【正文】 變化，而它的幅度卻始終保持不變。 調(diào)制作用使載波頻率按照調(diào)制信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻[15]，經(jīng)過調(diào)頻的波叫調(diào)頻波。表31對(duì)穩(wěn)定性能的影響阻尼系數(shù)的值穩(wěn)定下來的時(shí)間波峰值124,23從表31可知，當(dāng)時(shí)，響應(yīng)的曲線表現(xiàn)出劇烈的減幅振蕩，并且穩(wěn)定下來的時(shí)間也較長(zhǎng)。 穩(wěn)定性能實(shí)際工作時(shí)，鎖相環(huán)路不可避免的受到各種各樣的干擾，使環(huán)路呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，脫離原來的平衡。壓控振蕩器起的是積分器得作用，并且斜率為1。圖311 低通濾波器輸出從圖311可知，低通濾波器的輸出增加，即為壓控振蕩器的輸入。當(dāng)輸入信號(hào)的相位發(fā)生階躍時(shí)，即存在相位誤差時(shí)，從圖38可知，隨著時(shí)間的增大，先增大后減小最后趨于0，也就是鎖相環(huán)鎖定。圖37基本鎖相環(huán)相位模型復(fù)頻域的相位模型則如圖 38 所示。但是在實(shí)際應(yīng)用中很少用到，因?yàn)樗鼪]有環(huán)路濾波器，環(huán)路高頻成分不能被濾除，還有一點(diǎn)是它的穩(wěn)態(tài)相位誤差和環(huán)路帶寬總是耦合在一起。，出現(xiàn)波谷時(shí)間t11=，建立時(shí)間t12=。，出現(xiàn)波峰時(shí)間t5=，建立時(shí)間t6=。圖32一階鎖相環(huán)誤差傳輸函數(shù)的時(shí)域響應(yīng) 二階鎖相環(huán)對(duì)于二階鎖相環(huán)來說，它的環(huán)路濾波器是一階低通濾波器。圖31一階鎖相環(huán)的傳輸函數(shù)的時(shí)域響應(yīng)當(dāng)輸入相位發(fā)生階躍變化時(shí)，如圖32所示。相位傳輸函數(shù)[14]和誤差傳輸函數(shù)分別為： （31） （32）當(dāng)輸入相位發(fā)生階躍變化時(shí)，如圖31所示。MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。這不僅使Matlab的庫(kù)函數(shù)功能更豐富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得Matlab編寫的M文件簡(jiǎn)單、短小而高效。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯(cuò)誤、語法 錯(cuò)誤以至語意錯(cuò)誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度，可以說在編程和調(diào)試過程中它是一種比VB還要簡(jiǎn)單的語言。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本章利用Matlab[13]軟件仿真，分析了鎖相環(huán)的鎖定性能，穩(wěn)定性能和調(diào)制作用。圖214不同值的二階系統(tǒng)欠阻尼響應(yīng)所以根據(jù)的值，可以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性能?？紤]到鎖相環(huán)參數(shù)隨工藝和溫度的變化，通常選擇大于，以避免過多的振蕩。鎖相環(huán)的穩(wěn)定速度對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言很重要， 的乘積決定了輸出達(dá)到最終值的速度，所以 的值越大越好。RC 積分濾波器如圖 27 所示，其傳遞函數(shù)為： （229）其中是指 3dB帶寬，帶入公式（227）得： （230）如果, 由式（226）知 為無窮大，所以。 當(dāng)鎖相環(huán)的相位誤差大于時(shí)，正弦鑒相器將不再能夠線性化，環(huán)路成為非線性系統(tǒng)，其非線性性能表現(xiàn)為以下三種情況：已處于鎖定狀態(tài)的鎖相環(huán),當(dāng)輸入信號(hào)頻率或壓控振蕩器自由振蕩頻率變化過大或變化速度過快時(shí)，使環(huán)路相位誤差增大到鑒相器的非線性區(qū)，這種非線性環(huán)路的性能為非線性跟蹤性能[10]；從接通到鎖定的捕獲過程中，相位誤差的變化范圍是很大的，環(huán)路處于非線性狀態(tài)；失鎖狀態(tài)時(shí)環(huán)路的頻率牽引現(xiàn)象。在鎖定狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)下相位誤差應(yīng)較小，只在零點(diǎn)附近變化。式220中第一項(xiàng)表示瞬時(shí)相位誤差隨時(shí)間的變化率，即瞬時(shí)頻差；第二項(xiàng)表示輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化率，即固有頻差；第三項(xiàng)表示 VCO 在控制電壓作用下的角頻率變化，即控制頻差。