实验11 锁相环倍频器
121180166 琛
一、实验目的
1学习数字锁相环集成电路，锁相环倍频器的基础知识。
2根据数字锁相环74HC/HCT4046的数据手册，分析、设计数字锁相环倍频器，学习根据集成电路数据手册分析、设计电路的的一般方法。
二、实验器材
双踪示波器、方波信号发生器、数字万用表、CD4046、74LS47。
三、实验预习、研究、思考题
1 锁相环锁定与失锁的标志是什么？如何用示波器来判断？
答：锁定的标志是输出信号和输入信号频率相同，仅有相位的不同。用示波器判断，可以调节输入电压，若输出信号与输入信号相位差不变化，频率一致，即两信号相对稳定，则完成锁相。
2 锁相环的锁定围主要由哪些因素决定？
答：由CD4046技术手册可知，期锁定围由R1、R2、C1三个主要参数决定。具体值要看这三个参数的关系图。其中，C1、R1决定中心频率，R2、C1决定最低频率，R1、R2决定最高频率和最低频率比值。
3 CD4046有两个相位比较器，有何区别？74HC4046有3个相位比较器，有何区别？
答：对于CD4046，两个相位比较器分别为异或相位比较器（NOR ）即PC1，其相位锁定围为0——180°；相位——频率比较器（PFD ），即PC2，其相位锁定围为-360°——360°。其中PC1比较容易锁定，但是要求输入信号50%占空比，或者是波形较好小信号。若条件达到尽可能用PC1，否则使用PC2已达到稳定的锁相。一般多用PC2，比较容易满足条件。
对于74HC4046，除去CD4046已有的两个触发器外，还有第三个触发器 JK 触发相位比较器（JK ），即PC3，其相位锁定围是0——360°。选择方式与CD4046类似。
4 试推导有一个零点的二阶系统的单位阶跃响应的时域表达式和超调量的表达式。
答：对于有一个零点的二阶系统，其H(s)=
b
as s b as 2+++,其中a=2ζω，b=ω2，这是一个冲激响应。其对应阶跃响应为G （s ）=b as s b as 2+++*s 1。对其进行拉普拉斯逆变换可知,由于表达式过于复杂，故使用matlab 进行拉普拉斯逆变换可得，g （t ）=1 - (cosh(t*(a^2/4 - b)^(1/2)) - (a*sinh(t*(a^2/4 - b)^(1/2)))/(2*(a^2/4 - b)^(1/2)))/exp((a*t)/2)
其超调量表达式为σ=）（）
（）（∞∞y y -t y p 。同样，使用matlab ，，Tp=
log((2*b)/(2*b + a*(a^2 - 4*b)^(1/2) - a^2))/(a^2/4 - b)^(1/2)（另一解为负数不符合实际舍去）
再代入即可求解σ=）（）（）（∞∞y y -t y p =）（（）p p t y 11
-t y =-1。但由于
matlab 功能有限，带入无法求出精确数值解。
其中，我们根据拉普拉斯变换性质，可知1sG(s) 0s limit y =→=∞）（。
5电容C2应如何选取？C2的不同取值，对实际电路的动态特性有何影响？
答：C2是低通滤波电路中的接地电阻。应该先由对系统的动态特性，即快速性和准确性，确定时间常数τ1、τ2，再求R3、R4、C2的参数。
对于此低通滤波器，K f （s ）=Vd Vc =1s 211s *2+++）τ（τ
