率。当从低端慢慢增加外加输入信号频率（初始频率设置较低），直到环路锁定，此时外加输入信号频率min i f 就是捕捉带的最低频率。捕捉带为max i f -min i f 。 五、实验电路说明 调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，既使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。 本实验是用CD4046数字集成锁相环（PLL ）来实现调频/解调（鉴频）的。有关数字集成锁相环CD4046的内部构成和工作原理请参阅相关内容的书籍。 锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图如下图所示。

锁相环PLL及APBDIV

第十五篇锁相环PLL及APBDIV 关于锁相环的内容早就应该涉及，因为之前的定时器计数周期，和之后的串口波特率、AD转换频率等都与此相关。 锁相环的英文名为：Phase Locked Loop，其实它的作用就是一个倍频器，它把外部晶振频率（Fosc）加倍后得到系统时钟（Fcclk）给CPU使用，即：Fcclk=Fosc*M，这个M值是可设定的，它就是寄存器PLLCFG 的低五位决定，但M值不能随意设定，比如LPC2103的Fcclk不能超过60MHz。 还有一个频率叫Fcco,它是PLL内部的CCO（电流控制振荡器current controlled oscillator）的频率，Fcco=Fcclk*2*P，P由PLLCFG[6:5]决定，我们不要对它有过多注意力，因为外围电路和Fcco无关，CCO 只是为了保证PLL正常工作且在其内部的一个部件（想知道具体机制查相关资料），我们唯一要做的是使Fcco处于正常的范围（LPC2000系列ARM的CCO要求工作在156~320MHz）之内就行了。 还有，Fpclk是我们必须注意的，芯片外设工作于PCLK（APB clock），（APB和AHB是外围电路中的两种总线，AHB速度快，用于VIC；APB用于其它外设：定时器、串口等），PCLK由FCCLK分频得到（通过APB分频器），分频值由寄存器APBDIV[1:0]决定,其它位保留。 上述频率的关系如下图： 下面具体说明程序中应该如何设置这些频率值： 首先说一下这些倍数的配置寄存器： 所谓M由PLLCFG[4:0]决定，并不是二者相等，而是M=PLLCFG[4:0]+1； 还有P=2^PLLCFG[6:5]（2的n次幂）； 还有： APBDIV[1:0]=00，Fcclk/Fpclk=1/4; APBDIV[1:0]=01，Fcclk/Fpclk=1; APBDIV[1:0]=10，Fcclk/Fpclk=1/2; APBDIV[1:0]=11，保留。

锁相环的组成和工作原理

锁相环的组成和工作原理 时间：2011-11-23 来源：作者： 关键字：锁相环工作原理 1．锁相环的基本组成 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。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）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。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。 2．锁相环的工作原理 锁相环中的鉴相器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8-4-2所示。 鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为： 用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即uC（t）为：

式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： 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，uc（t）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，uc（t）随时间而变。 因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式 上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi的状态不变。 8．4．2锁相环的应用 1．锁相环在调制和解调中的应用 （1）调制和解调的概念 为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。 所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。 调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。

滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验教学文案

滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验

滤波法及数字锁相环法位同步提取实验和帧同步提取实验 一、实验目的 1、掌握滤波法提取位同步信号的原理及其对信息码的要求； 2、掌握用数字锁相环提取位同步信号的原理及其对信息代码的要求； 3、掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念； 4、掌握巴克码识别原理； 5、掌握同步保护原理； 6、掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态的概念。 二、实验内容 1、熟悉实验箱 2、滤波法位同步带通滤波器幅频特性测量； 3、滤波法位同步恢复观测； 4、数字锁相环位同步观测； 5、帧同步提取实验。 三、实验条件/器材 滤波法及数字锁相环法位同步提取实验： 1、主控&信号源、8号（基带传输编译码）、13号（载波同步及位同步）模块 2、双踪示波器（模拟/数字） 3、连接线若干 帧同步提取实验： 1、主控&信号源、7号模块 2、双踪示波器（模拟/数字） 3、连接线若干 四、实验原理 滤波法及数字锁相环法位同步提取实验原理见通信原理综合实验指导书P129-P134; 帧同步提取实验原理见通信原理综合实验指导书P141。 五、实验过程及结果分析 （一）熟悉实验箱 （二）滤波法位同步带通滤波器幅频特性测量 1、连线及相关设置 （1）关电，连线。 （2）开电，设置主控，选择【信号源】→【输出波形】。设置输出波形为正弦波，调节相应旋钮，使其输出频率为200Khz，峰峰值3V。 （3）此时系统初始状态为：输入信号为频率200KHz、幅度为3V的正弦波。 2、实验操作及波形观测 分别观测13号模块的“滤波法位同步输入”和“BPF-Out”，改变信号源的频率，测量“BPF-Out” 的幅度填入下表，并绘制幅频特性曲线。

