鎖相頻率合成器

1、<p><b>　　中南民族大學(xué)</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)</b></p><p>　　學(xué)院： 電子信息工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)： 通信工程 年級： 2007 </p><p>　　題目: 鎖相頻率合成

2、器 </p><p>　　學(xué)生姓名： 李儼 學(xué)號： 07071178 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名: 尹建新 職稱: 副教授 </p><p>　　2011年5月31日</p><p>　　中南民族大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本

3、人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。</p><p>　　作者簽名： 年 月 日</p><p>　　注：本頁放在學(xué)位論文封面后，目錄前面</p><p><b>　　目

4、錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　Abstract3</p><p><b>　　1 引言3</b></p><p><b>　　2 鎖相環(huán)概述4</b></p><p>　　2.1 鎖相環(huán)的

5、構(gòu)成及工作原理4</p><p>　　2.1.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成4</p><p>　　2.2 鎖相環(huán)的工作狀態(tài)5</p><p>　　2.2.1 鎖定狀態(tài)5</p><p>　　2.2.2 線性跟蹤狀態(tài)6</p><p>　　2.2.3 失鎖狀態(tài)6</p><p>　　2.3 鎖相環(huán)

6、的應(yīng)用簡介6</p><p>　　2.3.1 頻率合成6</p><p>　　2.3.2 載波提取6</p><p>　　2.3.3 鎖相鑒頻6</p><p>　　2.3.4 位同步提取7</p><p>　　2.3.5 鎖相接收機7</p><p>　　2.4 鎖相環(huán)的性能指標

7、7</p><p>　　2.5 鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.5.1 鑒相器的數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.5.2 環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型9</p><p>　　2.5.3 壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型10</p><p>　　2.5.4 環(huán)路的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)方程11</p><

8、p>　　3 吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理及應(yīng)用設(shè)計13</p><p>　　3.1 吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理13</p><p>　　3.2 吞脈沖鎖相頻率合成器的應(yīng)用設(shè)計15</p><p>　　3.2.1 LF設(shè)計15</p><p>　　3.2.2 VCO設(shè)計16</p><p>　　

9、3.2.3 總體設(shè)計16</p><p>　　4 鎖相調(diào)頻的原理及鎖相調(diào)頻器的設(shè)計19</p><p>　　4.1 鎖相調(diào)頻的原理19</p><p>　　4.2 鎖相調(diào)頻器的設(shè)計20</p><p><b>　　6 總結(jié)22</b></p><p><b>　　致 謝22&

10、lt;/b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　鎖相頻率合成器</b></p><p>　　摘要：鎖相頻率合成器又稱間接式頻合器，是第二代頻率合成技術(shù)。它利用一個或多個鎖相環(huán)來完成頻率變換任務(wù)。鎖相頻率合成器是利用鎖相環(huán)的窄帶跟蹤特性，在石英晶體振蕩器提供的基準頻率源的作

11、用下，產(chǎn)生一系列離散頻率的儀器。鎖相頻率合成器的優(yōu)點是雜波抑制度高，調(diào)試方便；缺點是頻率轉(zhuǎn)換速度比直接合成慢。本文在介紹鎖相環(huán)的性能參數(shù)的基礎(chǔ)上重點介紹單環(huán)頻率合成器和鎖相調(diào)頻的原理，然后設(shè)計了一個工作頻率在29.5MHz～30.5MHz的鎖相頻率合成器和一個工作在29.965MHz～30.965MHz的鎖相調(diào)頻器。經(jīng)測試，該鎖相頻率合成器和鎖相調(diào)頻器可在要求的頻率范圍內(nèi)輸出正確的正弦波，頻率切換過程中沒有出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，可以用于短波無線

12、通信。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；頻率合成；鎖相調(diào)頻</p><p>　　Phase Locked Loop Frequency Synthesizer</p><p>　　Abstract: Phase Locked Loop frequency synthesizer is also called the indirect frequency synt

13、hesizer, it is the second generation of frequency synthesis. It uses one or more of the Phase Locked Loop frequency conversion to complete tasks. PLL frequency synthesizer use the narrow-band Phase Locked Loop tracking p

14、erformance， and with the reference frequency provided by quartz crystal oscillator source to produce a series of discrete frequencies. PLL frequency synthesizer has the advantage of high c</p><p>　　Key words

15、: Phase Locked Loop; frequency synthesizer; Phase Locked Loop frequency modulation</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　如果我們打開電視機和收音機，就立刻體會到鎖相環(huán)為人們的生活帶來的好處。它可以使我們方便的變換電視頻道并看到清晰的圖像，可以使我們聽到悅耳的

