基于MATLAB平台的锁相环应用实例教学研究

牛晓伟，陈立万，陈强，谢辉

摘要：针对锁相环与频率合成技术课程理论性强、数学推导过程复杂、模型多、学科知识交叉、应用广泛等特点，提出将MATLAB代码仿真、图形化界面和PLL原理相结合，并给出具体应用实例的实验教改方法。实践表明，教学实践取得了良好的效果。

关键词：锁相环；锁相技术；频率合成

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0048-02

一、锁相环课程现状分析

锁相技术课程是我国高校信息与电子工程学科一门工程性和综合性都很强的专业基础课。对学生的要求比其他课程高得多，用传统的教学方法学生课上只是被动地听教师讲课，课下没能认真的理解概念和过程，对锁相环的理解不够深刻，实验环节给出通用单片集成锁相芯片给予管脚配置和说明，连接相关硬件电路，按讲义配置相关参数，得到锁相环的一般通用性结论，使得学习积极性仍得不到最大程度的调动，对锁相环捕获、同步、锁定、失锁、同步带、快捕获带等相关概念没有一个很好的全面深刻的认识，往往达不到很好的效果，同仁对锁相技术这门课做了很多教学上的改革。如聂翔等人通过针对锁相技术课程采用双语教学的方法，对如何在高等工程教育中融入双语授课、提高双语教学效果进行了有益探讨。孙娇燕在将计算机引入锁相技术课程的教学中，用计算机来模拟锁相环路的捕捉过程和对其进行稳定性分析。浙江工商大学信息与电子工程学院采用更加生动形象的PPT课件、Matlab应用软件、虚实结合的实验模式等多种辅助教学手段来改革传统的教学思路，这些方法在一定程度上提高了学生的积极性，丰富了教师上课的方式和教学互动的内容，提高了效率。但存在着以下几个方面的问题：①锁相课程理论性强，数学公式及图形表示多，看懂公式是第一步，配合图形了解环路实际运行状态才是最重要的。学生在学习过程中，除了看懂公式以及了解图形大概所呈现的意思外，对两者之间的联系很难有更深的理解和认识，在理解和掌握过程中产生了与知识的脱节。②锁相课程中涉及到其他学科的内容比较多，学生在学习过程中由于基础知识不扎实，很多知识容易混淆，甚至根本理解不清楚。而锁相应用实验又必须涉及相关知识，缺乏一种以具体应用实例为参考的教学模式。如：调制跟踪、载波跟踪、同步解调、信号的跟踪、滤除噪音、2FSK信号的调制解调。③学生对锁相过程及应用不能独立的编程实现相关功能，说明对锁相捕获、锁定、跟踪、频率牵引过程没有真正的想清楚，并落实到每一步，想不清楚就写不出算法步骤，自然就似懂非懂。

二、引入MATLAB，将公式转化为形象的图形过程

将Matlab引入至锁相技术的理论及实践教学中，从一开始就树立处处仿真的独立意识。在教学过程中，采用Matlab工具作为辅助教学手段，要求学生自己动手运用Matlab软件强大的图形功能将理论公式转化为更形象的图形表述。通过这个过程，学生可以更好地理解公式所要表达的意思以及从图形中可以进一步加快和加深对公式的理解和认识，将死记硬背公式的方式转化为以理解公式和图形为主的方法。减少学生在学习过程中的困难，使学习内容更形象具体，便于理解。使学生对锁相技术的基本概念、性质、方法等有更加透彻的理解，提高锁相技术课程的教学质量。

三、应用仿真例证分析

要求仿真正弦波的跟踪过程，仅加入高斯白噪声，原正弦波为exp（j*w0t），恢复出的NCO波形为exp（-j*w0t），两者相互补偿使鉴相器的输出趋于0，稳定后鉴相输出为0，环路滤波器的输出为输入信号的初相。

部分代码如下：

clear all；

theta=60*pi/180；

f=70e3；fs=8.5e3；

k=1：1：1000；delf=0；

cpx=exp（j*（2*pi*k*（f+delf）/fs+theta））+0.2*（rand（1，length（k））+j*rand（1，length（k）））；

for n=2：length（cpx）

nco（n）=conj（exp（j*（2*pi*n*f0/fs+phi_hat（n-1））））；

phd_output（n）=imag（cpx（n）*nco（n））；

phd_output（n）=asin（imag（cpx（n）*nco（n）））；

phd_output（n）=atan（imag（cpx（n）*nco（n））/real（cpx（n）*nco（n）））；

index_stop=1000；

subplot（411），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop）），ylabel（'Ph.Det.'）；title（'鉴相输出'）；

subplot（412），plot（1：index_stop，C（1：index_stop）/kp），ylabel（'Est. Phs.'）；title（'积分输出输出'）；

subplot（413），plot（1：index_stop，e（1：index_stop）*180/pi），ylabel（'Est.Phs.'）；title（'环路滤波输出'）；

subplot（414），plot（1：index_stop，phi_hat（1：index_stop）*180/pi），ylabel（'Est.Phs.'）；title（'相位输出'）；

subplot（3，1，1），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop）），ylabel（'Ph. Det.'）；

subplot（3，1，2），plot（1：index_stop，real（nco（1：index_stop）），1：index_stop，real（cpx（1：index_stop））），

ylabel（'RE-PLL'）；subplot（3，1，3），plot（1：index_stop，phd_output（1：index_stop），'-v'，1：index_stop，

50*C（1：index_stop），'-+'），ylabel（'Ph. Det.'）；title（'鉴相输出'）；

四、实验教学效果分析

通过在锁相实验课上应用MATLAB实例教学分析，学生一致认为此种教学方式比传统的基于单片集成芯片的硬件教学模式要生动形象。而且由于是计算机仿真教学，加深了对锁相基本概念和MATLAB图形化命令的操作模式，而且也锻炼了学生的编程能力，以具体实例来引导学生加深对锁相环鉴相器、环路滤波器及压控振荡器各部件功能的理解，便于激发学生学习锁相环这门课程的积极性，将死记硬背公式和概念转化为具体形象的实际应用。

参考文献：

[1]张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安电子科技大学出版社，2010：13-18.

[2]孙娇燕.将计算机引人“锁相技术”课程教学的尝试[J].交通高教研究，1993，（3）：55-59.endprint