multisim平台下高速锁相环分析与仿真【字数：13852】
数字通信技术在近些年得到了非常快的发展，而锁相环技术在这一技术的绝大部分领域都有很多的应用，锁相环技术也因此不断发展。不仅如此，锁相环在现代无线通信系统接收机中也是一个关键的组成部分，高速锁相环设计影响着系统性能的提升。本课题主要是来探索高速锁相环两个方面，即非线性特性和性能优化的方法。第一步，设置一组锁相环的重要参数，比方阻尼因子ξ和噪声带宽Bn，以及环路带宽ωn等，并不是每个设计都要用到上述所有参数，通常只是根据需要指定其中几个。第二步，按照输入信号的特性，设置鉴相器的种类和它的工作频率。根据输出信号的要求确定VCO的工作频率范围，继而确定鉴相器的增益Kd、VCO的外围元件参数及其增益Ko。然后根据确定的锁相环的阶数对环路滤波器的电路类型进行选择，最后用Multisim 14.0 来设计电路和仿真。整个设计中，有一点是很重要的，那就是要确定环路滤波器的参数，环路滤波器对于锁相环电路是有着重要意义的。算出RC参数后就可以实现锁相环电路的最佳锁相。本篇论文将把选择环路滤波器的参数作为分析计算的首要，把无源比例积分滤波器和普通的RC积分滤波器，以及有源比例积分滤波器先是理论上的分析，然后是在软件上的仿真，完成高速锁相环系统的分析。分析仿真结果后得到其一，电容的放电时间常数（τ=RC）变大，放电就会变慢，电容输出的电压高的话，抖动的成分就会变少，此设置下滤波的效果变好；其二，阻尼系数与系统的两个因素——超调量和过度振荡常数成反比，阻尼系数越大，他们越小，系统就越稳定。在高速锁相环部分设定它的输出增益为2V，输入信号的电压源为5V，频率为1.6kHz。改变R、C的取值，就会影响环路滤波器的性能，若R、C的取值过大或者过小环路滤波器都不能起到很好的滤波作用，这样就无法提高系统的稳定性，锁相环的锁定时间也及锁定速度都会发生改变。总之，环路滤波器的阶数对锁相环的性能和阶数起到决定性的作用，同时较高阶数的锁相环具有较好的锁相功能，在应用中也能够稳定可靠。不过，有源滤波器阶数一样的话，对应的PLL环路锁定时间基本上是差不多的。
目录
1.绪论 1
1.1锁相技术的发展及应用 1
1.2课题研究背景和意义 1
1.3论文的任务及内容安排 2
2.锁相环的系统概述 4
2.1锁相环的工作原理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
与电路构成 4
2.2鉴相器 4
2.2.1模拟鉴相器 5
2.2.2数字鉴相器 5
2.2.3鉴相死区 6
2.3环路滤波器 6
2.3.1普通的RC积分滤波器 7
2.3.2无源与有源滤波器 8
2.4压控振荡器 10
2.4.1压控振荡器要求的性能 11
2.4.2压控振荡器的分类 12
3.环路滤波器设计与仿真 13
3.1环路滤波器的参数指标 13
3.2环路滤波器常数的计算 14
3.3环路滤波器的实例仿真与参数分析 14
3.3.1一阶有源滤波器的分析与仿真 14
3.3.2二阶有源低通滤波器的分析与仿真 17
4.高速锁相环电路的分析与仿真 21
4.1负反馈电路中环路增益的测试 21
4.2高速锁相环的设计与仿真 22
4.3高速锁相环应用实例 26
5.总结与展望 27
5.1结论 27
5.2存在的不足与展望 27
参考文献 28
致谢 29
1.绪论
1.1锁相技术的发展及应用
锁相环是两个技术的融合，它们是：频率和相位的自动控制技术。在20世纪30年代，人们进行了锁相环的初步研究。1930年，建立了同步控制理论的基础，1932年贝尔赛什公开了锁相环路的数学描述,这也是锁相环路的第一个数学描述。1943年锁相环路首次应用在黑白电视里,锁相环路有效降低了对外部噪声对同步信号的影响,所以避免了画面抖动的现象。
在这之后,空间技术快速的进步,杰费和里希两个人把导弹信标的跟踪滤波器替换成锁相环路并取得成功，他们首次公开了把噪声效应包含在内的锁相环路线性这方面理论分析的报告,而且还把锁相环路如何实现最佳设计化的问题解决了。再之后,维特比对无噪声锁相环路的非线性进行了分析研究,并且公开了相关通信原理的论文。
70年代，随着一阶、二阶和高阶的有噪声的PLL有了非线性的理论分析。人们对于锁相技术开始了深入的探索和研究。由于数字电路的快速进步,数字电路取替了鉴相器部分,但是其别的部分依然是模拟电路,最初的数字锁相环(DPLL)就是这个样子的,它的名称叫做数模混合锁相环。伴着数模混合锁相环技术理论的持续发展,它也成为了锁相环最主要的使用方式。锁相坏的性能比以前提升了很多,现在50GHz的锁相环也已经存在,它也在通信以及航空航天这些方面中有着举足轻重的作用。