16、立體聲廣播。在高技術(shù)領(lǐng)域中鎖相環(huán)更可以大展身手。比如，它可以把深埋在噪聲中的有用信號提取出來，從而使地面接受設(shè)備正確受到衛(wèi)星、宇宙飛船等空間飛行體發(fā)回的信息?，F(xiàn)在，鎖相環(huán)已成為通信、雷達、導(dǎo)航、深空探測、電子儀器等設(shè)備中不可或缺的一部分，鎖相技術(shù)已成為每一個從事電子技術(shù)工作的工程技術(shù)人員必須掌握的基礎(chǔ)知識。</p><p>　　鎖相環(huán)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因為它具有獨特的窄帶跟蹤性能，能完成頻率合成、調(diào)制解調(diào)

17、、同步提取、測速測距、微量頻率變換等任務(wù)。環(huán)路可以只跟蹤輸入信號的載頻，也可以既跟蹤輸入信號的載頻又跟蹤由基帶信號調(diào)頻（或調(diào)相）所引起的頻率和相位變化。</p><p>　　鎖相環(huán)得到廣泛應(yīng)用的另一個原因是目前已有許多價格便宜，性能良好的集成鎖相環(huán)部件及通用很專用集成鎖相環(huán)。通常，人們只要掌握了鎖相環(huán)的基本原理和集成電路的外特性，就可以很方便地設(shè)計出能完成各種任務(wù)的環(huán)路。</p><p>

18、　　本文重點闡述了鎖相環(huán)的構(gòu)成及基本原理，以及怎樣用鎖相環(huán)設(shè)計鎖相頻率合成器及鎖相調(diào)頻器，并針對其中遇見的一些問題提出了相應(yīng)的解決方法。</p><p><b>　　2 鎖相環(huán)概述</b></p><p>　　2.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理</p><p>　　2.1.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成</p><p>　　鎖相環(huán)PLL是

19、一個相位負反饋系統(tǒng)，它是通過比較輸入信號和一個振蕩器的輸出信號的相位，取出與這兩個信號的相位差成正比的電壓作為誤差電壓來控制振蕩器的頻率，達到使其與輸入信號頻率相等的目的。</p><p>　　工程實踐中的鎖相環(huán)是各種各樣的，但無論多么復(fù)雜的鎖相環(huán)都包含鑒相器，環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器這三個基本部件。由這三個基本部件組成的鎖相環(huán)如圖1 所示，我們稱之為基本鎖相環(huán)。</p><p>　　圖1

20、 基本鎖相環(huán)組成</p><p>　　PD對輸入信號和反饋信號的相位進行比較，運算處理，其輸出信號可表示為</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中，表示輸入信號與輸出信號的相位差，[·]表示運算關(guān)系。</p><p>　　LF是一個線性低通網(wǎng)絡(luò)，用來濾除中的高頻成分和調(diào)整環(huán)路參數(shù)，

21、它對環(huán)路的性能指標由重要影響。LF的輸出信號被用來控制VCO的頻率和相位。常稱為誤差信號，為控制信號，它們之間的關(guān)系可表示為:</p><p>　　式中，為微分算子符號，為LF的傳輸算子。</p><p>　　VCO是一個電壓/頻率變換裝置，它的頻率隨變化，一般把它們表示為線性關(guān)系</p><p><b>　　= +</b></p>

22、<p>　　式中，為VCO的控制靈敏度，簡稱為壓控靈敏度, 為VCO的固有震蕩頻率，即控制信號為零時的震蕩頻率。 </p><p>　　2.1.2 鎖相環(huán)的工作原理</p><p>　　在鎖相環(huán)中，PD是控制器，VCO是控制對象，LF是校正網(wǎng)絡(luò)，基本鎖相環(huán)中反饋信號的傳遞函數(shù)為1，鑒相器檢測輸入信號與反饋信號之間的相位偏差，利用相位偏差產(chǎn)生控制信號，從而減小或消除相位偏差，這

23、就是鎖相環(huán)的工作原理。</p><p>　　當鎖相環(huán)輸入周期信號的頻率固定時，它的輸出信號頻率可以與輸入信號頻率相同，即鎖相環(huán)可以消除頻差。但能否消除相差取決于所用LF的形式。若LF的直流增益為無窮大，則可消除相差。若LF的直流增益為有限值，則不能消除相差。</p><p>　　2.2 鎖相環(huán)的工作狀態(tài)</p><p>　　工程上使用的鎖相環(huán)有兩種工作狀態(tài)，即鎖定狀

24、態(tài)和線性跟蹤狀態(tài)，不同用途的鎖相環(huán)應(yīng)工作在不同狀態(tài)。在鎖相頻率合成器中，鎖相環(huán)工作在鎖定狀態(tài)，在鎖相接收機、鎖相調(diào)制、鎖相解調(diào)及鎖相環(huán)相干載波提取等用途中，鎖相環(huán)工作在線性跟蹤狀態(tài)。</p><p>　　2.2.1 鎖定狀態(tài)</p><p>　　鎖定狀態(tài)下，相位誤差為某一確定值，其大小與鑒相器有關(guān)，環(huán)路能進入鎖定狀態(tài)的條件是：固有頻差小于環(huán)路捕捉帶。</p><p>

