基于LabVIEW的模拟鉴相器仿真实验研究

吴勇灵，杨 娜，肖 剑，王文江

(黔南民族师范学院 物理与电子科学学院，贵州 都匀 558000)



基于LabVIEW的模拟鉴相器仿真实验研究

吴勇灵，杨 娜，肖 剑，王文江

(黔南民族师范学院 物理与电子科学学院，贵州 都匀 558000)

针对模拟鉴相器软件设计中采样率与信号频率的关系问题，文中利用LabVIEW建立了模拟鉴相器的时域模型与单边带傅里叶变换等软件VI，并进行了仿真实验研究。实验结果表明，模拟鉴相器的正弦模型只有满足输入信号采样率与反馈信号采样率相等的条件下才能正常运行；采样率FS与max[fi，f0]之比越大失真越小；傅里叶变换中正弦模型包含了fi+f0与fi-f0频率分量、相位模型含有fi-f0频率分量，但是幅值与FS无关。

模拟鉴相器；LabVIEW；正弦模型；相位模型；傅里叶变换

虚拟仪器技术是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，提供了大量的工具与函数用于实现信号分析、数据处理和显示等多种功能[1]。作为图形化编程语言LabVIEW使得系统功能功能更加多样，人机界面更加友好[2-3]、开发效率高、扩展性强等特点[3-5]。锁相环是一个相位误差控制电路，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，已达到与参考信号同频的目的[7-8]，广泛应用在测控信号相干解调、时间同步、频率合成等领域，分为模拟锁相环、数字锁相环、全数字锁相环和软件锁相环[9-10]等几种。鉴相器是锁相环的一个重要组成部分，主要有正弦模型和相位模型两种。本文根据模拟鉴相器的数学模型，利用LabVIEW构建了鉴相器的时域模型和单边带傅里叶变换软件VI，并进行了多次仿真实验。

1 模拟鉴相器模型

模拟鉴相器的正弦模型[11-12]如图1所示，主要由乘法器和低通滤波器构成。设乘法器的相乘系数为Km，输入信号与反馈信号分别为：ui(t)=Uisin(2πfit+φi)，u0(t)=U0cos(2πf0t+φ0)，则

低通滤波器滤除高频分量后，鉴相器输出电压为

(1)

式中，fi和f0分别为输入信号与反馈信号的频率；φi和φ0分别为输入信号与反馈信号的初相位；Ui和U0分别为输入信号与反馈信号的幅值。

图1 模拟鉴相器正弦模型

鉴相器的相位模型[11-12]如图2所示，主要由加法器和正弦函数信号生成器构成，其输出电压为

ud(t)=Udsin[θe(t)]=Udsin[θi(t)-θ0(t)]

(2)

图2 模拟鉴相器相位模型

2 模拟鉴相器程序设计

利用图形化编程语言LabVIEW[13-15]设计的两种鉴相器时域模型和单边带傅里叶变换软件VI如图3所示，主要包含模拟鉴相器的正弦模型、相位模型、单边带傅里叶变换等。在设计过程中令Km=1/V，Ui=U0=1V。

正弦模型：用正弦函数信号函数节点分别生成输入信号ui和反馈信号u0，用乘法函数节点实现输入信号与反馈信号的乘法运算，利用低通滤波器滤除uc(t)的高频分量，得到模拟鉴相器的输出信号ud(t)。

相位模型：用减法函数节点实现输入信号与反馈信号的相位误差计算，利用正弦波函数节点生成正弦波信号，即为模拟鉴相器的输出信号ud(t)。

单边傅里叶变换：正弦模型和相位模型的单边傅里叶变换均由乘法、除法、加法、傅里叶变换、数组大小、商和余数、数组子集、索引数组、替换数组子集、捆绑等函数节点组成，实现鉴相器输出信号的傅里叶变换。

3 仿真实验

图4～图8为仿真实验的部分实验结果截图，通过分析研究，得出如下结论：当输入信号与反馈信号采样率不同时(如图4所示，输入信号ui(t)的采样率为2.00 kHz，反馈信号u0(t)的采样率为4.00 kHz)，运行出现错误；当设输入信号与反馈信号的采样率相等时，软件正常运行；模拟鉴相器的时域模型中，Fs与max[fi,f0]之比越低，失真现象越严重，反之，则越小；在单边傅里叶变换中，模拟鉴相器的正弦模型包含有fi+f0和fi-f0两个频率分量、相位模型只含有fi-f0分量，但是幅值与Fs无关。

图3 模拟鉴相器模型

图4 模拟鉴相器仿真1

图5 模拟鉴相器仿真2

图6 模拟鉴相器仿真3

图7 模拟鉴相器仿真4

图8 模拟鉴相器仿真5

4 结束语

针对模拟鉴相器软件设计中采样率与信号频率的关系问题，本文利用LabVIEW软件建立了模拟鉴相器的两种时域模型和单边带傅里叶变换等软件VI并进行了仿真实验。实验研究结果表明：在利用LabVIEW软件进行模拟鉴相器设计时，只有输入信号和反馈信号的采样率相等才能正常运行；采样率Fs与max[fi,f0]之比越大失真越小；在单边傅里叶变换中，模拟鉴相器正弦模型包含fi+f0与fi-f0频率分量、相位模型只含有fi-f0频率分量，而幅值与Fs无关。

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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

贵州省教育厅自然科学重点基金(黔教科研发[2014]279号)；贵州省普通高等学校创新人才团队建设基金(黔教合人才团队[2013]29)；贵州省教育厅产学研基地基金(黔教合KY字[2013]136)

吴勇灵(1976-)，男，副教授。研究方向：应用电子技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.006

TN763.3

A

1007-7820(2017)08-022-03