（圖210示出了 VCO 的數(shù)學(xué)模型圖） （219）圖210 VCO的數(shù)學(xué)模型 環(huán)路的相位模型及基本方程根據(jù)環(huán)路的基本框圖和基本部件的時(shí)域模型，可以得到整個(gè)環(huán)路的時(shí)域模型，如圖 211 所示。由圖 29 可見在以 為中心的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，兩者是吻合的，故在環(huán)路分析中可以用上式作為壓控振蕩器的控制特性。與控制電壓之間的關(guān)系曲線如圖 29 所示。 圖26環(huán)路濾波器數(shù)學(xué)模型 圖27 RC積分濾波器它的傳輸函數(shù)為： （211）其中。更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。鑒相范圍為[+360176。l80176。較多應(yīng)用于數(shù)字鎖相環(huán)中，鑒相范圍同為[+90176。鑒相器的電路種類很多，大致可以分為四種常用類型：。那么鑒相器的輸出為 （28）式中為相乘器的相乘系數(shù)，為兩相乘電壓信號(hào)的瞬時(shí)相位誤差。 在統(tǒng)一以為共同參考的情況下，參考信號(hào)和輸出信號(hào)可分別寫成 （26） （27）式中。 基本模塊 鑒相器鑒相器又稱相位比較器，它是用來比較兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差，完成相位—電壓的變換作用，輸出的誤差電壓是相位差的函數(shù)，即 （24）如圖 22 所示，理想的鑒相器的鑒相特性是線性的，即 （25）其中表示鑒相器的增益，其單位為伏/弧度。2 經(jīng)過環(huán)路濾波器，濾去高頻分量，得到控制電壓。則由頻率和相位之間的關(guān)系可得到兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為 （22）PD 是相位比較裝置，它把輸出信號(hào))和參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差)的誤差電壓。第三章介紹了使用的軟件Matlab的特點(diǎn)，并分析了鎖定性能和穩(wěn)定性能，介紹了鎖相環(huán)的調(diào)制作用，相關(guān)程序見附錄。而且，當(dāng)?shù)凸奶幚砥魃想姾?其時(shí)鐘緩沖級(jí)后的負(fù)載電容看上去也是變化的(MOS電容隨柵電壓變化),即使鎖相環(huán)一直工作中，仍然需要一段時(shí)間去穩(wěn)定下來。會(huì)相對(duì)于CKin有一個(gè)顯著的時(shí)間延遲。在接收端為了得到數(shù)據(jù)，就必須從數(shù)據(jù)信號(hào)中恢復(fù)出同步時(shí)鐘信號(hào)并從輸入的數(shù)據(jù)流中重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的電路就是時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。而與微處理器集成在同一芯片上的鎖相環(huán)可以消除這個(gè)時(shí)鐘偏移。由于輸入?yún)⒖碱l率一般來自于穩(wěn)定的低噪聲石英振蕩器，因而它可以得到相當(dāng)精確的輸出頻率，目前輸出頻率達(dá)到幾十GHz的頻率合成器都已被報(bào)道。另外，在射頻系統(tǒng)中往往要產(chǎn)生高頻本地時(shí)鐘，這可以通過鎖相環(huán)將外部提供的低頻參考時(shí)鐘倍頻來實(shí)現(xiàn)最后,鎖相環(huán)通過采用小數(shù)分頻器可以實(shí)現(xiàn)精確的任意小數(shù)時(shí)鐘頻率。這主要包括存儲(chǔ)器、微處理器、硬盤驅(qū)動(dòng)電路、射頻和無線收發(fā)器。這種芯片均采用工藝，比以往采用高速或工藝來實(shí)現(xiàn)的芯片，具有工藝成熟、易獲得、流片成本低、電路功耗小、集成度高等優(yōu)勢(shì)，因此具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。相比之下，我國(guó)國(guó)內(nèi)少有企業(yè)掌握高性能技術(shù)，產(chǎn)品更是少見。 富士通（Fujitsu），該公司的PLL系列芯片產(chǎn)品MB1501主要在無線通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)頻率合成器，用來產(chǎn)生本地振蕩。美國(guó)模擬器件（Analog Device）2004年5月就推出了一款頻率上限高、性能好的集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片 ADF4106。該系列產(chǎn)品在系統(tǒng)內(nèi)編程，能以統(tǒng)一的輸入頻率生成多達(dá)九個(gè)輸出的時(shí)鐘源。2005年11月美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor）宣布推出的 LMX2531芯片，號(hào)稱當(dāng)時(shí)業(yè)界最低相位噪聲的 PLL/VCO 二合一芯片。這三種鎖相環(huán)電路各有千秋，相互彌補(bǔ)，分別存在于各類電子產(chǎn)品中。第一塊集成電路芯片出現(xiàn)在1965年左右?？