25、;　　環(huán)路頻差為零的穩(wěn)定狀態(tài)為鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，控制電壓及誤差電壓為直流，相位誤差為常數(shù)。</p><p>　　2.2.2 線性跟蹤狀態(tài)</p><p>　　環(huán)路平均頻差為零，相位誤差在鑒相器的線性范圍內(nèi)變化的穩(wěn)定狀態(tài)稱為線性跟蹤狀態(tài)。環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)時，反饋信號與輸入信號具有相同的載波頻率，但他們的瞬時頻率不相等，鑒相器工作于線性狀態(tài)。</p><p>

26、;　　“跟蹤”二字是指反饋信號的載波與輸入信號的載頻相等且可以跟蹤其變化，反饋信號的相位可以跟著輸入信號的相位變化而變化但不會完全相同。在線性跟蹤狀態(tài)下，環(huán)路控制電壓及誤差電壓都是交流信號。</p><p>　　2.2.3 失鎖狀態(tài)</p><p>　　當環(huán)路的反饋信號與輸入信號的載頻不相等時，環(huán)路即不是鎖定狀態(tài)也不是跟蹤狀態(tài)，稱此狀態(tài)為失鎖狀態(tài)，失鎖狀態(tài)下，環(huán)路無法正常工作。</p

27、><p>　　2.3 鎖相環(huán)的應(yīng)用簡介</p><p>　　2.3.1 頻率合成</p><p>　　在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入一個÷N分頻器，就可以構(gòu)成一個鎖相頻率合成器。環(huán)路輸入為固定頻率信號，來源于晶體振蕩器等高穩(wěn)定度信號源。在頻率合成器中，常稱環(huán)路輸入信號為參考信號，且把輸入頻率表示為。環(huán)路鎖定后無頻差，輸入頻率等于反饋頻率，所以環(huán)路輸出頻率為<

28、;/p><p>　　可見，只要改變分頻比N，就可以改變輸出頻率。</p><p>　　頻率合成器的輸出可以作為發(fā)射機載頻信號和接收機本振信號，改變N就可以改變通信機的工作頻道。</p><p>　　2.3.2 載波提取</p><p>　　相干通信中，在接受端需從接受信號中提取相干載波，才能進行相干解調(diào)。鎖相環(huán)可以完成載波提取的任務(wù)，環(huán)路輸入信號

29、中應(yīng)包含有載波離散譜，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)。</p><p>　　2.3.3 鎖相鑒頻</p><p>　　把輸入信號改為調(diào)頻信號，頻偏正比于基帶信號，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)，且相位誤差趨于零，則環(huán)路輸出信號的相位與輸入信號基本相等，其頻偏也基本相等，因此環(huán)路濾波器的輸出正比于基帶信號，可以作為解調(diào)輸出。</p><p>　　2.3.4 位同步提取</p&g

30、t;<p>　　若數(shù)字信號序列的頻譜中含有頻率等于碼速率的離散譜，鎖相環(huán)鎖定在此頻率上，則環(huán)路輸出信號頻率等于碼速率，再作適當移相，就可作為位同步信號。</p><p>　　2.3.5 鎖相接收機</p><p>　　鎖相環(huán)可以把深埋在噪聲中的正弦信號提取出來，這在深空通信中非常有用。當接收到的信號功率及其微弱時，考慮到多普勒頻移及發(fā)射機振蕩頻率的漂移，接收機的帶寬必須相當寬

31、，這樣就使接收機的輸入信噪比很低，在這種情況下，普通的接收機顯得無能為力，只有采用帶寬及窄的鎖相接收機才能把信號從噪聲中提取出來。</p><p>　　當輸入信號為調(diào)角信號，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)時，反饋信號的載頻與輸入信號相同，而LF的截止頻率可以很低。當環(huán)路疊加有加性窄帶白噪聲時，由于LF的截止頻率遠遠低于噪聲的最高頻率，故可以把這個噪聲電壓的絕大部分頻率成分濾掉，從而保證控制電壓比較純凈，使輸出信噪比遠高于

32、輸入信噪比。</p><p>　　2.4 鎖相環(huán)的性能指標</p><p>　　穩(wěn)定、準確、快速，是對閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般要求。同樣，我們研究鎖相環(huán)時也要從這三個方面分析其性能指標。此外，因為鎖相環(huán)處理的是電信號，它對噪聲的抑制能力是非常重要的，所以我們必須研究環(huán)路的噪聲性能。</p><p>　　鎖相環(huán)的穩(wěn)定性包括非線性穩(wěn)定性和線性穩(wěn)定性。非線性穩(wěn)定性是指環(huán)路接通后

33、能否進入鎖定或跟蹤狀態(tài)。因為在進入這一狀態(tài)過程中環(huán)路處于非線性狀態(tài)，需用非線性方法進行分析。</p><p>　　準確性是指環(huán)路的跟蹤誤差，它與輸入信號類型、環(huán)路參數(shù)有關(guān)。</p><p>　　快速性是指環(huán)路接通后進入鎖定狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)所需時間，或環(huán)路鎖定后輸入相位發(fā)生某一變化時環(huán)路跟蹤這一變化所需時間。</p><p>　　環(huán)路噪聲包括輸入噪聲和環(huán)路內(nèi)部噪聲，希望

