基于LabVIEW的模擬鑒相器仿真實驗研究

吳勇靈，楊 娜，肖 劍，王文江

(黔南民族師范學院 物理與電子科學學院，貴州 都勻 558000)

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基于LabVIEW的模擬鑒相器仿真實驗研究

吳勇靈，楊 娜，肖 劍，王文江

(黔南民族師范學院 物理與電子科學學院，貴州 都勻 558000)

針對模擬鑒相器軟件設計中采樣率與信號頻率的關系問題，文中利用LabVIEW建立了模擬鑒相器的時域模型與單邊帶傅里葉變換等軟件VI，并進行了仿真實驗研究。實驗結(jié)果表明，模擬鑒相器的正弦模型只有滿足輸入信號采樣率與反饋信號采樣率相等的條件下才能正常運行；采樣率FS與max[fi，f0]之比越大失真越?。桓道锶~變換中正弦模型包含了fi+f0與fi-f0頻率分量、相位模型含有fi-f0頻率分量，但是幅值與FS無關。

模擬鑒相器；LabVIEW；正弦模型；相位模型；傅里葉變換

虛擬儀器技術是現(xiàn)代儀器技術與計算機技術相結(jié)合的產(chǎn)物，提供了大量的工具與函數(shù)用于實現(xiàn)信號分析、數(shù)據(jù)處理和顯示等多種功能[1]。作為圖形化編程語言LabVIEW使得系統(tǒng)功能功能更加多樣，人機界面更加友好[2-3]、開發(fā)效率高、擴展性強等特點[3-5]。鎖相環(huán)是一個相位誤差控制電路，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，已達到與參考信號同頻的目的[7-8]，廣泛應用在測控信號相干解調(diào)、時間同步、頻率合成等領域，分為模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)、全數(shù)字鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)[9-10]等幾種。鑒相器是鎖相環(huán)的一個重要組成部分，主要有正弦模型和相位模型兩種。本文根據(jù)模擬鑒相器的數(shù)學模型，利用LabVIEW構建了鑒相器的時域模型和單邊帶傅里葉變換軟件VI，并進行了多次仿真實驗。

1 模擬鑒相器模型

模擬鑒相器的正弦模型[11-12]如圖1所示，主要由乘法器和低通濾波器構成。設乘法器的相乘系數(shù)為Km，輸入信號與反饋信號分別為：ui(t)=Uisin(2πfit+φi)，u0(t)=U0cos(2πf0t+φ0)，則

低通濾波器濾除高頻分量后，鑒相器輸出電壓為

(1)

式中，fi和f0分別為輸入信號與反饋信號的頻率；φi和φ0分別為輸入信號與反饋信號的初相位；Ui和U0分別為輸入信號與反饋信號的幅值。

圖1 模擬鑒相器正弦模型

鑒相器的相位模型[11-12]如圖2所示，主要由加法器和正弦函數(shù)信號生成器構成，其輸出電壓為

ud(t)=Udsin[θe(t)]=Udsin[θi(t)-θ0(t)]

(2)

圖2 模擬鑒相器相位模型

2 模擬鑒相器程序設計

利用圖形化編程語言LabVIEW[13-15]設計的兩種鑒相器時域模型和單邊帶傅里葉變換軟件VI如圖3所示，主要包含模擬鑒相器的正弦模型、相位模型、單邊帶傅里葉變換等。在設計過程中令Km=1/V，Ui=U0=1V。

正弦模型：用正弦函數(shù)信號函數(shù)節(jié)點分別生成輸入信號ui和反饋信號u0，用乘法函數(shù)節(jié)點實現(xiàn)輸入信號與反饋信號的乘法運算，利用低通濾波器濾除uc(t)的高頻分量，得到模擬鑒相器的輸出信號ud(t)。

相位模型：用減法函數(shù)節(jié)點實現(xiàn)輸入信號與反饋信號的相位誤差計算，利用正弦波函數(shù)節(jié)點生成正弦波信號，即為模擬鑒相器的輸出信號ud(t)。

單邊傅里葉變換：正弦模型和相位模型的單邊傅里葉變換均由乘法、除法、加法、傅里葉變換、數(shù)組大小、商和余數(shù)、數(shù)組子集、索引數(shù)組、替換數(shù)組子集、捆綁等函數(shù)節(jié)點組成，實現(xiàn)鑒相器輸出信號的傅里葉變換。

3 仿真實驗

圖4～圖8為仿真實驗的部分實驗結(jié)果截圖，通過分析研究，得出如下結(jié)論：當輸入信號與反饋信號采樣率不同時(如圖4所示，輸入信號ui(t)的采樣率為2.00 kHz，反饋信號u0(t)的采樣率為4.00 kHz)，運行出現(xiàn)錯誤；當設輸入信號與反饋信號的采樣率相等時，軟件正常運行；模擬鑒相器的時域模型中，F(xiàn)s與max[fi,f0]之比越低，失真現(xiàn)象越嚴重，反之，則越?。辉趩芜吀道锶~變換中，模擬鑒相器的正弦模型包含有fi+f0和fi-f0兩個頻率分量、相位模型只含有fi-f0分量，但是幅值與Fs無關。

圖3 模擬鑒相器模型

圖4 模擬鑒相器仿真1

圖5 模擬鑒相器仿真2

圖6 模擬鑒相器仿真3

圖7 模擬鑒相器仿真4

圖8 模擬鑒相器仿真5

4 結(jié)束語

針對模擬鑒相器軟件設計中采樣率與信號頻率的關系問題，本文利用LabVIEW軟件建立了模擬鑒相器的兩種時域模型和單邊帶傅里葉變換等軟件VI并進行了仿真實驗。實驗研究結(jié)果表明：在利用LabVIEW軟件進行模擬鑒相器設計時，只有輸入信號和反饋信號的采樣率相等才能正常運行；采樣率Fs與max[fi,f0]之比越大失真越?。辉趩芜吀道锶~變換中，模擬鑒相器正弦模型包含fi+f0與fi-f0頻率分量、相位模型只含有fi-f0頻率分量，而幅值與Fs無關。

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Research Based on LabVIEW Simulation Phase Discriminator Simulation Experiment

WU Yongling，YANG Na，XIAO Jian，WANG Wenjiang

(School of Physics and Electronics,Qiannan Normal University for Nationalities,Duyun 558000,China)

Concerning the relationship between sampling frequency and signal frequency in software design of simulation phase discriminator, the paper uses LabVIEW to set up software VI such as time domain model of simulation phase discriminator and single side band Fourier transform , and conducted simulation experiment as well. experimental results indicate: only when sinusoidal model of simulation phase discriminator meet the condition that sampling rate of input signals and feedback signals equal to each other, simulation phase discriminator can operate normally. Higher ratio of sampling frequencyFSto max[fi，f0] means lower levels of distortion. In Fourier transform, sinusoidal model involves sum frequency and difference frequency components. Phase model involves differential frequency components. But amplitude and sampling frequency are not related.

simulation phase discriminator;LabVIEW;sinusoidal model;Fourier transform

2016- 10- 10

貴州省教育廳自然科學重點基金(黔教科研發(fā)[2014]279號)；貴州省普通高等學校創(chuàng)新人才團隊建設基金(黔教合人才團隊[2013]29)；貴州省教育廳產(chǎn)學研基地基金(黔教合KY字[2013]136)

吳勇靈(1976-)，男，副教授。研究方向：應用電子技術等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.006

TN763.3

A

1007-7820(2017)08-022-03