用LabVIEW模擬鎖相環(huán)

1、用LabVIEW模擬鎖相環(huán)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要用LabVIEW模擬鎖相環(huán)摘要：鎖相電路是相位鎖定環(huán)(Phase-Locked Loop)的簡(jiǎn)稱，主要由鑒相器、環(huán)路濾波、壓控振蕩器成 。主要是要掌握LabVIEW圖形化編程特點(diǎn)，因?yàn)槭擒浖?lái)實(shí)現(xiàn)電路，就必須根據(jù)實(shí)際電路的功能，把它抽象為相應(yīng)的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要既要徹底地掌握鎖相環(huán)的理論知識(shí)，又要具備很強(qiáng)的虛擬儀器應(yīng)用能力。充分調(diào)動(dòng)積極思考，獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。利用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相電路，主要是要掌握LabVIEW圖形化編程特點(diǎn)，因?yàn)槭怯密浖?lái)實(shí)現(xiàn)電路，就必須根據(jù)實(shí)際電路的功能，把它抽象為相應(yīng)的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，又因

2、60;LabVIEW的程序可以嵌套，所以在實(shí)現(xiàn)時(shí)可將其各個(gè)功能分別實(shí)現(xiàn)，然后以調(diào)用子程序的方式把它們組和在一起，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)出一個(gè)大的框圖，大的框圖由多個(gè)子框圖構(gòu)成。虛擬鎖相電路由時(shí)鐘發(fā)生器、分頻器、時(shí)鐘及數(shù)據(jù)鑒相器、壓控震蕩器、移位寄存器這幾個(gè)功能模塊組成。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 鑒相器 壓控振蕩器 自動(dòng)跟蹤畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要Title : Simulates the phase-locked loop with LabVIEWAbstract: The phase locking circuit is the phase locking link (Phase-Locked Loop)

3、 the abbreviation, mainly by the discriminator, the ring circuit filter, the pressure controls the oscillator to become.Mainly is must grasp the LabVIEW presente in figures and diagrams programming characteristic, because is the software realizes the electric circuit, must act according to the actua

4、l electric circuit the function, abstracts it for the corresponding logic realizes, therefore needs both to have to grasp the phase-locked loop thoroughly the theory knowledge, and must have the very strong hypothesized instrument application ability.The full reassignment positive ponder, the indepe

5、ndence solves the question ability.Realizes the phase locking circuit using LabVIEW, mainly is must grasp the LabVIEW presente in figures and diagrams programming characteristic, because is realizes the electric circuit with the software, must act according to the actual electric circuit the functio

6、n, abstracts it for the corresponding logic realizes, and further because the LabVIEW procedure may the nesting, therefore in realization time may realize separately its each function, then transfers the subroutine the way their group and in the same place, therefore designs time needs to design a b

7、ig diagram, the big diagram constitutes by many sub-diagrams.The hypothesized phase locking circuit by the clock generator, the frequency divider, the clock and the data discriminator, the pressure controls the oscillator, the shift register these function module is composed.keywords: phase-locked l

8、oop data discriminator pressure controls the oscillator automatic trackin目錄1 引言 1.1 LabVIEW概述 1.2 LabVIEW 工作環(huán)境 LABVIEW 的工作窗口 LabVIEW的操作模塊 虛擬儀器程序（VI）的基本組成2 鎖相環(huán)理論介紹2.1 鎖定與跟蹤的概念鎖相環(huán)理論分析環(huán)路組成3 虛擬鎖相環(huán)電路的具體實(shí)現(xiàn)3.1正弦鑒相器的實(shí)現(xiàn)正弦鑒相器理論分析正弦鑒相器虛擬轉(zhuǎn)換3.2 濾波器（LF） 3.3 壓控振蕩器(VCO)4 子VI4.1 時(shí)鐘發(fā)生器的實(shí)現(xiàn) 4.2移位寄存器的實(shí)現(xiàn) 4.3分頻器的實(shí)現(xiàn)4.4子VI的