34、在各種噪聲的作用下，環(huán)路能輸出我們所需要的信號。</p><p>　　2.5 鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.5.1 鑒相器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　不同的鑒相器有不同的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)只分析最常用的模擬乘法器鑒相器。</p><p>　　設(shè) </p><p>　　其中，

35、為的載頻，是在作用下VCO產(chǎn)生的相位變化。為分析方便，現(xiàn)以為參考，重新定義，則</p><p>　　式中，，稱為環(huán)路的固有頻差?？杀硎緸榱硪恍问?</p><p><b>　　式中。</b></p><p>　　乘法器的輸出包括與的和頻及差頻。為濾出和頻，在模擬乘法器的輸出端一般接有一個低通濾波器LPF。注意這個低

36、通濾波器的截止頻率應(yīng)遠小于且遠大于LF的截止頻率。這樣，和頻分量經(jīng)過兩個濾波器的作用后已非常微弱，對環(huán)路工作無影響。</p><p>　　設(shè)乘法器的相乘系數(shù)為，則PD的輸出為</p><p><b>　　令，，則有</b></p><p>　　圖2 正弦鑒相器方框圖（a）和數(shù)學(xué)模型（b）</p><p>　　圖3

37、 正弦鑒相特性</p><p>　　2.5.2 環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由RC組成的無源LF或由RC及運算放大器組成的有源LF都為線性網(wǎng)絡(luò)。設(shè)此網(wǎng)絡(luò)的傳輸算子和傳遞函數(shù)分別為和，則其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。</p><p>　　圖4 LF的數(shù)學(xué)模型（a）時域形式；（b）復(fù)頻域形式</p><p>　　下面介紹幾種常用的環(huán)路

38、濾波器的電路及頻率特性。</p><p>　　RC積分濾波器是一種結(jié)構(gòu)簡單的環(huán)路濾波器，電路構(gòu)成如圖5所示，</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　其傳輸算子為 </p><p>　　式中=RC是時間常數(shù)，這是此種濾波器的唯一可調(diào)參數(shù)。它具有低通特性，且相位滯后。當

39、頻率很高時，幅度趨于零，相位滯后接近于。</p><p>　　無源比例積分濾波器，該濾波器的電路構(gòu)成如圖6所示</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　其傳輸算子為 </p><p>　　式中，。它有兩個可調(diào)參數(shù)，這就給環(huán)路設(shè)計帶來了靈活性。當頻率很高時，傳輸算子等于電

40、阻的分壓比，這就時濾波器的比例作用。此濾波器有一個相位超前因子，這對改善環(huán)路的穩(wěn)定性時有作用的。</p><p>　　有源比例積分濾波器由運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成，電路構(gòu)成如圖7 所示</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　其傳輸算子為 </p><p>　　式中，，。當A>

41、;>1、>>，>>1時，可近似為</p><p>　　該式可表示為比例環(huán)節(jié)和理想積分環(huán)節(jié)之和，故可稱次濾波器為理想比例積分濾波器。由于是一相位超前因子，這種濾波器也可以改善環(huán)路的穩(wěn)定性。同樣，兩個可調(diào)參數(shù)和也給環(huán)路的設(shè)計帶來靈活性。</p><p>　　2.5.3 壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　設(shè)壓控振蕩器的振蕩頻率與控制電

42、壓成線性關(guān)系，即</p><p>　　VCO的瞬時相位是的積分，即</p><p>　　可得 </p><p>　　可以看出，壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型具有一個積分因子，這是相位與角頻率之間的積分關(guān)系所形成的。鎖相環(huán)路中要求壓控振蕩器輸出的是相位，因此這個積分作用是壓控振蕩器所固有的。正因為這樣，通常壓控振蕩器是鎖相環(huán)路中的固有積分環(huán)

43、節(jié)。壓控振蕩器應(yīng)是一個具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器，要求頻率穩(wěn)定度好（包括長期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度）；控制靈敏度 高；控制特性的線性度要好，線性區(qū)域要寬等等，這些要求之間往往是矛盾的，設(shè)計中要根據(jù)要求進行折中考慮。</p><p>　　2.5.4 環(huán)路的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)方程</p><p>　　設(shè)環(huán)路的三個基本部件之間無負載效應(yīng)（即設(shè)每個部件的輸入阻抗都為無窮大）則根據(jù)環(huán)路的組成方框圖和基本部

44、件的數(shù)學(xué)模型，可以得到整個環(huán)路的數(shù)學(xué)模型，如圖8 所示</p><p>　　圖8 采用正弦PD的環(huán)路數(shù)學(xué)模型</p><p>　　因為環(huán)路的輸入量、輸出量都是相位，所以常把環(huán)路的數(shù)學(xué)模型稱為相位模型。 </p><p>　　將此式兩邊同乘以,可得</p><p>　　此即為采用正弦鑒相器的環(huán)路動態(tài)方程?？梢姯h(huán)路的階數(shù)