梢哉f,是在集成鎖相環(huán)路出現(xiàn)以后,鎖相環(huán)的工業(yè)應(yīng)用前景才日益的廣闊起來。隨著數(shù)模混合鎖相環(huán)技術(shù)和理的不斷發(fā)展和完善，其成為了鎖相環(huán)的主流。APLL對(duì)正弦特性信號(hào)的相位跟蹤非常好，它的環(huán)路特性主要由鑒相器的特性決定。最初的鎖相環(huán)都是利用分立元件搭建的，由于技術(shù)和成本方面的原因，所以當(dāng)時(shí)只是用于航天、航空等軍事和精密測(cè)量等領(lǐng)域。從此，鎖相環(huán)路開始得到了應(yīng)用，迅速發(fā)展[3]。1930年建立了同步控制理論的基礎(chǔ)，1932年法國(guó)工程師貝爾賽什(Bellescize)發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)描述和同步檢波論，第一次公開發(fā)表了對(duì)鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)描述。目前的趨勢(shì)是用數(shù)字化方式設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)。它屬于閉環(huán)相位自動(dòng)控制系統(tǒng)，它具有獨(dú)特的窄帶跟蹤性能，既能跟蹤輸入信號(hào)，又能對(duì)輸入噪聲進(jìn)行窄帶濾波。b. 數(shù)字鎖相環(huán)：該類型的鎖相環(huán)的模塊完全由數(shù)字電路構(gòu)成而且不包括任何無源器件，如電阻和電容。伴隨著空間技術(shù)的出現(xiàn)，鎖相技術(shù)大力發(fā)展起來，其應(yīng)用范圍已大大拓寬，覆蓋了從通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)到家用電器等各領(lǐng)域。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 IV 第1章 緒論 課題背景及研究意義在現(xiàn)代集成電路中，鎖相環(huán)（Phase Locked Loop）是一種廣泛應(yīng)用于模擬、數(shù)字及數(shù)?；旌想娐废到y(tǒng)中的非常重要的電路模塊。最后介紹了鎖相環(huán)的調(diào)制作用。并以此為出發(fā)點(diǎn)對(duì)鎖相環(huán)的鎖定性能、及穩(wěn)定性能、等各種性能進(jìn)行了分析。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于Matlab的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)摘 要隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)部分，所以對(duì)鎖相環(huán)的研究具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。在研究大量資料的基礎(chǔ)之上，先對(duì)鎖相系統(tǒng)的基本工作原理進(jìn)行了分析，以傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析了鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)描述了鎖相環(huán)的整體電路以及鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等電路模塊。其次分析了阻尼系數(shù)對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性能的影響。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。其理論原理早在上世紀(jì)30年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就已出現(xiàn)，至今已逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域。一般來說，鎖相環(huán)可分為以下四類：a. 模擬鎖相環(huán)：由純模擬電路構(gòu)成，其中鑒相器為模擬乘法器，該類型的鎖相環(huán)也被稱作線性鎖相環(huán)。鎖相環(huán)電路簡(jiǎn)單的模擬電路發(fā)展到數(shù)?；旌想娐泛腿珨?shù)字電路，由二階發(fā)展到三階和更高階。隨著微電子學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，具備巨大優(yōu)勢(shì)的數(shù)字化系統(tǒng)開始取代相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。人們對(duì)鎖相環(huán)的最早研究始于20世紀(jì)30年代，其在數(shù)學(xué)理論方面的原理，30年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就己出現(xiàn)。隨后，在彩色電視接收機(jī)中鎖相電路用來同步彩色脈沖串。六十年代初，維特比(Viterbi)研究了無噪聲鎖相環(huán)路的非線性理論問題， 發(fā)表了相干通信原理的論文。