【正文】 是一種自動相位控制 (APC)系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個基本部件。它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個振蕩信號 (有時也稱本地振蕩 )，這個信號的頻率受控制電壓的作用，當(dāng)環(huán)路鎖定時，振蕩信號的輸出頻率與輸入信號的頻率完全相等，兩個信號的相位差保持恒定。實現(xiàn)了無頻率誤差的信號跟蹤，合理地選擇PLL的直流增益、振蕩頻率和相應(yīng)帶寬可有效地改善環(huán)路 性能，達(dá)到理想的效果。 正常工作時鎖相環(huán)路具有以下基本特性： (1)良好的窄帶特性：當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，鑒相器輸出的誤差電壓 Ud(t)是一個 能順利通過環(huán)路濾波器的直流電壓，如果此時輸入信號中有干擾成分，則干擾信號與 VCO的輸出信號在鑒相器 PD中比較所形成的誤差電壓受到環(huán)路濾波器的抑制 (處于低通的通頻帶外 )，于是 VCO的輸出信號中的干擾成分大為減少，此時環(huán)路相當(dāng)于一個濾除噪聲的高頻窄帶濾波器，其通頻帶可以做得很窄，如在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲的中心頻率上實現(xiàn)幾赫茲至幾十赫茲的窄帶濾波。這種窄帶濾波特 性是 LC， RC、石英晶體等濾波器很難達(dá)到的。 (2)鎖定后沒有頻差：在環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，環(huán)路的輸出信號和輸入信號的頻率相等，鎖相式頻率合成器設(shè)計 4 沒有剩余頻差，只有剩余相位差。它比 AFC系統(tǒng)更好地實現(xiàn)了頻率控制，因而在自動頻率控制、頻率合等技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 (3)自動跟蹤特性：一個已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)的環(huán)路，當(dāng)輸入信號的頻率稍有變化時， VCO的頻率立即發(fā)生相應(yīng)的變化，使輸出頻率與輸入頻率接近并最終達(dá)到相等。有時環(huán)路雖未達(dá)到鎖定狀態(tài)，經(jīng)過自身的調(diào)節(jié)作用可以捕捉到輸入信號并最終鎖定。 (4)易于集成化：組成鎖相環(huán) 路的基本部件都易于采用集成電路，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，整個環(huán)路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在 1塊芯片上，目前常用的主要有 L562，L565， L564， CD4046等集成鎖相環(huán)。集成化可以減小設(shè)備體積、降低成本、提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，大大提高整機(jī)性能。 由于鎖相環(huán)路性能優(yōu)越，現(xiàn)廣泛用于無線電通信技術(shù)中，可實現(xiàn)濾波、模擬和數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)、倍頻、分頻、混頻、頻率合成等方面。 鎖相式頻率合成器設(shè)計 5 第二章 鎖相頻率合成器的設(shè)計 現(xiàn)代科技的發(fā)展對電子信號源提出了越來越 高的要求 , 要求信號源的頻帶寬、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、能產(chǎn)生復(fù)雜的波形、相位噪聲和雜散很低、能程控等。這些技術(shù)要求用普通的模擬電路技術(shù)是達(dá)不到的 , 頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生大量高精度頻率信號的主要技術(shù)。頻率合成器是一種相位鎖定裝置 , 是通訊、雷達(dá)、儀器儀表、高速計算機(jī)和導(dǎo)航設(shè)備中的一個重要組成部分。 2． 1 鎖相 頻率合成器工作原理 基本的數(shù)字鎖相式頻率合成器如圖 所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，相位檢波器（鑒相器PD）的兩個輸入信號的頻率是相同的，即 fr = fd （ 1） VCO輸出頻率 fo經(jīng) N分頻得到 fd = fo/N （ 2） 所以，輸出頻率是參考頻率 fr的整數(shù)倍，即 fo = Nfr （ 3） 圖 基本鎖相頻率合成器 這樣，環(huán)路中帶有分頻器的鎖相環(huán)就提供了一種從單個參考頻率獲得大量頻率的方法。如果用一可編程分頻器來實現(xiàn)分頻比 N，就很容易按增量 fr來改變輸出頻率帶有可編程分頻器的鎖相環(huán)為合成大量頻率提供了一種有效的方法，合 成頻率都是參考頻率的整數(shù)倍，而此參考頻率就是此頻率合成器的分辨率。 基本數(shù)字鎖相頻率合成器存在以下幾個問題。首先，從式（ 3）可知，頻率分辨率等于fr，即輸出頻率只能以參考頻率 fr為增量來改變。為了提高頻率合成器頻率分辨率，就必須將 fr減小，而分辨率是與轉(zhuǎn)換時間成反比的，這樣，就使得分辨率與轉(zhuǎn)換時間相互矛盾。