基于Multisim的鎖相環(huán)原理研究與電路仿真

摘要：鎖相環(huán)是一種通過對(duì)壓控振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)分頻后與參考時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果不斷調(diào)整振蕩器輸出，最終得到穩(wěn)定的信號(hào)頻率的一種負(fù)反饋系統(tǒng)。本文對(duì)鎖相環(huán)的工作原理、組成部分及各部分的功能做了簡要的分析，根據(jù)工作原理，在Multisim仿真軟件中建立了一種鎖相環(huán)電路模型，并對(duì)該模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了鎖相環(huán)鎖定后測(cè)試結(jié)果與理論值的一致性。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)、分頻、負(fù)反饋系統(tǒng)、鎖定、Multisim仿真軟件、電荷泵鎖相環(huán)模型

1、引言

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，通信機(jī)對(duì)其所使用的振蕩電路的要求越來越高，不僅要求振蕩頻率要廣，還需要頻率穩(wěn)定度高。常用的晶體振蕩電路雖然頻率穩(wěn)定度較LC振蕩電路要高許多，但是只能通過數(shù)字電路分頻來改變其頻率。相較而言，鎖相環(huán)電路就有優(yōu)勢(shì)多了，不僅振蕩頻率范圍廣，而且頻率穩(wěn)定度高。所以現(xiàn)在通信系統(tǒng)中多采用鎖相環(huán)電路來產(chǎn)生需要的信號(hào)頻率。

2、鎖相環(huán)工作原理及組成部分介紹

鎖相環(huán)是一個(gè)由鑒相器、分頻器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器四部分組成的負(fù)反饋系統(tǒng)[1]。壓控振蕩器通過自由振蕩輸出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)被分頻器進(jìn)行1/N分頻后輸入至鑒相器反饋端與鑒相器的參考時(shí)鐘信號(hào)作比較，比較后產(chǎn)生一個(gè)相位差值信號(hào)并在鑒相器中轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過環(huán)路濾波器處理后給到壓控振蕩器，控制壓控振蕩器輸出。通過不斷的比較調(diào)整，壓控振蕩器最終輸出信號(hào)頻率將穩(wěn)定在鑒相器參考時(shí)鐘頻率的N倍。

下面將對(duì)鎖相環(huán)的各個(gè)組成部分的主要功能進(jìn)行分析。

鑒相器：將負(fù)反饋信號(hào)與參考時(shí)鐘信號(hào)的相位進(jìn)行比較，得到一個(gè)相位差值信號(hào)，電荷泵將該相位差值信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，并將該電壓信號(hào)傳輸?shù)江h(huán)路濾波器。

分頻器：將壓控振蕩器輸出的頻率信號(hào)按所需倍數(shù)進(jìn)行分頻，將分頻后的低頻信號(hào)送入鑒相器與參考時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行比較。

壓控振蕩器：根據(jù)環(huán)路濾波器給的輸入電壓信號(hào)，輸出對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)。

環(huán)路濾波器：濾除鑒相器中相位差值電壓信號(hào)的高頻成分，保留其直流部分[2]。

3、一種鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)及Multisim仿真

根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，在Multisim仿真軟件中建立一種輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率兩倍的電荷泵鎖相環(huán)電路的仿真模型[3]，如圖1所示。為了模型的簡明，并且方便仿真，本電路直接調(diào)用了 Multisim 中的電流源器件，開關(guān)器件和壓控振蕩器件，用D 觸發(fā)器替代分頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的二分頻[4]，具體實(shí)現(xiàn)方法為將輸入信號(hào)接至 D 觸發(fā)器的是時(shí)鐘（ CLK ）端，D 端和Q 端連接作為輸出端，輸出信號(hào)即為輸入信號(hào)的二分頻。

圖中電阻R1 的阻值為3084Ω，電容C1的容值891PF，電容C2的容值為136PF。壓控振蕩器自由振蕩信號(hào)的頻率為0，電壓增益為15MHz/V。電流源Ip1、Ip2均設(shè)置為50 A，環(huán)路濾波器的帶寬是159.2KHz，信號(hào)源輸出一個(gè)2MHz的信號(hào)作為參考時(shí)鐘信號(hào)。

頻率計(jì)XFC1接在壓控振蕩器的信號(hào)輸出端用來測(cè)量該鎖相環(huán)電路輸出信號(hào)的頻率，頻率計(jì)XFC2接在壓控振蕩器輸出的反饋信號(hào)端用來測(cè)量反饋信號(hào)的頻率，萬用表接在環(huán)路濾波電路后端用來測(cè)量環(huán)路濾波器輸出到壓控振蕩器的控制信號(hào)的電壓值。

模型運(yùn)行初期，頻率計(jì)XFC1顯示值為1.432MHz，頻率計(jì)XFC2顯示值為625.94kHz，萬用表顯示值為103.822mV。從數(shù)據(jù)可以看出，通過D 觸發(fā)器分頻后，頻率計(jì)XFC1顯示的值是頻率計(jì)XFC2顯示值的兩倍。通過壓控振蕩器作用后，萬用表測(cè)量的電壓值與頻率計(jì)XFC1中顯示頻率為15M倍關(guān)系，滿足壓控振蕩器的電壓增益要求。

模型運(yùn)行一段時(shí)間后，兩個(gè)頻率計(jì)和萬用表均達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)頻率計(jì)XFC1顯示值為4MHz，頻率計(jì)XFC2顯示值為2MHz，萬用表顯示值為266.666mV。模型穩(wěn)定后最終輸出信號(hào)的頻率是參考時(shí)鐘信號(hào)頻率的 2 倍。控制信號(hào)的電壓值與輸出信號(hào)頻率滿足15M倍的關(guān)系。反饋信號(hào)頻率與參考時(shí)鐘信號(hào)的頻率一致，測(cè)試值與理論值相符，該鎖相環(huán)達(dá)到了鎖定狀態(tài)。

4、結(jié)語

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展背景下，高穩(wěn)定度鎖相環(huán)的應(yīng)用越來越廣泛。本文從基本理論出發(fā)，分析了鎖相環(huán)電路的工作原理、組成結(jié)構(gòu)及功能，并基于Multisim環(huán)境以電荷泵鎖相環(huán)為例進(jìn)行了建模及仿真，驗(yàn)證了鎖相環(huán)頻率范圍廣、穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭繼禹，萬心平，張厥盛.鎖相技術(shù)（第二版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2]曾興雯，劉乃安，陳健 等著 .高頻電子線路（第 2 版）[M].北京：高等教育出版社，2009。

[3]都伊林.基于 Multisim 7 的鎖相電路研究[J].集成電路應(yīng)用，2005.

[4]游國福.電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)及其 IP 實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2006.

作者簡介：吳雅娟（1992—），女，四川雅安人，本科，助理工程師，研究方向：模擬電子線路