45、等于環(huán)路濾波器的階數(shù)加1.代入具體的和，可解出。式中，稱為環(huán)路增益。</p><p>　　2.5.2 環(huán)路的線性化及傳遞函數(shù)</p><p>　　當環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，輸入到鑒相器的兩信號之間無頻差而只有一個固定的穩(wěn)態(tài)相差 。在此條件下，若輸入信號的相位或頻率在一定范圍之內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時（干擾或調(diào)制所引起的），通過環(huán)路自身的控制作用，環(huán)路輸出信號的頻率和相位會以同樣的規(guī)律跟隨輸入

46、信號的變化而變化，這一過程稱為環(huán)路的跟蹤過程。如果是理想的跟蹤，輸出信號的頻率和相位應(yīng)時時的與輸入信號相同。然而，實際上環(huán)路需要一個跟蹤的過程。在跟蹤過程中，首先出現(xiàn)暫態(tài)過程，此時環(huán)路存在暫態(tài)相位誤差，在達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，根據(jù)輸入信號的形式不同，環(huán)路出現(xiàn)不同的穩(wěn)態(tài)相位誤差。</p><p>　　在自動控制理論[20]中，常把位置信號、速度信號和加速度信號作為典型輸入量來分析各種控制系統(tǒng)的性能。在鎖相環(huán)當中，常用的

47、典型暫態(tài)輸入信號是相位階躍信號、相位斜升信號（頻率階躍信號）和相位加速度信號（頻率斜升信號）。</p><p>　　以上述采用正弦PD的鎖相環(huán)為例，對于一個原來輸入是固定頻率的二階鎖相環(huán)路來說，當出現(xiàn)這些暫態(tài)相位信號時，環(huán)路的跟蹤將出現(xiàn)一個暫態(tài)過程，最后再進入穩(wěn)定狀態(tài)。只要在整個相應(yīng)過程中，環(huán)路相差始終比較小，沒有超出鑒相器鑒相特性的線性工作區(qū)域時，環(huán)路動態(tài)方程中的 可近似為，環(huán)路看作一個二階線性系統(tǒng)，如圖 所示

48、，環(huán)路的動態(tài)方程可化簡為一個線性微分方程 </p><p>　　圖9 鎖相環(huán)線性化相位時域模型</p><p>　　圖10 鎖相環(huán)線性化相位復(fù)頻域模型</p><p>　　常用的環(huán)路傳遞函數(shù)有開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)。它們的定義如下：</p><p>　　=前向支路傳遞函數(shù)×反饋支

49、路傳遞函數(shù)</p><p>　　、都是閉環(huán)傳遞函數(shù)，但習慣上把叫作閉環(huán)傳遞函數(shù)而把叫作誤差傳遞函數(shù)，它們可由單環(huán)梅森公式求得。單環(huán)梅森公式為</p><p>　　負反饋環(huán)取“+”號，正反饋環(huán)取“—”號?？傻?lt;/p><p>　　3 吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理及應(yīng)用設(shè)計</p><p>　　3.1 吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理</p

50、><p>　　吞脈沖鎖相頻率合成是頻率合成技術(shù)中的佼佼者，它結(jié)合了吞脈沖程序分頻器和CMOS集成電路的優(yōu)點，具有工作頻率高，頻率間隔小，功耗小等特點，因此被廣泛用于無線通信領(lǐng)域。</p><p>　　MC145152-2是MOTORAOLA公司開發(fā)的鎖相頻率合成器大規(guī)模集成電路，采用CMOS工藝降低功耗的同時卻限制了自身的工作頻率，5V電源時，最高頻率僅為20MHz，這限制了其在無線通信領(lǐng)域的

51、直接應(yīng)用。本文創(chuàng)新設(shè)計理念，將具有更高工作頻率的雙模前置分頻器引入設(shè)計，共同構(gòu)成“吞脈沖式鎖相頻率合成器”，在不改變分辨率的情況下，將輸出頻率提高很多。</p><p>　　MC145152-2是可以通過N計數(shù)器和A計數(shù)器的16位并行輸入口以及R計數(shù)器的3位并行口進行編程的專用PLL頻率合成芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下</p><p><b>　　圖11</b></

52、p><p>　　內(nèi)部主要集成了包括一個12bit可編程÷R參考分頻器，一個10bit可編程÷N主計數(shù)器，一個六位可編程÷A輔助計數(shù)器，一個模式控制器，一個12*8參考分頻碼譯碼器，一個數(shù)字鑒相器和一個鎖定檢測器。片內(nèi)不包括壓控振蕩器、環(huán)路濾波器等電路單元。</p><p>　　RA0，RA1,RA2為參考分頻比地址輸入引腳，3位輸入對應(yīng)8種可能的分頻值，當三位地址

