1、 锁相环电路仿真1111201 曹雷 1111120108 摘 要: 锁相环(P L L ) 频率合成器是一种应用很广的频率合成技术, 自40 年代锁相环技术出现并应用到今天 , 它一直在频率合成领域占主导地位。随着集成电路技术的发展, 许多厂家研制出了通用的鉴频/ 鉴相器、V C O 、分频器等集成化器件, 甚至出现了许多型号的单片锁相环集成电路。这给锁相环的设计应用带来了极大的方便, 根据不同的频率带宽要求选择合适的鉴频/ 鉴相器、V CO、分频器等器件, 设计人员设计好环路滤波器就可以完成锁相环频率合成器的设计合指标要求很大程度上依赖于锁相环路的响应函数是否设计得合适。由于在实际电路中往
2、往加入辅助滤波器、增益控制等电路, 以及存在分布电阻电容等因素, 电路的实际响应很难做到和设计值一致, 因此在制作锁相环前对环路进行建模仿真将有助于提高设计效率。下面介绍一种锁相环的模型。关键词: 锁相环; Multisim1 锁相环的仿真模型首先在Multisim 软件中构造锁相环的仿真模型( 图1) 。基本的锁相环由鉴相器( PD) 、环路滤波器( LP) 和压控振荡器( VCO) 三个部分组成。图中,鉴相器由模拟乘法器A 1 实现, 压控振荡器为V3 , 环路滤波器由R1 、C1 构成。环路滤波器的输出通过R2、R3 串联分压后加到压控振荡器的输入端, 直流电源V2 用来调整压控振荡器的
3、中心频率。仿真模型中, 增加R2、R3 及V2 的目的就是为了便于调整压控振荡器的中心频率。2 锁相接收机的仿真电路直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低,而采用晶体振荡器的调频电路, 其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图2 所示。实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外, 也就是说, 锁相环路只对慢变化的频率偏移有响应, 使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上。而随着输入调制信号的变化, 振荡频率可以发生很大偏移。根据图2 建立的仿真电路如图3 所示。图中,设置压控振荡器V1 在控制电压为0 时, 输出频率为0; 控制电压为 5V
4、 时, 输出频率为50kHz。这样, 实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz, 为此设定直流电压V3 为2. 5V。调制电压V4 通过电阻R5 接到V CO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源V4 的内阻, 这样可以保证加到VCO 输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和, 从而满足了原理图的要求。本电路中, 相加功能也可以通过一个加法器来完成, 但电路要变得相对复杂一些。VCO 输出波形和输入调制电压V4 的关系如图4 所示。由图可见, 输出信号频率随着输入信号的变化而变化, 从而实现了调频功能。3 锁相环鉴频的仿真电路用锁相环可实现调频信号的解调, 其原理框图如图5
5、所示。为了实现不失真的解调, 要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏, 环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度。图6 为相应锁相鉴频电路的仿真电路。图中的:压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同。为了进一步改善低通滤波器的输出波形, 在R1、C1 的输出端, 又串接了一级低通滤波电路(R4、C2 ) 。图 6：由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内, 因此电阻R 1 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中, R1= 10k 8。仿真波形如图7 所示。由图可见, 该电路实现了鉴频功能。如果将R4、C2 的输出作为VCO 的输入, 则仿真结果不再正确, 这在实际仿真时需要注意。
6、4 锁相接收机的仿真电路锁相接收机在接收无线信号方面得到广泛应用。采用锁相接收机,利用环路的窄带跟踪特性, 可以有效地接收弱的无线信号, 其原理如图8 所示。器的输出电压会去调整压控振荡器的频率, 使混频输出的中频信号的频率锁定在本地标准频率上。由于标准信号可以被锁定, 所以中频放大器的频带可以做得很窄, 使输入噪声得到很好的抑制。因而输出信噪比大大提高, 接收微弱信号的能力加强。锁相接收机的仿真电路如图9 所示。图中, 采用模拟乘法器A 2 来实现混频电路, L 1、C2 和R6 构成中频滤波器, 作为混频器的负载, 谐振频率为465kHz。由于模拟乘法器的输出非恒流源, 故接入R4 , 用
7、于改善滤波效果。输入信号源 V5 的频率会在535kHz 1605kHz 之间变化。为了使混频输出保持为一个固定值的465Hz 中频, 压控振荡器的输出频率相应的在1000kHz 2070kHz 之间变化。为此, 设置压控振荡器在控制电压为5V 时输出频率为3000kHz。这样, 实际上就选定了压控振荡器的中心频率为1500kHz。由于调制信号的频率变成4kHz, 因此环路滤波器的通频带要进一步加宽,R1 的数值要进一步减小, 为此设置 R1 为5k8 。混频器输入和输出波形分别如图10 所示。由图可见, 混频后的波形变得稀疏了。进一步的验证可以证明, 混频器输出的频率为465kHz, 等于本地标准中频信号的频率。参考文献王 刚,王艳芬等: 基于 Multisim 的锁相环应用电路仿真 电气电子教学学报第30卷第3期2008 年6月