现在,除了有些特殊用途的锁相环路,绝大部分都集成了,而且现在已经有数百个品种。现在，锁相技术已经比较系统了,其在通信雷达、航天、精密测量、计算机、红外等等以及有关图像处理这些方面都得到了及其广泛的应用。
1.2课题研究背景和意义
随着数字通信的发展，锁相环成为现代电子工程中一个重要的环节，它的工作原理是负反馈。在电子学中，依据控制对象的不同反馈控制可以有三种不同的类别：其一，检测及控制信号的幅度，这种叫做自动增益控制也可以叫做自动电平控制；其二，检测及控制信号的频率，这种叫做自动频率控制；其三，检测和控制信号的相位，这种叫做自动相位控制。锁相环电路是属于第三种的，也就是检测和控制信号的相位。由于锁相环电路具有锁定后无剩余差额，具有良好的跟踪性能，把锁相环路用来构建锁相环放大器，具有检测深埋在噪声中的信号的功能，这样一来，它在军事技术、通信、空间技术、测量、计算机等许多方面就有了很多的使用。
例如，在通信领域中，主要应用于短波，超短波发、收信机中的主振与本振源，在微波固态源与微波功率放大器在微波卫星通信中的应用，有线通信中载波的供给，网同步、码元同步和载波同步这三种在数字通信中，以及上述各种通信系统中的调制与解调，电调与天调、自动频率微调等系统中；锁相环路在雷达中主要应用在天线的自动跟踪系统以及精密辅角偏转测量等系统中；
在现代无线通信系统接收机中锁相环同样也扮演着非常重要的作用，提高系统性能其中最重要的一个因素就是高速锁相环的设计。这篇论文将致力于探索高速锁相环的非线性特性和它的性能如何进行优化。对鉴相器的非线性特征，环路滤波器的设计方案等进行综合的分析与优化，我们采用的是电脑上的仿真软件Multisim 14.0 ，把电路系统构建出来然后进行仿真分析以及实现优化。
NI Multisim 是是一款在Windows系统基础上的仿真工具，它是由美国国家仪器（NI）有限公司设计推出的。在2015年时，NI Multisim 14.0发布了，这个版本在仿真技术方面加强了很多，在学习教育、科学技术研究以及电路分析模拟等方面发挥了更大的作用。
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图11 Multisim 14.0软件界面
1.3论文的任务及内容安排
这篇文章的主要方向就是用Multisim对设计的电路进行仿真，进而来对高速锁相环的性能进行分析。对锁相环的各个模块进行参数选择，在各种参数的比较中得出锁相环的最佳参数。
此篇论文最重要的任务就是对锁相环中环路滤波器工作原理进行分析研究，依据锁相环系统在性能上的需要，然后选择环路滤波器各个参数的值。环路带宽的参数在电路设计的过程中进行的恰当的设置，对于VCO的锁定时间、系统分辨率、相位噪声等很多的要求都是非常有利的。在环路滤波器的设计中，参数指标不容易满足、很多的因素都会影响结果，而且整个设计仿真的过程有很多复杂且难度较大的计算公式。恰好NI Multisim 14.0仿真软件的仿真能力还是相当强大的，用这个软件来进行模拟设计和仿真，能够快速且方便的、精度很高的设计出达到要求的环路滤波器。
目录
1.绪论 1
1.1锁相技术的发展及应用 1
1.2课题研究背景和意义 1
1.3论文的任务及内容安排 2
2.锁相环的系统概述 4
2.1锁相环的工作原理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
与电路构成 4
2.2鉴相器 4
2.2.1模拟鉴相器 5
2.2.2数字鉴相器 5
2.2.3鉴相死区 6
2.3环路滤波器 6
2.3.1普通的RC积分滤波器 7
2.3.2无源与有源滤波器 8
2.4压控振荡器 10
2.4.1压控振荡器要求的性能 11
2.4.2压控振荡器的分类 12
3.环路滤波器设计与仿真 13
3.1环路滤波器的参数指标 13
3.2环路滤波器常数的计算 14
3.3环路滤波器的实例仿真与参数分析 14
3.3.1一阶有源滤波器的分析与仿真 14
3.3.2二阶有源低通滤波器的分析与仿真 17
4.高速锁相环电路的分析与仿真 21
4.1负反馈电路中环路增益的测试 21
4.2高速锁相环的设计与仿真 22
4.3高速锁相环应用实例 26
5.总结与展望 27
5.1结论 27