53、碼均為高電平1時，分頻值為2048，本文設(shè)計即采用該分頻模式。N0-N9為10bit÷N計數(shù)器編程輸入引腳，分頻比范圍：3～1023。 A0-A5為6bit÷A計數(shù)器編程輸入引腳，分頻比范圍：0～63。 φV、φR為鑒相器雙端輸出引腳，用于輸出環(huán)路誤差信號。該誤差信號控制VCO的頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。MC為至雙模前置分頻器模式控制信號輸出引腳，控制信號通過片內(nèi)控制邏輯電路產(chǎn)生，根據(jù)模式供職電平的高低，控制雙模前置分頻器

54、的分頻比為P或P+1。LD為鎖定檢測信號輸出引腳，當環(huán)路鎖定時，鎖定檢測器從該引腳輸出一個高電平。</p><p>　　MC12022是MOTOROLA公司開發(fā)的雙模前置分頻器專用中規(guī)模集成電路，專為內(nèi)部不含前置分頻器的集成鎖相頻率合成器度身定造。具有64和65兩種分頻模值，最高工作頻率可達1.1GHz。</p><p>　　將MC12022與MC145152-2片內(nèi)的兩個可編程分頻器及片

55、內(nèi)模式控制器連接即構(gòu)成吞脈沖程序分頻器，結(jié)構(gòu)框圖如下</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　VCO來的信號f0不直接送入MC145152-2內(nèi)部分頻器，而是先輸入雙模前置分頻器MC12022進行前置分頻后再送入片內(nèi)兩分頻器分頻，得到頻率為f0’的信號送到鑒相器與參考分頻器來的參考信號Fr進行相位比較。雙模前置分頻器的分頻模值由片內(nèi)控制邏輯控制

56、。</p><p>　　工作原理如下：一個計數(shù)周期開始時，設(shè)模式控制電平是低電平0，雙模前置分頻器以65的分頻模值與片內(nèi)主(N)、輔(A)兩計數(shù)器同時計數(shù)，直到A計數(shù)器計滿A個脈沖，模式控制電平變成高電平1，使A計數(shù)器停止計數(shù)，同時使雙模前置分頻器分頻比變?yōu)?4，N計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)直到記完剩下的N-A個脈沖，模式控制電平恢復(fù)到低電平0，雙模前置分頻器分頻比也恢復(fù)到65，各計數(shù)器進入下一個計數(shù)周期。因此再一個計數(shù)周期

57、內(nèi)，總共記錄的脈沖數(shù)為：</p><p>　　M=65A+64(N-A)=64N+A</p><p>　　則吞脈沖程序分頻器分頻比為：(64N+A)。 </p><p>　　以上電路表明：利用雙模前置分頻器和集成鎖相頻率合成器內(nèi)部兩個可編程分頻器構(gòu)成的吞脈沖程序分頻器，具有更大的環(huán)路總分頻比，因此，利用它構(gòu)成頻率合成器時，可以在不降低頻率間隔的情況下，把輸出頻率提高

58、很多。</p><p>　　3.2 吞脈沖鎖相頻率合成器的應(yīng)用設(shè)計</p><p>　　由于MC145152-2片內(nèi)不含壓控振蕩器(VCO)和環(huán)路濾波器(LF)，故實際應(yīng)用時需設(shè)計與之相匹配的VCO和LF，雙模前置分頻器采用MC12022，將它們共同構(gòu)成一個完整的吞脈沖鎖相頻率合成器。以下詳細探討相關(guān)參數(shù)的設(shè)計及電路設(shè)計。電路主要參數(shù)要求：</p><p>　　輸出

59、頻率范圍：29.5MHz～30.5MHz，頻道間隔：25KHz</p><p>　　3.2.1 LF設(shè)計</p><p>　　考慮濾波特性，在RC積分濾波器、RC比例積分濾波器、有源濾波器等諸多濾波器中，首選有源濾波器。電路結(jié)構(gòu)如圖：</p><p><b>　　圖13 </b></p><p><b>

60、;　　其中</b></p><p>　　M：環(huán)路總分頻比，由P、A、N值共同確定</p><p><b>　?。鸿b相器增益系數(shù)，</b></p><p>　?。涵h(huán)路阻尼系數(shù)，本設(shè)計取1</p><p>　　:環(huán)路自然角頻率，本設(shè)計取</p><p>　　: 壓控振蕩器增益系數(shù)，<

61、/p><p>　　集成運放采用OP07，該運放輸入失調(diào)電壓極低，功耗小，線性范圍大，頻率響應(yīng)好，從而使該濾波器具有較好的濾波特性。</p><p>　　3.2.2 VCO設(shè)計</p><p><b>　　根據(jù)設(shè)計要求</b></p><p>　　實際采用改進型電容三點式震蕩電路。</p><p>　

62、　3.2.3 總體設(shè)計</p><p>　　MC145152-2參考頻率采用10.24MHz晶體振蕩器產(chǎn)生。取參考頻率Fr=5KHz，則R參考分頻器分頻比可求：</p><p>　　R= =(10.24*106)/(5*103)=2048,此分頻值恰好為參考分頻碼譯碼器中最大分頻值，此時，三位地址均輸入高電平“1”。</p><p><b>　　環(huán)路總分頻

