锁相环应用电路仿真.doc

word高频电子线路实训报告锁相环路仿真设计锁相环应用电路仿真锁相环是一种自动相位控制系统，广泛应用于通信、雷达、导航以及各种测量仪器中。锁相环及其应用电路是“通信电子电路”课程教学中的重点容，但比较抽象，还涉及到新的概念和复杂的数学分析。因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难。为此，我们将基于Multisim的锁相环应用仿真电路引入课堂教学和课后实验。实践证明，这些仿真电路可以帮助学生对相关容的理解，并为进行系统设计工作打下良好的基础。锁相环的应用电路很多，这里介绍锁相环调频、鉴频及锁相接收机的Multisim仿真电路。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(I P)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 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及的目的就是为了便于调整压控振荡器的中心频率。图1 锁相环的仿真模型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。图2 锁相环调频电路的原理框图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。而随着输人调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。图3 锁相环调频的仿真电路根据图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Rs接到VCO的输人端，R实际上是作为调制信号源V4的阻，这样可以保证加到VCO输人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输出波形和输人调制电压的关系如图4所示。由图可见，输出信号频率随着输人信号的变化而变化，从而实现了调频功能。图4 锁相环调频实验结果波形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人信号的频谱宽度。图5 锁相环鉴频电路的原理框图图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R 、C 的输出端，又串接了一级低通滤波电路(R4、C2)。图6 锁相环鉴频的仿真电路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，因此电阻R 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中，R 一10kQ。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R 、C2的输出作为VCO的输人，则仿真结果不再正确，这在实际仿真时需要注意。图7 锁相环鉴频实验结果波形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。图8 锁相接收机电路的原理框图图中，若中频信号与本地信号频率有偏差，鉴相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。图9 锁相接收机的仿真电路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 来实现混频电路，L。、C 和R 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R ，用于改善滤波效果。输入信号源Vs的频率会在535kHz1605kHz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1000kHz2070kHz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，R。的数值要进一步减小，为此设置R。为5kQ。混频器输入和输出波形分别如图1O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。图1O 锁相接收机实验结果波形5.结语Multisim是一种优秀的电路设计与仿真分析软件，电路参数调整方便，并且使用起来非常灵活，可完成教学中原理电路的仿真工作，因此可作为通信电子电路及相关课程的辅助教学工具。该软件尤其适用于课程教学和综合设计性实验项目，可有效克服传统实验与实验室开放的局限。可据所学知识和能力，自选实验容，设计电路方案，并进行电路分析和调试。可以加深对电路的理解，提高综合设计能力和创新能力。因此，将该软件引入课程教学和课后实验非常有必要。参考文献1 于洪珍通信电子电路M：清华大学，20052 钱聪英梅通信电子线路M：人民邮电，20043 余群等MukiSim进行电子电路设计的教学研究J：实验科学与技术，2007，10：1181208 / 8