基于数字锁相环的同步倍频器设计

一、主要内容与要求 1.掌握应用电子设计自动化（EDA）技术设计电子系统的方法； 2.采用超高速集成电路硬件描述语言（Verilog）设计一种基于数字锁相环的倍频器； 3.重点设计数字环路滤波器和数控振荡器； 4.利用计算机仿真技术进行验证； 5.阅读并翻译3000单词以上的英文资料。 二、主要技术要求 n倍频；2 1.系统能够实现输出信号为输入信号的2.改变系统参数可以得到不同的倍频信号，且始终能够使输出信号与输入信号保持同步； 3.用Verilog语言编写设计程序，利用计算机仿真予以验证。 三、研究方法 1.在查阅大量技术资料的基础上，进行设计方案的比较； 2.确定全数字锁相环系统的设计方案； 3.采用自顶向下的设计方法，进行系统模块的划分，并确定用Verilog设计各功能模块的算法； 4.编写系统设计程序，并进行仿真验证，经过反复修改使电路系统达到设计要求。 四、工作进度安排 1.2012年12月学习掌握Verilog设计技术，收集和整理与毕业设计有关的资料； 2.2013年1月在分析和整理资料的基础上写开题报告，确定设计方案和研究技术路线； 3.2013年3月完成环路滤波器和数控振荡器的设计与仿真； 4.2013年4月完成全数字倍频器的系统设计与仿真； 5.2013年5月撰写毕业设计说明书和准备毕业答辩稿； 6.2013年6月初毕业答辩。 指导教师 南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目基于数字锁相环的同步倍频器设计 省部级课题设计（论文）题目来源起止时工程设计2012.12013.6 设计（论文）题目类 一、设计（论文）依据及研究意义 锁相(phase-locked loop是一种反馈控制电路，作用是实现设备外部输入信号与内部的震荡信号同步其基本组成包括鉴相 phasedetector环路滤波器loopfilter）和压控振荡器 voltagecontroloscillato） 倍频器frequencymultiplie）是使输出信号频率等于输入信号频率整倍的电路利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍器倍频器也可由一个压控振荡器和控制环路构成它的控制电路产生一控制压，使压控振荡器的振荡频率严格地锁定在输入频f的倍乘fnf 因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定所以其构的倍频器，倍频噪声较大。倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用到限制在要求倍频噪声较小的设备中可采用根据锁相环原理构成的锁相环步倍频器 模拟锁相环主要由相位参考提取电路压控振荡器相位比较器控制电等组成压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号把它和由相位参提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器用比较形成的误差通控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化实现锁相而达到同步 数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器脉冲补抹门等组成分频器输出的信号频率与所需频率十分接近把它和从信中提取的相位参考信号同时送入相位比较器比较结果示出本地频率高了时就过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲相当于本地振荡频率降低相反若示本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲相当于本振荡频率上升，从而达到同步。．

