【正文】 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 摘 要 本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)參考頻率是 10MHZ,輸出頻率是 的頻率可控的鎖相式頻率合成器。它是對(duì)輸出時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲特性，雜散抑制特性等要求都很高的一種頻率合成器，為基本信號(hào)生成模塊到射頻的搬移提供穩(wěn)定的激勵(lì)源。鎖相式頻率合成技術(shù)提供了解決這一問題的思路。 本文在研究頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)基本原理的基礎(chǔ)上，分析了鎖相式頻率合成器組成電路中各部件對(duì)環(huán)路輸出信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了以一個(gè)高性能的集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片 PE3336 為基礎(chǔ)的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率合成 的方案。 關(guān)鍵詞 ：頻率合成器 鎖相環(huán)路 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器 相位噪聲 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 ABSTRACT Aiming at the scheme is to design and realize frequency synthesizers, which must meet high expectation for the phase noise characteristic and the spurious repression characteristic of the output clock signal. These frequency synthesizers provide the moving of the basic signal generating modules to radio frequency with stable inspiring source. Phase Locked Loop technique offers a way to solve this problem. On basic of researching the technique of frequency synthesis and the principle of Phase Locked Loop, this article analyzes the output signal whose noise characteristics depends on the each part of PLL, and designs a scheme to realize the frequency synthesizers using the high performance chips(PE3336) with integrated prescalers and phase detectors. Key words: frequency synthesizer phaselocked loop loop filter Voltage controlled oscillator phase noise 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 第一章 緒 論 頻率合成技術(shù)簡(jiǎn)介 隨著電子 技術(shù)的發(fā)展，要求信號(hào)的頻率越來越準(zhǔn)確和穩(wěn)定，一般振蕩器已不能滿足要求，于是出現(xiàn)了高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的晶體振蕩。但晶振的頻率是單一的或只能在一個(gè)極小的范圍內(nèi)微調(diào)。然而，在通信﹑雷達(dá)﹑宇航﹑儀表等應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要在一個(gè)頻率范圍內(nèi)提供一系列高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的頻率，一般的方法已經(jīng)不能滿足要求，于是出現(xiàn)了頻率合成技術(shù)。它的主要功能是從一個(gè)高穩(wěn)定和高準(zhǔn)確的參考頻率，經(jīng)過一定的技術(shù)處理方法，生成一系列高穩(wěn)定度，高準(zhǔn)確度的離散頻率。這里的技術(shù)處理方法，可以是傳統(tǒng)的用硬件實(shí)現(xiàn)頻率的加﹑減﹑乘﹑除等基本運(yùn)算，可以是鎖相技術(shù) ，也可以是各種數(shù)字技術(shù)和計(jì)算技術(shù)；這里的參考頻率可由高穩(wěn)定的參考振蕩器（一般為晶體震蕩器）產(chǎn)生；所生成的一系列離散頻率輸出與參考振蕩器頻率有嚴(yán)格的比例關(guān)系，且具有同樣的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。 頻率合成技術(shù)是在本世紀(jì) 30 年代開始建立的，那時(shí)的頻率合成是用幾個(gè)不同頻率的多晶體參考振蕩器的直接式合成方法，通過混頻得到多個(gè)穩(wěn)定而準(zhǔn)確的頻率。但由于這種方法要使用多個(gè)晶體振蕩器參考源，設(shè)備笨重，難于做到一致性，也不能滿足各種不同頻率的需要，因而后來被淘汰。