63、比N為：</b></p><p><b>　　M1= =5900</b></p><p><b>　　M2= =6100</b></p><p>　　因為電路結(jié)構(gòu)采用“吞脈沖程序分頻器”，即有如下關(guān)系：</p><p><b>　　M=PN+A</b></p&

64、gt;<p>　　其中N為主計數(shù)器值，A為輔助計數(shù)器值，P為雙模前置分頻器模值。</p><p>　　本設(shè)計中，雙模前置分頻器采用MC12022，其模值P=64.以環(huán)路總分頻比M1=5900為例，通過計算可得：</p><p>　　N=92，A=12，即M1=64*92+12=5900</p><p>　　將N=92，A=12化成二進制數(shù)，即分別為編程

65、輸入端N0～N9,A0～A5對應(yīng)的數(shù)碼值。 其電路圖如下所示</p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　實際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)環(huán)路鎖定時有一定的鑒相紋波，此鑒相紋波是由在環(huán)路鎖定時，參考信號相位超前于反饋信號引起的。實際波形如下所示：</p><p><b>　　圖15</b></p><

66、;p>　　其為5KHz的脈沖波，該鑒相紋波電壓會產(chǎn)生寄生調(diào)頻。要想提高環(huán)路對該干擾的抑制能力，必須注意下面幾點：</p><p>　　盡量提高參考信號頻率、減小環(huán)路自然諧振頻率；</p><p>　　精心挑選關(guān)鍵性元器件，以減小紋波電壓；</p><p>　　在保持、不變的前提下，盡量增大鑒相靈敏度。</p><p>　　實際工程中往往

67、是由所選定的電路決定，不易改動，、也不能任意改變，所以普通的二階環(huán)有時難于滿足指標要求，必須采取一定的措施。措施之一就是在二階環(huán)中增加一輔助低通濾波器以提高環(huán)路對雜波的抑制能力。</p><p>　　增加輔助低通濾波器后環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)可表示為</p><p>　　當>0.6，=1/>5時，附加低通濾波器對原二階環(huán)的穩(wěn)定余量基本上無影響。</p><p&g

68、t;　　當<時，附加的低通濾波器對雜波抑制度有改善作用。</p><p>　　因 </p><p>　　故雜波抑制度的改善量為</p><p><b>　　△</b></p><p>　　顯然，附加低通濾波器也可加強環(huán)路對輸入噪聲的濾除能力，這也是我們所希望的。系統(tǒng)電路板及輸出波形

69、如圖16所示</p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　經(jīng)測量，鎖相頻率合成模塊可達到頻率(30.0018±0.50003)MHz，信道間隔25KHz，頻率穩(wěn)定度5ppm。</p><p>　　4 鎖相調(diào)頻的原理及鎖相調(diào)頻器的設(shè)計</p><p>　　4.1 鎖相調(diào)頻的原理</p&g

70、t;<p>　　在模擬通信中，可用兩種方法產(chǎn)生調(diào)頻信號，一種是直接法，一種是間接法。在直接法中，用模擬基帶信號直接控制振蕩回路的電抗原件參數(shù)，使振蕩器輸出信號的瞬時頻率隨基帶信號作線性變化。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號的調(diào)制指數(shù)大，但載頻穩(wěn)定性差。在間接法中，先將基帶信號積分，再實施窄帶調(diào)相，得到一個窄帶調(diào)頻，對此信號倍頻就得到了寬帶調(diào)頻信號。</p><p>　　下面給出一點注入式鎖相調(diào)頻方框圖。調(diào)制信

71、號首先經(jīng)過調(diào)制電路進行電平轉(zhuǎn)換與幅度調(diào)整 ,然后與環(huán)路產(chǎn)生的誤差電壓相加 ,控制壓控振蕩器。由于環(huán)路帶寬低于調(diào)制頻譜的下限 ,因此調(diào)制信號不參與環(huán)路的反饋 ,使壓控振蕩器仍鎖定于中心頻率 ,實現(xiàn)調(diào)制信號對載波的頻率調(diào)制。</p><p><b>　　圖17</b></p><p>　　調(diào)制信號僅由LF與VCO之間注入環(huán)路，故稱之為一點注入式，環(huán)路閉合且鎖定后，輸出的載

72、頻等于參考頻率的N倍。若環(huán)路輸出信號的頻偏與基帶信號成正比，則既可實現(xiàn)調(diào)頻的目的，同時又保證了載頻的穩(wěn)定性。</p><p>　　當環(huán)路工作于載波跟蹤狀態(tài)時，可實現(xiàn)一點注入式調(diào)頻。對此種環(huán)路的調(diào)頻原理，我們還可以這樣來理解：因環(huán)路跟蹤于載波跟蹤狀態(tài)，所以在基帶信號頻率范圍內(nèi)，環(huán)路的閉環(huán)頻率特性近似為零。這樣，環(huán)路對基帶信號閉環(huán)一周的響應(yīng)約等于零，因此環(huán)路控制信號近似等于調(diào)制信號。也就是說，環(huán)路閉合后VCO的控制信

