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锁相环电路仿真

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摘要:锁相环(PLL)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、VCO、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、VCO、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;Multisim

1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A1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

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VCO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R1的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中,R1=10k8。

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。

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A2

来实现混频电路,L1、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