9、具體實(shí)現(xiàn)步驟5 程序的前面板圖和程序圖結(jié)論參考文獻(xiàn)1 引言鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它在無(wú)線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路具有載波跟蹤特性，作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒(méi)在噪聲之中的信號(hào)；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可以提供一系列頻率穩(wěn)定的頻率源；可進(jìn)行高精度的相位與頻率測(cè)量等等。它具有調(diào)制跟蹤特性，可制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器。它具有低門(mén)限特性，可以大大改善模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。對(duì)所相環(huán)路的研究需首先建立完整的數(shù)學(xué)模型，繼而以模型為基礎(chǔ)，用LabVIEW實(shí)現(xiàn)其各種工作狀態(tài)下的性能與指標(biāo)，諸如跟蹤、捕獲等等。1.1 LabVIEW概述

10、 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Workbench, 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是美國(guó)NI公司(National Instrument Company)推出的一種基于G語(yǔ)言(Graphics Language,圖形化編程語(yǔ)言 )的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可脫離LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境，最終用戶看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。LabVIEW 為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷 輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境。利用它設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和構(gòu)建自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫(xiě)。 1.2 LabVI

11、EW 工作環(huán)境 LABVIEW 的工作窗口主要由兩個(gè)窗口組成：一個(gè)是前面板開(kāi)發(fā)窗口，用于編輯和顯示VI前面板對(duì)象，另一個(gè)是框圖程序窗口，用于編輯和顯示流程圖（程序源代碼）。 LabVIEW的操作模塊 LabVIEW提供3個(gè)模版：工具模板（Tool palette）控制模板（Control palette）和功能模板（Function palette）來(lái)完成VI前面板和流程圖兩部分的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)。(1) 工具模板（Tools Palette）：提供用于操作、編程前面板和流程圖上對(duì)象的各種工具。有操作工具：該工具是操作數(shù)值的工具。當(dāng)用它向前面板的控制器或顯示器鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。選

12、擇(位置)工具：用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小。當(dāng)它用于改變對(duì)象邊框的大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)的形狀。標(biāo)簽工具：用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)的形狀。連線工具：用于在框圖程序上連接對(duì)象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開(kāi)時(shí)，把該工具放在任一條線上，就會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。探針工具：可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針。調(diào)試時(shí)可以通過(guò)探針窗口來(lái)觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。等等(2) 控制模板（Controls Palette）：如前所述，虛擬儀器的面板是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。具體的講，就是LabVIEW將傳統(tǒng)儀器上的各種旋鈕、開(kāi)關(guān)、顯示屏等所有可能涉及的操作部件都做成外形相似的“控件

13、”，分類存于控制面板上。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)儀器面板時(shí)，只需根據(jù)需要選擇合適“控件”，放在面板相應(yīng)的位置即可。由于控制模板是LabVIEW為設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)虛擬面板而提供的，因此它只會(huì)在前面板編輯窗口中出現(xiàn)?？刂颇０逯杏袛?shù)值子模板、布爾值子模板、字符串和路徑子模板、數(shù)組和簇子模板等等(3) 功能模板（Functions Palette）：是創(chuàng)建框圖程序的工具，在流程圖中使用。功能模板包含用于VI編程的對(duì)象，例如：數(shù)值運(yùn)算、儀器I/O、文件I/O以及數(shù)據(jù)采集等操作。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。 虛擬儀器程序（VI）的基本組成VI由以下3部分組成。（1） 程序前面板：交互式的用戶界面。（2） 框圖

14、程序：是程序源代碼，用模塊代替普通函數(shù)。（3） 圖標(biāo)/連接器（子VI）：可被高級(jí)VI調(diào)用的VI2 鎖相環(huán)理論介紹鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.1 鎖定與跟蹤的概念鎖相環(huán)理論分析鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)相位跟蹤系統(tǒng)， 設(shè)輸入信號(hào)：ui（t）= Ui sinwi t +i（t）式中 ui是輸入信號(hào)的幅度;wi是載波角頻率;i（t）是以載波相位wi t為參考的瞬時(shí)相位若輸入信號(hào)是未調(diào)載波，i（t）即為常數(shù)，是ui（t）的初始相位，若輸入信號(hào)是角調(diào)制信號(hào)，（包括調(diào)頻調(diào)相），i（t）即為時(shí)間的函數(shù)設(shè)輸入信號(hào) uo（t）Uo coswo t +o（t）式中 Uo是輸出