5.2存在的不足与展望 27
参考文献 28
致谢 29
1.绪论
1.1锁相技术的发展及应用
锁相环是两个技术的融合，它们是：频率和相位的自动控制技术。在20世纪30年代，人们进行了锁相环的初步研究。1930年，建立了同步控制理论的基础，1932年贝尔赛什公开了锁相环路的数学描述,这也是锁相环路的第一个数学描述。1943年锁相环路首次应用在黑白电视里,锁相环路有效降低了对外部噪声对同步信号的影响,所以避免了画面抖动的现象。
在这之后,空间技术快速的进步,杰费和里希两个人把导弹信标的跟踪滤波器替换成锁相环路并取得成功，他们首次公开了把噪声效应包含在内的锁相环路线性这方面理论分析的报告,而且还把锁相环路如何实现最佳设计化的问题解决了。再之后,维特比对无噪声锁相环路的非线性进行了分析研究,并且公开了相关通信原理的论文。
70年代，随着一阶、二阶和高阶的有噪声的PLL有了非线性的理论分析。人们对于锁相技术开始了深入的探索和研究。由于数字电路的快速进步,数字电路取替了鉴相器部分,但是其别的部分依然是模拟电路,最初的数字锁相环(DPLL)就是这个样子的,它的名称叫做数模混合锁相环。伴着数模混合锁相环技术理论的持续发展,它也成为了锁相环最主要的使用方式。锁相坏的性能比以前提升了很多,现在50GHz的锁相环也已经存在,它也在通信以及航空航天这些方面中有着举足轻重的作用。
现在,除了有些特殊用途的锁相环路,绝大部分都集成了,而且现在已经有数百个品种。现在，锁相技术已经比较系统了,其在通信雷达、航天、精密测量、计算机、红外等等以及有关图像处理这些方面都得到了及其广泛的应用。
1.2课题研究背景和意义
随着数字通信的发展，锁相环成为现代电子工程中一个重要的环节，它的工作原理是负反馈。在电子学中，依据控制对象的不同反馈控制可以有三种不同的类别：其一，检测及控制信号的幅度，这种叫做自动增益控制也可以叫做自动电平控制；其二，检测及控制信号的频率，这种叫做自动频率控制；其三，检测和控制信号的相位，这种叫做自动相位控制。锁相环电路是属于第三种的，也就是检测和控制信号的相位。由于锁相环电路具有锁定后无剩余差额，具有良好的跟踪性能，把锁相环路用来构建锁相环放大器，具有检测深埋在噪声中的信号的功能，这样一来，它在军事技术、通信、空间技术、测量、计算机等许多方面就有了很多的使用。
例如，在通信领域中，主要应用于短波，超短波发、收信机中的主振与本振源，在微波固态源与微波功率放大器在微波卫星通信中的应用，有线通信中载波的供给，网同步、码元同步和载波同步这三种在数字通信中，以及上述各种通信系统中的调制与解调，电调与天调、自动频率微调等系统中；锁相环路在雷达中主要应用在天线的自动跟踪系统以及精密辅角偏转测量等系统中；
在现代无线通信系统接收机中锁相环同样也扮演着非常重要的作用，提高系统性能其中最重要的一个因素就是高速锁相环的设计。这篇论文将致力于探索高速锁相环的非线性特性和它的性能如何进行优化。对鉴相器的非线性特征，环路滤波器的设计方案等进行综合的分析与优化，我们采用的是电脑上的仿真软件Multisim 14.0 ，把电路系统构建出来然后进行仿真分析以及实现优化。
NI Multisim 是是一款在Windows系统基础上的仿真工具，它是由美国国家仪器（NI）有限公司设计推出的。在2015年时，NI Multisim 14.0发布了，这个版本在仿真技术方面加强了很多，在学习教育、科学技术研究以及电路分析模拟等方面发挥了更大的作用。
/
图11 Multisim 14.0软件界面
1.3论文的任务及内容安排
这篇文章的主要方向就是用Multisim对设计的电路进行仿真，进而来对高速锁相环的性能进行分析。对锁相环的各个模块进行参数选择，在各种参数的比较中得出锁相环的最佳参数。
此篇论文最重要的任务就是对锁相环中环路滤波器工作原理进行分析研究，依据锁相环系统在性能上的需要，然后选择环路滤波器各个参数的值。环路带宽的参数在电路设计的过程中进行的恰当的设置，对于VCO的锁定时间、系统分辨率、相位噪声等很多的要求都是非常有利的。在环路滤波器的设计中，参数指标不容易满足、很多的因素都会影响结果，而且整个设计仿真的过程有很多复杂且难度较大的计算公式。恰好NI Multisim 14.0仿真软件的仿真能力还是相当强大的，用这个软件来进行模拟设计和仿真，能够快速且方便的、精度很高的设计出达到要求的环路滤波器。
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