τ，其中τ1=R3C2， τ2=R4C2。系统固有频率 ω
n =）（21N KpKo ττ+，)2(221/2KpKo 1*21
n KpKo
N N n +=++=τωτττωζ，前者为系统固有频率，后者为阻尼系数。快速性与准确性不可兼得，再由τ1＋τ2＝2n N KpKo
ω，
τ2＝N
/KpKo 1-212n ）（ττξω+根据对于系统的需求选取参数，确定C2。 同时，为了使得系统有适当的阻抗，可以让Ｃ２≈８０μＦ。
若其他条件一定，Ｃ２上升，则ωｎ下降，快速性增大，准确度下降。若Ｃ２下降，则ωｎ上升，上升。
ξ则此时过渡时
下降，可知σ
间增大，快速性下降，准确性升高。
四、实验容与数据分析
1 压控振荡器特性的测量。提供VCO输入端0——5V可变输入电压，测量不同电压下VCO输出端的输出频率。绘制f——Ｖ曲线特性图。在本实验中，要求锁定频率为10——500KHz。
经过试验，选取R1=10KΩ，R2=2MΩ，C1=80pF,约为10——500KHz。
电路图：
其中4为输出端，5、8接地，6、7通过C1相连，11、12通过R1、R2接地，16接Vcc。
数据图：（Y轴单位：10^5Hz X轴单位：0.5V）
分析：对于本实验来说的压控振荡器，f与v在1。5V——4.5V之间线性拟合较好，在v<1.5V和v>4.5V时虽然线性拟合度不高，但仍然是f随着v上升而上升，仍可认为处于锁相状态。
其中频率下限误差在9%，上线误差在0.6%，上限拟合较好，而下限较差。如果将C改为88μF左右时，也许下限会拟合较好。
2 基本锁相环锁定与跟踪的观察。
将锁相环接成基本的闭环频率反馈系统。
将函数发生器PULSE输出的方波加到锁相环的输入端，当方波信号频率f等于VCO中心频率时，锁相环处于锁定状态，此时通过双踪示波器可以看到，输入信号vi与VCO的输出信号频率相等，二者仅存在固定的相位差。当缓缓改变输入信号频率时，VCO的输出频率也跟着改变，锁相环处于跟踪状态；当输入信号频率超过一定围时，VCO波形稳定变为不稳定，锁相环进入失锁状态。
电路图：
其中3、4直接相连，5、8接地，6、7通过C1相连，11、12通过R1、R2接地，9、13分别通过R3、C2、R4进行滤波。
原理图
波形图：
锁定围：10——500KHz
取f=250kHz、400KHz、490KHz时的波形进行分析。其输入波形与输出波形Δt分别为400ns、440ns和440ns，而在我选取的示波器坐标下，40ns为最小单位。可以认为这40ns为误差。忽略这一误差值，那么几种不同频率下Δt值一样。事实上，这个差值为系统的传输延迟时间，一般应该保持不变。
在本实验中，理论上锁相环应该上限能达到500KHz，但是在实验中，当取f=500KHz时，示波器上无法出现稳定的锁相环图像，这说明此时已经失锁。所以才取490KHz时候的波形进行分析。同时，对于10KHz时候我也做了图，但是与后三组数据相比，此时示波器上
能显示出的最短时间为1μs，若认为其是此时输入输出信号相位差，则不够准确，且从数量级上与后三组一致，可认为此时Δt也是在440ns左右。
3 倍频电路
设计并实现数字锁相环，实现输入频率10——500HKHz，输出频率是输入频率的1/4.