15、信號(hào)的幅度wo是環(huán)內(nèi)被控制振蕩器的自由振蕩角頻率，它是環(huán)路的一個(gè)重要參數(shù)o（t）是以自由振蕩的載波相位wo t為參數(shù)的瞬時(shí)相位，在未受控制以前它是常數(shù)，在輸入信號(hào)的控制之下，o（t）即未時(shí)間常數(shù)。 因?yàn)殒i相環(huán)路是一個(gè)相位控制系統(tǒng)，輸入信號(hào)ui（t）對(duì)環(huán)路起作用的是它的瞬時(shí)相位，它的幅度通常是固定的，輸出信號(hào)uo（t）的幅度Uo通常也是固定的，只是其瞬時(shí)相位受輸入信號(hào)瞬時(shí)相位的控制，因此，我們希望直接建立輸出信號(hào)瞬時(shí)相位與輸入信號(hào)瞬時(shí)相位之間的控制關(guān)系。為此，先討論兩個(gè)不同頻率信號(hào)之間的相位關(guān)系。環(huán)路模型前面已分別得到了環(huán)路的三個(gè)基本部件模型，按下圖所示的環(huán)路構(gòu)成，不難將這三個(gè)模型連接起來(lái)得到環(huán)

16、路的模型，如下圖所示Ko /pF(p)_Ud sin+ i（t） e（t） Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 由圖上顯示看到，這是一個(gè)相位負(fù)反饋的誤差控制系統(tǒng)。輸入相位1（t）與反饋的輸出相位2（t）進(jìn)行比較，得到誤差相位e（t），由誤差相位產(chǎn)生誤差電壓Ud（t），誤差電壓經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器F（p）的過(guò)濾得到控制電壓Uc（t），控制電壓加到壓控振蕩器上使之產(chǎn)生頻率偏移，來(lái)跟蹤輸入信號(hào)頻率Wi（t）。若輸入Wi為固定頻率，在Uc（t）的作用下，Wv（t）向Wi靠攏，一旦兩者相等時(shí)，若滿足一定條件，環(huán)路就能穩(wěn)定下來(lái)，達(dá)到鎖定。鎖定之后，被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號(hào)頻率相同，兩者之間維持一定的

17、穩(wěn)態(tài)相位差。由圖可見(jiàn)，這個(gè)穩(wěn)態(tài)相差是維持誤差電壓以控制電壓所必須的。若沒(méi)有這個(gè)穩(wěn)態(tài)相差，控制電壓就會(huì)消失（環(huán)路濾波器為理想積分器是例外，這在第四章中將會(huì)說(shuō)明），壓控振蕩器的振蕩頻率又將回到其自由振蕩頻率Wu，環(huán)路當(dāng)然不能鎖定。存在剩余誤差（鎖相環(huán)路中就是相位誤差）是誤差控制系統(tǒng)的特征。這個(gè)模型直接給出了輸入相位1（t）與輸出相位2(t)之間的關(guān)系，故又稱為環(huán)路的相位模型，它是進(jìn)一步分析鎖相環(huán)的基礎(chǔ)。環(huán)路組成鎖相環(huán)路為什么能夠進(jìn)入相位跟蹤，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號(hào)的同步呢？因?yàn)樗且粋€(gè)相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。這個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)是由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器(LF)和電壓控制振蕩器(VCO)三個(gè)基本部件組

18、成的，基本構(gòu)成如下圖所示。實(shí)際應(yīng)用中有各種形式的環(huán)路，但它們都是有這個(gè)基本環(huán)路演變而來(lái)的。而本課題采用最簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)路一階鎖相環(huán)路進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。PDVCOLF_ i（t） e(t) Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 一階鎖相環(huán)路沒(méi)有環(huán)路濾波器(LF)，是最簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)路。實(shí)際上一階環(huán)很少被采用，但是由于環(huán)路中發(fā)生的種種物理現(xiàn)象，如捕獲、鎖定和失鎖等等，都可以通過(guò)一階環(huán)得到明確的說(shuō)明。鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位1（t）與反饋信號(hào)2（t）之間的相位差e(t)，輸出的誤差信號(hào)Ud(t)是相位差e(t)的函數(shù)。壓控振蕩器是一個(gè)電壓頻率變換裝置，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的振

