基于Multisim的锁相环原理研究与电路仿真

摘要：锁相环是一种通过对压控振荡器产生的信号分频后与参考时钟信号进行比较，根据比较结果不断调整振荡器输出，最终得到稳定的信号频率的一种负反馈系统。本文对锁相环的工作原理、组成部分及各部分的功能做了简要的分析，根据工作原理，在Multisim仿真软件中建立了一种锁相环电路模型，并对该模型进行仿真，验证了锁相环锁定后测试结果与理论值的一致性。

关键词：锁相环、分频、负反馈系统、锁定、Multisim仿真软件、电荷泵锁相环模型

1、引言

随着通信系统的发展，通信机对其所使用的振荡电路的要求越来越高，不仅要求振荡频率要广，还需要频率稳定度高。常用的晶体振荡电路虽然频率稳定度较LC振荡电路要高许多，但是只能通过数字电路分频来改变其频率。相较而言，锁相环电路就有优势多了，不仅振荡频率范围广，而且频率稳定度高。所以现在通信系统中多采用锁相环电路来产生需要的信号频率。

2、锁相环工作原理及组成部分介绍

锁相环是一个由鉴相器、分频器、压控振荡器、环路滤波器四部分组成的负反馈系统[1]。压控振荡器通过自由振荡输出一个信号，该信号被分频器进行1/N分频后输入至鉴相器反馈端与鉴相器的参考时钟信号作比较，比较后产生一个相位差值信号并在鉴相器中转换为电压信号，该电压信号通过环路滤波器处理后给到压控振荡器，控制压控振荡器输出。通过不断的比较调整，压控振荡器最终输出信号频率将稳定在鉴相器参考时钟频率的N倍。

下面将对锁相环的各个组成部分的主要功能进行分析。

鉴相器：将负反馈信号与参考时钟信号的相位进行比较，得到一个相位差值信号，电荷泵将该相位差值信号转换成为电压信号，并将该电压信号传输到环路滤波器。

分频器：将压控振荡器输出的频率信号按所需倍数进行分频，将分频后的低频信号送入鉴相器与参考时钟信号进行比较。

压控振荡器：根据环路滤波器给的输入电压信号，输出对应的频率信号。

环路滤波器：滤除鉴相器中相位差值电压信号的高频成分，保留其直流部分[2]。

3、一种锁相环电路的设计及Multisim仿真

根据锁相环工作原理，在Multisim仿真软件中建立一种输出信号频率为输入信号频率两倍的电荷泵锁相环电路的仿真模型[3]，如图1所示。为了模型的简明，并且方便仿真，本电路直接调用了 Multisim 中的電流源器件，开关器件和压控振荡器件，用D 触发器替代分频器实现对输入信号的二分频[4]，具体实现方法为将输入信号接至 D 触发器的是时钟（ CLK ）端，D 端和Q 端连接作为输出端，输出信号即为输入信号的二分频。

图中电阻R1 的阻值为3084Ω，电容C1的容值891PF，电容C2的容值为136PF。压控振荡器自由振荡信号的频率为0，电压增益为15MHz/V。电流源Ip1、Ip2均设置为50 A，环路滤波器的带宽是159.2KHz，信号源输出一个2MHz的信号作为参考时钟信号。

频率计XFC1接在压控振荡器的信号输出端用来测量该锁相环电路输出信号的频率，频率计XFC2接在压控振荡器输出的反馈信号端用来测量反馈信号的频率，万用表接在环路滤波电路后端用来测量环路滤波器输出到压控振荡器的控制信号的电压值。

模型运行初期，频率计XFC1显示值为1.432MHz，频率计XFC2显示值为625.94kHz，万用表显示值为103.822mV。从数据可以看出，通过D 触发器分频后，频率计XFC1显示的值是频率计XFC2显示值的两倍。通过压控振荡器作用后，万用表测量的电压值与频率计XFC1中显示频率为15M倍关系，满足压控振荡器的电压增益要求。

模型运行一段时间后，两个频率计和万用表均达到稳定，此时频率计XFC1显示值为4MHz，频率计XFC2显示值为2MHz，万用表显示值为266.666mV。模型稳定后最终输出信号的频率是参考时钟信号频率的 2 倍。控制信号的电压值与输出信号频率满足15M倍的关系。反馈信号频率与参考时钟信号的频率一致，测试值与理论值相符，该锁相环达到了锁定状态。

4、结语

在现代通信系统的发展背景下，高稳定度锁相环的应用越来越广泛。本文从基本理论出发，分析了锁相环电路的工作原理、组成结构及功能，并基于Multisim环境以电荷泵锁相环为例进行了建模及仿真，验证了锁相环频率范围广、稳定度高的特点。

参考文献

[1]郑继禹，万心平，张厥盛.锁相技术（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2]曾兴雯，刘乃安，陈健 等著 .高频电子线路（第 2 版）[M].北京：高等教育出版社，2009。

[3]都伊林.基于 Multisim 7 的锁相电路研究[J].集成电路应用，2005.

[4]游国福.电荷泵锁相环设计及其 IP 实现技术研究[D].国防科学技术大学工程硕士学位论文，2006.

作者简介：吴雅娟（1992—），女，四川雅安人，本科，助理工程师，研究方向：模拟电子线路