电路图
工作原理图
其中3、4之间接分频器，5、8接地，6、7通过C1相连，11、12通过R1、R2接地，9、13分别通过R3、C2、R4进行滤波。
其中倍频器原理图与连线图
分频器采用74LS74的两个D触发器构成的两个二分频器级联构成四分频器。其中3为信号输入端，12为信号输出端。
锁定频率：f从2.27Hz——125.6KHz
波形图：
数据分析：
从数据可以看出，当系统处于稳定状态时，锁定围基本恰为原始锁定频率四分之一（9.1KHz——503KHz），说明系统工作稳定。
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。
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：
手机射频部分的关键电路----锁相环电路 锁相坏电路是一种用来消除频率误差为目的反馈控制电路，目前市场销售的手机基本上都是采用这种电路来控制射频电路中的压控振荡器。使其输出准确稳定的振荡频率。如锁相坏(PLL)电路出现故障将导致本振的频率输出不准确，则导致手机无信号。 目前通信终端设备中对频率的稳定采用的是频率合成CSYN技术。频率合成的基本方法有三种：第一种直接频率合成；第二种锁相频率合成(PLL)；第三种直接数字频率合成(DDS)。由于锁相频率合成技术在电路设计方面(简单)，成本方面控制灵敏度方面，频谱纯净度方面等。都要胜于直接频率合成，与直接数字频率合成。所以被移动通信终端设备广范采用。它在手机电路中的作用是控制压控振荡器输出的频率，相位与基准信号的频率，相位保持同步。 锁相坏电路的构成与工作原理： 1、构成：它是由鉴相器(PD)低通滤波器(LPF) 压控振荡器(VCO)三部分组成。 鉴相器：它是一个相位比较器。基准频率信号和压控振荡器输出的取样频率在其内部 进行相位比较，输出误差电压。 低通滤波器：是将鉴相器输出的锁相电压进行滤波，滤除电流中的干扰和高频成分。得到一个纯净的直流控制电压。 压控振荡器：产生手机所要的某一高频频率。 （注：SYNEN、SYNCLK、SYNDATA来自CPU控制分频器，对本振信号进行N次分频）。 当VCO产生手机所须的某一高频频率。一路去混频管，另一路反馈给锁相环，中的分频器进行N次分频。在这里为什么要进行N次分频呢？首先要说明一下基准频率与VCO振荡取样频率在鉴相要满足3个条件。 ①频率相同。②幅度相同。③相位不同。为了满足鉴相条件，所以在电路中设置了分 频器。VCO振荡频率取样信号送入分频器完成N次分频后，得到一个与基准频率相位不同，但频率
数字锁相环介绍
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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 。
基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路 频率合成器组成： 频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射 信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO 电路直接产生。如图3-4 所示。 在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO ），在射频电路中起着非常 重要的作用。本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop ）来实现。 2.锁相环： 它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域 3.锁相环基本原理： 锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD 或 PC):是完成相位比较的单元, 用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF): 是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的 作用 .通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO ）：振
荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL 中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。 1、压控振荡器的输出经过采集并分频； 2、和基准信号同时输入鉴相器； 3、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压； 4、控制 VCO ，使它的频率改变； 5、这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R 分频器、N 分频器、压控振荡器（VCO ）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。 锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R 分频器和N 分频器完成参数配置后。晶振产生 的参考频率（ Fref）经 R 分频后输入到鉴相器，同时VCO 的输出频率（ Fout）也经 N 分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式 输出，并通过 LFP 滤波，加到 VCO 的调制端，从而控制 VCO 的输出频率，使鉴相器两输入端的 输入频率相等。 锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见，只要合理设置数值N 和 R，就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片 锁相环的基准频率为13MHz ，通过内部固定数字频率分频器生成5KHz 或 6.25KHz 的参考频率。 VCO 振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后，与基准频率进行相位比较，产 生误差控制信号，去控制VCO，改变VCO的振荡频率，从而使VCO输出的频率满足要求。如图 3-5 所示。 N=F VCO /F R N：分频次数 F VCO： VCO 振荡频率