19、蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓Uo(t)線性的變化。3 虛擬鎖相環(huán)電路的具體實(shí)現(xiàn)在利用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相電路時(shí)，按鎖相環(huán)路的功能分為幾個(gè)子模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，就好比一個(gè)電路板有很多各器件組成的一樣，下面講介紹每個(gè)程序模塊功能和實(shí)現(xiàn)的方法。3.1正弦鑒相器的實(shí)現(xiàn)正弦鑒相器理論分析鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位1（t）與反饋信號(hào)2（t）之間的相位差e(t)，輸出的誤差信號(hào)Ud(t)是相位差e(t)的函數(shù)，即Ud(t)=fe(t)鑒相特性fe(t)可以是多種多樣的，正弦形特性，三角形特性，鋸齒形特性等等，此課題 選用正弦形特性，故稱為正弦鑒相器。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串連

20、組成,如下圖所示:+LPF Ui（t） Ud（t） + _ Uo（t） 設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為Km單位為1/V,輸入信號(hào)Ui（t）與反饋信號(hào)Uo（t）經(jīng)相乘作用Km ·Ui（t）·Uo（t）Km· Ui·sinWot+1（t） ·Uo·cosWot+2（t） 1/2·Km ·Ui·Uo·sin2Wot+1（t）+2（t） +1/2·Km ·Ui·Uo·sin1（t）2（t）在經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除2Wo成分之后，得到誤差電壓 Ud(t) 1/2·Km

21、·Ui·Uo·sin1（t）2（t）令 Ud1/2·Km ·Ui·Uo·為鑒相器的最大輸出電壓，則 Ud(t)Ud· sine(t)正弦鑒相器虛擬轉(zhuǎn)換(1) 在框圖程序窗口中打開(kāi)功能模板（Functions），左擊其中的信號(hào)分析子模板（Analyze）,在信號(hào)分析子模板中選中Signal processing，然后再打開(kāi) Signal Generation功能子模板中的Sine ware VI,該VI產(chǎn)生正弦波。調(diào)用兩個(gè)Sine ware VI作為相乘器的輸入信號(hào)。(2) 在功能模板（Functions）中選中數(shù)值

22、運(yùn)算模板（Numeric）,再選擇其中的Multiply(乘函數(shù))。(3) 在功能模板中，選中信號(hào)分析子模板（Analyze），再選定其中的Signal processing，找到Filters模板，選中其中的Butterworth Filter.VI把濾波器類型參數(shù)設(shè)置為L(zhǎng)owpass.(4) 如上所述，把各部分連接，如下圖所示： 3.2 濾波器（LF） 本題采用沒(méi)有濾波器的一階鎖相環(huán)路，即F(p)=1一階鎖相環(huán)實(shí)際上很少被采用。但是由于環(huán)路中發(fā)生的種種物理現(xiàn)象，如捕獲、鎖定和失鎖等等，都可以通過(guò)一階環(huán)得到明確的說(shuō)明，因此本題選擇一階鎖相環(huán)路作為研究對(duì)象。故，鎖相環(huán)路可以簡(jiǎn)化為由兩部分組成：

23、檢相器、壓控振蕩器。如下圖所示：PDVCOi（t） e(t) Ud（t） Uc（t） 2(t) + _ 3.3 壓控振蕩器(VCO) 壓控振蕩器的功能實(shí)現(xiàn)是由一個(gè)子VI和移位寄存器等綜合實(shí)現(xiàn)的。子VI產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的頻率2(t)與基波信號(hào)的頻率i（t）相減得到一個(gè)新的頻率e(t),然后通過(guò)移位寄存器把新產(chǎn)生的頻率e(t)送給比較波作為其輸入頻率,如此反復(fù),知道基波信號(hào)的頻率i（t）與被控的壓控振蕩器的頻率2(t)相等,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可存在極小的誤差。所以在具體的LabVIEW程序中運(yùn)用到了減函數(shù)和(范圍判斷條件)<此名稱有誤>。4 子VI移位寄存器和分頻器等構(gòu)建成一個(gè)子VI，此子VI