由于APLL在穩(wěn)定工作時(shí)，各模塊都可以認(rèn)為是線性工作的，所以也稱為線性鎖相環(huán)LPLL( Linear Phase. Hckedbop )。隨著人們對(duì)鎖相技術(shù)的理論和應(yīng)用進(jìn)行的深入廣泛的研究，伴隨著數(shù)字電路的發(fā)展，鑒相器部分開始由數(shù)字電路代替，其它部分仍為模擬電路，這種鎖相環(huán)就是最初的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)，準(zhǔn)確的名稱為數(shù)?；旌湘i相環(huán)(Mixedsingle PLL)。從時(shí)間上看，鎖相環(huán)路的大發(fā)展出現(xiàn)在20世紀(jì)年代以后，而這個(gè)時(shí)期正是集成電路技術(shù)開始迅速發(fā)展的時(shí)期。到20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的日趨成熟，鎖相環(huán)電路成為了集成電路芯片后才開始得到了廣闊的商用。之后的幾年內(nèi)就出現(xiàn)了數(shù)模混合的鎖相環(huán)電路,以及后來的全數(shù)字鎖相環(huán)電路。2004年5月美國(guó)模擬器件（Analog Device）宣布推出了一款頻率上限高、性能好的集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片ADF4106，只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路，即可構(gòu)成一個(gè)完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的可靠性很高的頻率合成器，它主要應(yīng)用于無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中，為上下變頻提供本振信號(hào)。同年7月德州儀器（TI）宣布推出了一系列高度可編程的1：4鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器。2009年3月，該公司又推出了LMK04000系列具備級(jí)聯(lián)式PLLatinum鎖相環(huán)路的精密抖動(dòng)消除器；LMK01000系列為抖動(dòng)低于30飛秒的高性能時(shí)鐘緩沖器、分頻器和分配器。該公司芯片適用于 SDH/SONET(同步數(shù)字體系/同步光學(xué)網(wǎng)絡(luò))邊緣設(shè)備中的線路卡設(shè)計(jì)。該公司的 PLL 共有三類可以選擇:Single Integer PLL,Dual Integer PLLLow Power，以及 Dual PLL(SCCT)Fast Lockup。這批通過鑒定的種芯片也通過了美國(guó)工程的全流程驗(yàn)證，速率達(dá)到了世界范圍內(nèi)“工藝的最高速率。 鎖相環(huán)的應(yīng)用自發(fā)明起近年后，鎖相技術(shù)不斷地在電子學(xué)，通信和儀器中找到新的應(yīng)用。鎖相環(huán)通?？梢援a(chǎn)生這些頻率間隔小而精確的時(shí)鐘。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輸出時(shí)鐘頻率是輸入?yún)⒖碱l率的N倍。當(dāng)微處理器的時(shí)鐘頻率達(dá)到或更高時(shí)，消除由于芯片上時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)延時(shí)引起的外部時(shí)鐘與內(nèi)部時(shí)鐘的偏移就變得非常重要。 時(shí)鐘恢復(fù)電路在數(shù)字通信中，一般只傳輸非歸零，一一的連續(xù)數(shù)據(jù)流信號(hào)，而不同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)。由于負(fù)載電容CL(通常為納法級(jí))的影響，芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)CKB。低功耗系統(tǒng)經(jīng)常上電和掉電，這就要求鎖相環(huán)快速使得相位一致。第二章介紹了鎖相環(huán)的基本原理，介紹了鎖相環(huán)的基本構(gòu)成、數(shù)學(xué)模型及環(huán)路性能，為第三章的仿真打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。圖21鎖相環(huán)基本組成兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差為 （21）式中參考信號(hào)的載波角頻率，式為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率，為輸出信號(hào)以其載波相位為參考時(shí)的瞬時(shí)相位，在 VCO 未受控之前它是常數(shù)，受控后它是時(shí)間的函數(shù)。整個(gè)鎖相環(huán)的工作原理：1鑒相器把輸出信號(hào)和參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)