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。
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
备战飞思卡尔智能车大赛.开始模块总结. 锁相环设置. 公式: PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1), fbus=PLLCLK/2 void INIT_PLL(void) { CLKSEL &= 0x7f; //选用外部时钟.准备设置锁相环 PLLCTL &= 0x8F; //禁止锁相环 SYNR = 0xc9; //设置SYNR REFDV = 0x81; //设置REFDV PLLCTL |=0x70; //锁相环使能 asm NOP; asm NOP; //两个机器周期缓冲时间 while(!(CRGFLG&0x08)); //等待锁相环锁定 CLKSEL |= 0x80; //设置锁相环为时钟源 } 飞思卡尔XS128的PLL锁相环详细设置说明——关于如何提高总线工作频率PLL锁相环就相当于超频单片机超频的原因和PC机是个一道理。分频的主要原因是外设需要的工作频率往往远低于CPU/MEMORY这也和PC机南北桥的原理类似。总线频率设置过程 1、禁止总中断 2、寄存器CLKSEL(时钟选择寄存器)的第七位置0即CLKSEL_PLLSEL=0。选择时钟源为外部晶振OSCCLK(外接晶振频率)在PLL(锁相环)程序执行前内部总线频率为OSCCLK/2 3. PLLCTL_PLLON=1 打开PLL 4.设置SYNR时钟合成寄存器、REFDV时钟分频寄存器、POSTDIV三个寄存器的参数 5、_asm(nop) _asm(nop);加入两条空指令使锁相环稳定 6、while(!(CRGFLG_LOCK==1));//时钟校正同步 7、CLKSEL_PLLSEL=1; 下面详细说一下频率的计算一、时钟合成寄存器SYNR寄存器结构VCOFRQ[1:0]控制压控振动器VCO的增益默认值为00VCO的频率与VCOFRQ[1:0]对应表
奈奎斯特型全数字锁相环（NR-DPLL） 注：本文截取于通信原理课程综合设计，载波提取部分中的锁相环解调部分中的基础锁相环。MATLAB编程仿真实现，想要simulink实现的同学要失望啦。代码在本文末，抱歉未加注释。理解本文需要的知识：信号与系统，数字信号处理，同步技术。
2.7载波的同步提取 提取载波信息可用锁相环进行跟踪载波或调制信息。本文采用奈奎斯特型全数字锁相环（NR-DPLL ）对接收信号进行载波同步提取，并用于相干解调。 2.7.1 NR-DPLL 结构介绍 数字锁相环的基本组成如下 图2-6 数字锁相环的组成 NR-DPLL 是基于奈奎斯特采样鉴相器、数字环路滤波器、数字控制振荡器的一种数字锁相环。下面分别对各部分作简要介绍。 2.7.2 奈奎斯特采样鉴相器 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图如图2-7所示。 图2-7 奈奎斯特采样鉴相器的组成框图 为了表述方便，设数字控制振荡器（NCO ）输出的本振数字信号为 0002()cos(())k k k u t U t t ωθ=+ (2.7-1) 输入信号 101()sin(())i u t U t t ωθ=+ (2.7-2)
其中 100()(),i i o t t t θωθωωω=?+?=- 输入信号经A/D 采样后，第k 个采样时刻采样量化后的数字信号为 01()sin(())i k i k k u t U t t ωθ=+ (2.7-3) 对输入信号进行A/D 变换的采样速率由带通信号奈奎斯特采样定理确定，但为防止信号频谱混叠并保证信号相位信息的有效抽取，采样速率一般选取前置带通滤波器的两倍带宽以上。 令()(),()()i k i o k o u t u k u t u k ==，即()i u k 和()o u k 相乘后，经低通滤波得到的数字误差信号 ()sin ()d d e u k U k θ= (2.7-4) 式中 12()()()e k k k θθθ=- (2.7-5) 2.7.3 数字环路滤波器 数字环路滤波器与模拟环路中环路滤波器的作用是一样的，都是为了抑制高频分量及噪声，且滤波器的参数直接影响环路的性能。在实际应用中一阶数字环路滤波器的实现形式如图2-8所示。 图2-8 一阶数字环路滤波器的实现形式 其Z 域传递函数： 2 11 ()z ()1c d u k G F G u k z -=+-（）= (2.7-6) 按照图2-8中所实现的数字滤波器，其频率特性与理想积分滤波器的频率特性一致；两种滤波器参数之间也有着一定的对应关系。 对理想积分滤波器的传递
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。
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。
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。
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。
数字锁相环研究 刘飞雪 摘要：全数字锁相环路，所谓全数字化，就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数控振荡器（DCO）构成的锁相环路。同步是通信系统中的一个重要实际问题。在数字通信系统中，位同步（又称码元同步）提取是更为重要的一个环节。因为确定了每一个码元的起始时刻，便可以对数字信息做出正确判决。利用全数字锁相环（DPLL）便可以直接从所接收的数字信号中提取位同步信号。用来实现位时钟同步提取的主要是超前—滞后型数字锁相环(LL-DPLL)。本文通过对全数字锁相环的种类及其相应实现功能的研究，确定了对位同步全数字锁相环路的设计方案，设计位同步全数字锁相环各个模块，本文中设计了3个模块，其中第2块包含2个小模块，第3块又包含3 个小模块，用Verilog HDL硬件描述语言对系统中的每个模块进行描述、仿真，然后将三个模块连接成反馈环路系统，使用仿真工具QuartusⅡ6.0进行编译、仿真，调试输出正确波形，最后分析电路性能。 