24、能夠完成對(duì)檢相器輸出的波形進(jìn)行頻率變換，然后將不斷變化的頻率再反饋給檢相器，如此循環(huán)形成跟蹤。具體實(shí)現(xiàn)分如下四個(gè)部分：時(shí)鐘發(fā)生器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器和分頻器4.1 時(shí)鐘發(fā)生器的實(shí)現(xiàn) 時(shí)鐘發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)主要是按照時(shí)鐘波形的規(guī)律，它是一個(gè)“0”和“1”電平循環(huán)交替的方波。在For循環(huán)中嵌套一個(gè)條件判斷結(jié)構(gòu)框（CASE框），輸入正弦波形與0比較，大于或等于時(shí)輸出為“1”，否則為“0”。4.2移位寄存器的實(shí)現(xiàn) 移位寄存器在電路中主要起到一個(gè)循環(huán)移位和反饋的作用。LabVIEW中引入的移位寄存器的概念是，使用移位寄存器可在循環(huán)體之間傳遞數(shù)據(jù)，其功能是將上一次循環(huán)值傳給下一次循環(huán)。本題使用到多個(gè)移位寄存器，

25、左側(cè)移位寄存器端子同時(shí)呈現(xiàn)前一次和前兩次的循環(huán)值，即可以比較輸入方波的相鄰兩個(gè)值是否滿足方波上升沿的條件，然后對(duì)上升沿的個(gè)數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣即可計(jì)出方波的頻率。4.3分頻器的實(shí)現(xiàn)分頻器的實(shí)現(xiàn)是用了兩個(gè)CASE結(jié)構(gòu)的嵌套，把由時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的方波脈沖個(gè)數(shù)除以一個(gè)分頻數(shù)（可變的），即可得到一個(gè)新的頻率的方波，再把該頻率用計(jì)數(shù)器計(jì)出反饋給比較波，作為它的新的頻率。4.4子VI的具體實(shí)現(xiàn)步驟（1） 在框圖上放置一個(gè)For循環(huán)，并在其左邊界或右邊界上彈出選單，選擇Add Shift Register，創(chuàng)建一個(gè)移位寄存器，單擊For循環(huán)左邊界的移位寄存器端子同時(shí)移動(dòng)，生成一個(gè)新的移位寄存器端子，即左

26、邊界兩個(gè)移位寄存器端子，右邊界一個(gè)端子。（2） 在For循環(huán)中先放置一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)，經(jīng)檢相器輸出的波形與“0”比較，把“0”作為判斷條件，條件為真時(shí)輸出為“1”，條件為假時(shí)輸出為“0”。即把正弦波轉(zhuǎn)換為方波說(shuō)明：0在功能模板（Functions）中選中Companion子模板，調(diào)用Greater Or Equal To 0?函數(shù)。（3） 把生成的方波連接到For循環(huán)右邊界的移位寄存器端子上。（4） 在For循環(huán)中先放置“=0”和“0”函數(shù)（Functions Companion子模板），且在Functions中找到Boolean布爾邏輯子模板，選中“與”邏輯，分別與“=0”和“0”節(jié)點(diǎn)連接作

27、為計(jì)數(shù)條件。（5） 在For循環(huán)中再放置一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)用來(lái)計(jì)數(shù)，在Ture分支CASE中放置累加器Increment PtByPt.vi（逐點(diǎn)加1）和“商與余數(shù)”函數(shù)。當(dāng)條件為真（有上升沿出現(xiàn)）時(shí)計(jì)數(shù)，條件為假時(shí)不變。（6） 在計(jì)數(shù)的CASE結(jié)構(gòu)中再嵌套一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)。若“商與余數(shù)”函數(shù)的余數(shù)輸出為1，則滿足嵌套CASE為真的條件，則輸出為1，否則輸出為0，即生成一個(gè)新的頻率的方波。說(shuō)明：“商與余數(shù)”函數(shù)（Functions Numeric）: 求兩個(gè)數(shù)的商與余數(shù),此題除數(shù)為原方波頻率值，被除數(shù)為分頻數(shù)（可以任意設(shè)值），兩數(shù)相除余數(shù)為0時(shí)即滿足嵌套CASE為真的條件，則輸出為1，否則輸出為0。（7） 在For循環(huán)中再放置一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)，在CASE