73、號和開環(huán)時近似相同，這樣就使VCO的頻偏正比于調(diào)制信號。</p><p>　　一點注入式鎖相調(diào)頻易于實現(xiàn)，已在FM發(fā)信機等設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。但調(diào)制頻率特性取決于環(huán)路誤差頻率特性。在環(huán)路自然諧振頻率附近，調(diào)制特性不可能很好，一次必須使環(huán)路自然諧振頻率遠小于基帶信號的最低頻率，才有可能保證調(diào)制頻率特性比較好。但由此又帶來其他問題，比如環(huán)路捕捉時間長從而使頻道轉(zhuǎn)換時間長等。當然，當在PD后面注入基帶信號時，環(huán)路帶寬可

74、以選擇的比較大，但它一定要大于基帶信號的最高頻率，這樣選擇的參數(shù)有時也會帶來一些問題。</p><p>　　4.2 鎖相調(diào)頻器的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計仍采用MOTORAOLA公司的鎖相環(huán)頻率合成芯片MC145152-2，調(diào)制信號為語音信號和數(shù)字信號，經(jīng)過運算放大器對語音信號進行帶通濾波、幅度調(diào)理，對數(shù)字信號進行幅度調(diào)理后加入到環(huán)路濾波器的輸出端，即壓控振蕩器的控制電壓上，即完成了

75、語音信號和數(shù)字信號鎖相調(diào)頻器的設(shè)計。</p><p>　　其系統(tǒng)框圖如圖18所示</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　其部分電路如下所示</b></p><p><b>　　圖19</b></p><p>　　系統(tǒng)電路

76、板及輸出波形如圖20所示 </p><p>　　圖20 </p><p>　　經(jīng)測試，鎖相調(diào)頻模塊可達到頻率(30.46378±0.49998)MHz，信道間隔24.999KHz，頻率穩(wěn)定度5ppm，可實現(xiàn)對語音信號和數(shù)字信號的調(diào)頻。</p><p><b>　　6 總結(jié)<

77、/b></p><p>　　本文在介紹鎖相環(huán)的性能參數(shù)及其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上重點介紹單環(huán)頻率合成器和鎖相調(diào)頻的原理，然后設(shè)計了一個工作頻率在29.5MHz～30.5MHz的鎖相頻率合成器和一個工作在29.965MHz～30.965MHz的鎖相調(diào)頻器并分析了制作過程中遇見的各種問題。這些研究對于對鎖相環(huán)的了解有一定的意義和參考價值。</p><p><b>　　致 謝</

78、b></p><p>　　在設(shè)計的制作過程中，老師一直都是我們的指南針，耐心地為我們講解原理性的問題，從系統(tǒng)的方案設(shè)計到具體的電路的設(shè)計老師都提出了寶貴的意見，為我們前期的工作打下了堅實的基礎(chǔ).在制作過程中，老師又細心為我們分析所遇見的問題，為我們中期工作能夠順利進行下去提供了保障，非常感謝老師對我們的細心輔導(dǎo)。同時，也要感謝隊友的支持,與隊友們的合作讓我意識到了團隊的力量。大量的工作不是一個人能做的，有隊

79、友在一起分擔讓我最終堅持到了最后。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　黃福昌，魯昆生。鎖相技術(shù)(第二版)。武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009。</p><p>　　華成英，童詩白。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)。高等教育出版社，2006。</p><p>　　龍暉?；贑MOS工藝的鎖相環(huán)頻率

80、合成器設(shè)計。2005</p><p>　　Gardner, Floyd M., Phaselock Techniques (second edition). New York, Wiley–Interscience, 1979. </p><p>　　Manassewitsch, Vadim, Frequency Synthesizers: Theory and Design (secon

81、d edition). New York, Wiley–Interscience, 1980.</p><p>　　Blanchard, Alain, Phase–Locked Loops: Application to Coherent Receiver Design. New York, Wiley–Interscience, 1976.</p><p>　　Egan, William

82、 F., Frequency Synthesis by Phase Lock. New York, Wiley–Interscience, 1981.</p><p>　　Rohde, Ulrich L., Digital PLL Frequency Synthesizers Theory and Design. Englewood Cliffs, NJ, Prentice–Hall, 1983.</p&g

83、t;<p>　　Berlin, Howard M., Design of Phase–Locked Loop Circuits, with Experiments. Indianapolis, Howard W. Sams and Co., 1978.</p><p>　　Kinley, Harold, The PLL Synthesizer Cookbook. Blue Ridge Summit,

84、 PA, Tab Books, 1980.</p><p>　　AN535, Phase–Locked Loop Design Fundamentals, Motorola Semiconductor Products, Inc., 1970.</p><p>　　AR254, Phase–Locked Loop Design Articles, Motorola Semiconducto