数字锁相环试验讲义锁相环的分类模拟数字如何定义何谓

数字锁相环试验讲义 一、锁相环的分类 模拟、数字如何定义？何谓数字锁相环。是指对模拟信号进行采样量化之后（数字化）的“数字信号”的处理中应用的锁相环，还是指的对真正的“数字信号”如时钟波形进行锁定的锁相环？ 二、数字锁相环的实际应用 欲成其事，先明其义。 现代数字系统设计中，锁相环有什么样的作用。 1）在ASIC设计中的应用。 主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。 例一：为了达到ASIC设计对时钟的要求,许多工程师都在他们的设计中加入了锁相环(PLL)。PLL有很多理想的特性，例如可以倍频、纠正时钟信号的占空比以及消除时钟在分布中产生的延迟等。这些特性使设计者们可以将价格便宜的低频晶振置于芯片外作为时钟源，然后通过在芯片中对该低频时钟源产生的信号进行倍频来得到任意更高频率的内部时钟信号。同时，通过加入PLL，设计者还可以将建立-保持时间窗与芯片时钟源的边沿对齐，并以此来控制建立-保持时间窗和输入时钟源与输出信号之间的延迟。 2）在信号源产生方面的应用 例二：由于无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高，而且要求能方便地改换频率。实现频率合成有多种方法，但基本上可以归纳为直接合成法与间接合成法（锁相环路）两大类。 3）无线通信领域的实际应用 例三：GSM手机的频率系统包括参考频率锁相环，射频本振锁相环、中频本振锁相环。 广义的数字锁相环包括扩频通信中的码跟踪。 三、数字锁相环的基本原理 一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，但这些部件全部采用数字电路。具体来说数字锁相环由：数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。 四、实际应用中的数字锁相环的实现方法 PLL的结构和功能看起来十分简单，但实际上却非常复杂，因而即使是最好的电路设计者也很难十分顺利地完成PLL的设计。 在实际应用中，针对数字信号或数字时钟的特点，数字锁相环多采用超前滞后型吞吐脉冲的锁相环路来实现。 下面的框图是一个实用的数字锁相环的实现框图。

实验三：模拟锁相环与载波同步

实验三：模拟锁相环与载波同步 一、实验目的 1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。 三、实验步骤 本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。 1.熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。 2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。 环路锁定时u d 为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中 即等于VCO信号频率）。环路失锁时u d 为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。 根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下： （1）观察锁定状态与失锁状态 打开电源后用示波器观察u d ，若u d 为直流，则调节载波同步模块上的可变电 容C 34，u d 随C 34 减小而减小，随C 34 增大而增大（为什么？请思考），这说明环路 处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。在 锁定状态下，向某一方向变化C 34，可使u d 由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频 率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。

倍频器原理

4、倍频器 （1）功能。倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。 （2）倍频原理。由晶体三极管组成的倍频电路如下图所法，它的基本原理是：三极管VT1的基极不设置或设置很低的静态工作点，三极管工作于非线性状态，于是输入信号经管子放大，其集电极电流会产生截止切割失睦，输出信号信号丰富的谐波分量，利用选频网络选通所需的倍频信号，而滤除基波和其他谐波分量后，这就实现了对输入信号 的倍频功能。 5、射频功率放大器手持移动电话发射端的高频信号功率越大，天线转换成电磁波的能量也越大，天线转换成电磁波的能量也越大，通信距离就越远；反之，输出高频信号功率越小，通信距离就越近。为了保证一定距离的无线电通信正常，必须对射频信号进行功率放大。对手机射频功率放大器的主要要求有以下四个方面。 （1）输出功率能达到要求，电路有一定的输出功率功率余量。 （2）电路效率高，以节约直流电源用电量。

（3）具有良好的谐波抑制能力，杂波辐射量要小。 （4）具有功率自动控制电路，以防止电源电压变化或振荡输出电 压幅度不稳定引起的过激励，避免末级功放电路的烧毁。 目前手持移动电话的射频功率放大器广泛应用厚膜混合集成功放块，其特点是将射频功放器件组成整件，体积小，可*性高，组装及检修方便。功率自动控制电路使输出功率保持在一定范围内，其工作原理框图如下图所示。末级功放输出的信号经耦合器采样取出部分信号功率，经过检波变成直流送入放大器放大，放大后的电平再耦合至微处理器进行检测，并由微处理器送出一个控制指令到功率放大器，从而调整 功率电平使之能满足要求。 三、锁相环频率合成器 1、电路组成 基本锁相环频率合成器主要由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和 可编程分频器组成。 鉴相器又称相位比较器，其作用是将检测信号与基准信号进行相位比较，并输出一个反映两信号相位差大小的电压。 低通滤波器的作用是滤除鉴相器输出电压的干扰成分，使之更加纯净地反映两比较信号相位差的大小。 压控振荡器是一个振荡频率受电压大小控制的振荡电路，实际上是 一个调频振荡电路。