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1、第10卷第1期2010年1月科学技术与工程Vol110No11Jan120101671—1815(2010)120076205ScienceTechnologyandEngineeringZ2010Sci1Tech1Engng1基于LabVIEW的软件数字锁相环实现1孙秀桂张洪斌张树朝(大理学院,大理671003;大理供电局1,大理671001)摘要锁相环在测控、数字信号处理等领域有着广泛的应用。软件锁相环成为锁相环发展的趋势之一,根据锁相环路的基本组成及原理,利用LabVIEW软件提供的强大的数值计算和信号分析等能力对软件数字锁相环进行设计。实验和仿真结果表明该软
2、件锁相环具有较好的捕获和跟踪性能。利用软件实现的锁相环比硬件锁相环具有更好的灵活性和通用性,同时具有结构简单、参数设计灵活等优点。关键词软件锁相环LabVIEW鉴相器子VI中图法分类号TN91119;文献标志码A锁相环(Phase2lockedLoop,PLL)技术在测控、通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡通信、数字信号处理等众多领域得到了广泛的应用。器(VCO)三个基本部分组成,锁相环组成的基本原锁相环能够跟踪和锁定输入信号,使输出信号与输理框图如图1所示。入信号在频率和相位上保持同步,精确获得输入信号的频率和相位信息,广泛应用于FSCTS、电气传
3、动[1]和无线通信等领域。目前使用的锁相环主要是[2]模拟锁相环和数字锁相环,随着计算机技术及测图1锁相环基本原理图试技术的不断提高,为锁相环的软件实现提供了条锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,用来检件,软件锁相环成为锁相环发展的趋势之一。实质测输入信号相位和输出信号相位之间的相位差,并上,软件锁相环可认为是一个时间离散的模拟锁相环[3]。本文利用虚拟仪器技术,根据锁相环的原理将检测出的相位差转换成ud(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电对数字软件锁相环进行设计,并通过测试及仿真验压uc(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。一证了该锁
4、相器可应用性。[4]般用相乘器电路或序列电路实现。1锁相环1.2数学模型分析设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信1.1原理分析号电压分别为:锁相环路是一个相位的负反馈控制电路,简称ui(t)=umsin[ωi(t)+θi(t)](1)锁相环。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信uo(t)=uomcos[ωo(t)+θ0(t)](2)[5]号控制环路内部的震荡信号的频率和相位。锁相环式中的ωo为压控振荡器的自由振荡频率。则模拟乘法器的输出电压ud(t)为:2009年8月7日收到云南省教育厅自然科学基金(08Y0333)资助ud(t)=Kui(t)uO(t)=第一作
5、者简介:孙秀桂(1974—),女,山东平原人,讲师,研究方向:检1KUmUOmsin[ωit+θi(t)+ωOt+θO(t)]+测技术与自动化装置。E2mail:sunkerou@yahoo.com.cn。21期孙秀桂,等:基于LabVIEW的软件数字锁相环实现771试,根据被检测信号方式的不同,进行信号锁定、跟KUmUOmsin{[ωit+θi(t)]-2踪。设计中将程序按功能划分模块,每个模块都是[ωOt+θO(t)]}(3)一个子VI,主要有鉴相器、压控振荡器、仿真信号产用低通滤波器将式(3)中的高频分量滤掉后其差频生3个主要模块,主程序通过调用各子VI完成相
6、应分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t)。的功能。1uC(t)=KUmUOmsin{[ωit+θi(t)]-2[ωOt+θO(t)]}=Udmsin{(ωi-ωo)t+[θi(t)-θO(t)]}(4)式(4)中的ωi为输入信号的瞬时震荡角频率,θi(t)和θo(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时相位,其频差的关系式:dθdd(ωi-ωO)td[θi(t)-θO(t)]=+(5)dtdtdt[6]式(5)为判定锁相环是否锁定的条件。压控振荡器的作用是使其振荡频率向输入信号的频率靠拢,直至两者的频率相同,使VCO输出信号和输入信号的相位保持某种关系,以达到相位锁[
7、7]定的目的。其特性表达式为:ωu(t)=ωo+K0uc(t)(6)未锁定时,uc(t)与ωu随时间变化,锁相环进入“率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定状态,并保持ω0=ωi的状态不变。2软件设计与实现图2系统软件流程图2.2.1主程序2.1LabVIEW软件图3为主程序工作于检测信号为正弦波时的前虚拟仪器的关键是软件作为测试仪器的核心,面板。在前面板可显示DAQ板的采样信息、压控振本为利用虚拟仪器的开发平台LabVIEW开发。该荡器的参数、输入信号及反馈信号信息,在运行结果软件是第一个采用图形化编程技术的面向仪器的显示栏内,可显示uc及wc