其次，在基本鎖相頻率合成器中， VCO的輸出是直接加到可變分頻器上的，而這種可編程分頻器的最高工作頻率可能比所要求的合成器工作頻率低的多，因此在很多應(yīng)用場合基本頻率合成器是不適用的。 固定分頻器在工作頻率明 顯高于可變分頻比，超高速期間的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器，則可大大提高 VCO的工作頻率。設(shè)前置分頻器的分頻比為 M，則可得 fo = N（ Mfr） （ 4） 采用了前置分頻器之后，使得合成器可以得到較高的工作頻率，但是因為 M是固定的， 鑒相器 f r 參考 振蕩器 參考 分頻器 環(huán)路 濾波器 壓控 振蕩器 可編程 分頻器 N f o f d = f o /N 鎖相式頻率合成器設(shè)計 6 輸出頻率只能以 Mfr為增量變化，使合成器的分辨率下降了。 間接式頻率合成法利用很少的基準(zhǔn)頻率源、混頻器和濾波器，可以得到大量的穩(wěn)定頻率，而且減少了組合頻率干擾，輸出頻譜純度高。但外部 干擾會影響鑒相器的輸出，從而影響瞬時穩(wěn)定度。間接式頻率合成法的主要缺點就是鎖相有一定的范圍，并需要較長的頻率捕獲時間（一般為毫秒級 ） 。 本次設(shè)計的鎖相式頻率合成器的頻率范圍為 10～ 30MHz，頻率分辨率△ fo為 100kHz，頻率穩(wěn)定度為 106。 2． 2 鎖相頻率合成器 2． 2． 1鎖相環(huán)路的基本組成 鎖相環(huán)路由 3部分組成：鑒相器 PD(Phase Detector)、環(huán)路濾波器 LF(Loop Fillter)和壓控振蕩器 VCO(Voltage— Controlled Oscillator)。組成框圖如圖 ： 圖 鎖相環(huán)路的組成框圖 鑒相器 PD通常鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器組成；作用是將輸入信號的相位與 VCO的輸出信號相位進(jìn)行比較，并比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為誤差電壓 Ud(t)；該電壓是兩個信號相位差的函數(shù)。 環(huán)路濾波器 LF 是低通濾波器，作用是濾除誤差電壓 Ud(t)中的高頻分量后得到控制電壓 Uc(t)，并加給壓控振蕩器。 壓控振蕩器 VCO 通常由變?nèi)荻O管和電抗管等組成振蕩電路； VCO的輸出頻率受 Uc(t)的控制。 當(dāng)輸入信號和輸出信號頻率相同相差恒定時，鑒相器輸出中的低頻分量為 零，環(huán)路濾波器的輸出也為零，壓控振蕩器的振蕩頻率不發(fā)生變化。如果二者的頻率不一致，則鑒相器將產(chǎn)生低頻分量，并通過環(huán)路濾波器使壓空振蕩器的頻率發(fā)生變化。環(huán)路設(shè)計得恰當(dāng)，這種變化將不斷使輸出信號的頻率與輸入信號的頻率趨于一致，最終二者頻率相等相位差恒定，Ud(t)， Uc(t)均為直流電壓， VCO 的輸出頻率將停止變化，環(huán)路處于 “ 鎖定 ” 狀態(tài)。當(dāng)輸入信號的頻率發(fā)生變化時 (VCO的控制范圍 )， VCO的輸出就能跟上這個變化，實施跟蹤和捕捉的過程，達(dá)到頻率相等的要求。 2． 2． 2使用前置分頻器的鎖相頻率合成器的組成 前 置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖如圖 。目前高速固定分頻器的工作頻率已可達(dá)到幾千赫茲，完全可以適應(yīng)合成器 VCO輸出頻率。因此，為了提高合成器的輸出頻鎖相式頻率合成器設(shè)計 7 率，可以先將輸出頻率 fo 送入高速固定分頻器進(jìn)行分頻，再把分頻降低以后的頻率送入能適應(yīng)這一工作頻率的可編程分頻器，構(gòu)成前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器。 圖 前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖 圖 ，247。 M即為高速前置分頻器，環(huán)路鎖定時輸出頻率 fo為 fo=MNfr （ 5） 因為 M為固定分頻數(shù)，改變可編程分頻器 N時，就可以改變輸出合成頻率。顯然，合成器的輸出頻率分辨率為 △ fo=Mfr （ 6） 前置分頻型單環(huán)合成器的輸出頻率取決于高速固定前置分頻器的最高工作頻率，目前的前置分頻器工作頻率已達(dá)到幾千 MHz，因此合成器 VCO 的輸出頻率也可以做到幾千 MHz。但是，這種合成器的頻率分辨率卻被前置分頻器的固定分頻比 M降低了 M倍，這是一個缺點。 2． 2． 3雙 模 前置 分頻 型 鎖相頻率合成器 雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖如圖 。變模前置分頻器是在不改變頻率分辨率的同時，又能提高合成器輸出頻率的一種有效方法。 圖 雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖 圖 ，247。（ P+1） /P為高速雙模前置分頻器，分頻模數(shù)為 P+1或 P， P為正整數(shù)。 A為脈沖吞咽可編程計數(shù)器。 M為主可編程計數(shù)器， MC為模數(shù)控制邏輯電路。分頻計數(shù)開始時，MC 輸出低電平，前置分頻器在低電平邏輯控制下按 P+1 模式計數(shù)， A 和 M 計數(shù)器則接收前置分頻器的 輸出脈沖同時計數(shù)。前置分頻器按 P+1模式工作時，它就每次比固定247。 P分頻多鎖相式頻率合成器設(shè)計 8