锁相环路仿真分析实训报告

1、课程名称实验名称实验教室实验日期班 级学生姓名学号任课教师实验目的本实验安排了锁相环路的仿真分析内容，目的是更加形象地理解锁相环的工作原理，从而观察到硬件实验不易观察到的实验现象。体会PLL的带通频率提纯作用，以及输入噪声强度对入锁时间的影响；理解和体会环路带宽对捕捉带的影响。实验环境SystemView系统实验内容 观察环路输入、输出波形，从时域角度看噪声对输入正弦信号的随机调制，以及环路对噪声影响的抑制作用； 观察PD和LF输出波形，体会LF在环路中的滤波作用，并粗略估计入锁时间；观察输入和输出组合信号波形，看信号相位和频率的调节过程； 观察输入和输出组合信号波形的功率谱，看环路的频率提纯

2、作用； 观察PD输出和LF输出组合信号的基带功率谱，其中是否有工作频率的二次谐波分量（100 Hz），为什么会有此频率分量出现； 不断改变（包括向上、向下）VCO的起始频率，建议从47Hz变到53Hz（频率步进为0.1Hz），如果LF输出为连续振荡波形（如正弦波或叶形波），则环路失锁，如经过调节最终可达到直流即为入锁，测出该环路的捕捉带（约5Hz）； 固定LF的上限截止频率，改变高斯噪声强度，看入锁时间的改变规律，明确输入信噪比与入锁时间的关系； 固定叠加噪声的强度，改变LF的截止频率，再观察入锁时间的改变规律，明确LF带宽与入锁时间的关系。实验原理及电路图锁相环路实质上是一个相位反馈控制调节

3、系统，在通信系统中得到广泛应用。基本PLL由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分构成闭合环路。PD用于检测环路输入和输出信号之间的相位差，并以误差信号给出；LF用于提取误差信号中真正反映相位差变化的低频分量；VCO受控调节振荡频率，随着时间的积累，输出信号相位就发生变化，并且向着减小与输入信号之间相位差的方向调节变化，故相位调节达到环路锁定是需要一定时间的。PLL对信号相位的传递具有低通特性，对信号电压的传递具有带通特性，通带可由LF参数控制，从而可对伴随限带噪声的单频信号起到带通频率提纯作用。LF的3dB带宽虽然通常不直接等于环路闭环相位传输带宽，但LF的3dB带宽

4、越宽，环路带宽也越宽，反之亦然，环路带宽直接影响到入锁时间和捕捉带的宽窄 锁相环仿真系统实验程序清单Token0：Sinusoid，Amp=1v，F=50Hz，Phase=0； Token1：Gauss Noise，Std Dev=0.05v，Mean=0v； Token8：Linear Sys，Butterworth Bandpass IIR，5 Poles，Low Fc=10Hz，Hi Fc=90Hz； Token4：Linear Sys，Butterworth Lowpass IIR，1 Poles，Fc=2Hz； Token5：Function-FM，Amp=1v，F=49Hz，Pha

5、se=0，Mod Gain=5H/v。实验步骤及结果记录在SystemView系统窗下创建的锁相环仿真系统如图3-4-1所示，在锁相环路之前为正弦信号加限带高斯噪声。为了在有限的显示窗口中更清楚地观察仿真结果，本实验中的环路工作频率取得较低。设置系统运行时间：01.5秒、采样速率为1000Hz 注意到，Token0输出频率为50Hz，VCO图符块（Token 5）起始频率设为49Hz，即环路存在1Hz的起始频差，VCO图符块的压控灵敏度为5H/v，则抵消掉这1 Hz的起始频差，环路滤波器输出电压需上调0.2v，如图3-4-2(a)所示；若VCO起始频率设为51Hz，则抵消掉这1 Hz的起始频差

6、，环路滤波器输出电压需下调0.2v，如图3-4-2(b)所示，这种调节所需要的时间即为入锁时间，两种情况下的入锁时间大致需要0.8秒。环路锁定后，环路滤波器输出已变为直流电压。锁相环对输入信号的频率提纯作用可由Token6和Token7组合信号的功率谱表示，如图3-4-3所示，显然，PLL输出信号的频率纯度提高了。实验结果分析环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时

7、，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。收获感想通过本实验的学习，我更加形象地理解锁相环的工作原理，从而观察到硬件实验不易观察到的实验