关键词：全数字锁相环路，位同步数字锁相环路，超前-滞后型数字锁相环，数字鉴相器，数字滤波器，数控振荡器 Abstract All Digital Phase-Locked Loop is called because every module is digital. The loop contains these modules such as Digital Phase Discriminator (DPD), Digital Loop Frequency (DLF), Digital Control Oscillator (DCO). The synchronization is the key part of application in communication systems. In the field of digital communication systems, pick-up bit synchronization (also called code synchronization) is a more important part., because the definition of originate time of every code could make correct judgement. The usage of Digital Phase-Locked Loop (DPLL) could pick-up bit synchronous signal from digital signal directly. We use Lead-Lag Digital Phase-Locked Loop (LL-DPLL) to realize bit synchronous clock. This paper first introduced DPLL kinds and function. Then it designed the theory and every modules of DPLL. This paper designed three modules. In it, the second contained 2 modules and the third contained 3 modules. Using Verilog HDL to describe and simulate every module of the system, then connecting these modules to realize the system and using simulator named QuartusⅡ6.0 to compile and simulate correct wave. Key word: DPLL, bit synchronous DPLL, LL-DPLL，DPD, DLF, DCO 第一章绪论 1.1 全数字锁相环的背景及发展状况 锁相环路已经在模拟和数字通信及无线电电子学的各个领域得到了极为广泛的应用。伴随着大规模、超高速数字集成电路的发展及计算机的普遍应用，在传统的模拟锁相环路（APLL）应用领域中，一部分已经被数字锁相环路（DPLL）所取代。从六十年代起，人们就开始对数字锁相环路研究。起初，只是把模拟锁相环路中的部分部件数字化。比如，引进数控振荡器(DCO)代替模拟锁相环路中的压控振荡器(VCO)。这样做的优点是能在不牺牲压控振荡器频率稳定度的情况下，加大频率牵引的范围。从而提高整个环路的工作稳定性和可靠性。另外，用数字集成电路制作的鉴相器非常广泛的被应用在模拟锁相环路中，使环路性能大大提高。 此后，出现了全数字化锁相环。所谓全数字化，就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数控振荡器（DCO）构成的锁相环路。目前，全数字锁相环路的研究日趋成熟，无论在理论研究还是在硬件实现方面，国内外均有大量的文献报道。并已经制成全数字化锁相环路FSK信号解调器、PSK信号解调器、位时钟提取器以及同步载波提取器等。国外已有单片全数字化锁相环路商品。全数字化锁相环路的共同特点是： 它们都具有一切数字系统所特有的显著优点，即电路完全数字化，使用逻辑门电路和触发器电路。因此，
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。
什么是锁相环（PLL）工作原理及对硬件电路连接的要求锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同 步。PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在 比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。 在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地80MHz 和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。 通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件板卡的不同而不同。对于基于PCI总线的产品（M系列数据采集卡，PCI数字化仪等），所有的同步都是通过RTSI总线上的时钟和触发线来实现的；这时，其中一块版板卡会作为主卡并且输出其内部时钟，通过RTSI线，其他从板卡就可以获得这个用于同步的时钟信号，对于基于PXI总线的产品，则通过将所有板卡的时钟于PXI内置的 10MHz背板时钟同步来实现锁相环同步的。 锁相环(PLL)的工作原理 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,Phase-Locked Loop）。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,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）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u D（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u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。