新的方法使用一個(gè)晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)參考源，通過分頻，混頻和倍頻來得到更多 的頻率。 隨著通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及雷達(dá)、制導(dǎo)、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其關(guān)鍵部分 — 頻率源的指標(biāo)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的要求。于是出現(xiàn)了一些新的頻率合成方法，其中常用的三種分別是直接式頻率合成（ DS），鎖相式頻率合成（或稱間接頻率合成 IS）以及直接數(shù)字式頻率合成（ DDS）。 直接式頻率合成是最早的頻率合成方法，主要是采用硬件來實(shí)現(xiàn)頻率的加﹑減﹑乘﹑除等基本運(yùn)算，它是諧波發(fā)生器﹑濾波器﹑倍頻器和混頻器的組合，由一個(gè)或多個(gè)參考頻率來合成某個(gè)特定的頻率。直接頻率合成能實(shí)現(xiàn)快速頻率 變換﹑幾乎任意高的頻率分辨力﹑低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。因而西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 直接式頻率合成具有分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快，工作穩(wěn)定可靠等顯著特點(diǎn)。但由于采用了大量的倍頻﹑分頻﹑混頻和濾波環(huán)節(jié)，需要應(yīng)用大量的硬件設(shè)備，這就使得直接合成器做的較為龐大和昂貴。直接合成技術(shù)還有一個(gè)缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生過多的雜散分量。 鎖相式頻率合成以鎖相環(huán)為基礎(chǔ)，使得輸出頻率以輸入頻率的倍數(shù)進(jìn)行變化。通過對(duì)可編程分頻比的改變，就可以根據(jù)需要來改變輸出頻率。隨著數(shù)字化的鎖相環(huán)路部件如數(shù)字鑒相器，數(shù)字可編程分頻器等的出現(xiàn)，數(shù)字鎖相頻率合成技 術(shù)也逐漸發(fā)展起來。而且隨著數(shù)字技術(shù)和 VLSI 技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)路也由原來的模擬鎖相環(huán)發(fā)展為數(shù)字式、集成化的鎖相環(huán)，性能有了進(jìn)一步的提高。鎖相技術(shù)雖然發(fā)明較早，但由于其性能較好，同時(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，價(jià)格也較合理，它仍是國(guó)際上采用最廣泛的頻率合成技術(shù)。 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)計(jì)中的各種要求，鎖相環(huán)路也從單環(huán)逐漸發(fā)展出了變模分頻頻率合成器，多環(huán)頻率合成器，小數(shù)分頻頻率合成器等類型，使得鎖相頻率合成器的工作頻率，帶寬和分辨率都有了很大的提高。數(shù)字式鎖相頻率合成器具有良好的窄帶跟蹤特性，可以很好的選擇所需頻率的信號(hào)，抑 制雜散分量，并且避免 了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。此外，鎖相式頻率合成器還具有好的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，短期頻率穩(wěn)定度和低噪聲跟蹤特性。其主要缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。 直接數(shù)字式頻率合成是近 20 年來隨著技術(shù)和器件水平的提高而發(fā)展起來的，它最早是由美國(guó)學(xué)者于 1971 年提出的。這種方法與以往的頻率合成方法有很大區(qū)別，它是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新型的頻率合成方法。它使用穩(wěn)定的參考時(shí)鐘源規(guī)定抽樣時(shí)間，直接產(chǎn)生數(shù)字正弦抽樣值，最后經(jīng)濾波平滑輸出。這種頻率合成方法的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高﹑容易做到極低 的頻率，幾乎是即時(shí)的頻率轉(zhuǎn)換以及成本低﹑ 控制靈活等。它的主要缺點(diǎn)是受限于器件可用的最高時(shí)鐘頻率，輸出頻率上限不能太高，同時(shí)雜散電平較大。 這三種頻率合成方法是現(xiàn)代頻率合成的技術(shù)基礎(chǔ)，在性能上各有其特點(diǎn)，相互之間不能相互取代而是很好的補(bǔ)充。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)性能要求，組合應(yīng)用這些基本方法，從而能得到性能更好的頻率合成器。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 鎖相技術(shù)的發(fā)展概況和特點(diǎn) 鎖相技術(shù)發(fā)展概況 鎖相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門科學(xué)。鎖相原理在數(shù)學(xué)理論方面，早在30 年代無(wú)線電技術(shù)發(fā)展的初期就已出現(xiàn)。 1930 年已建立 了同步控制理論的基礎(chǔ)。1932 年，貝爾賽什（ Bellescize）第一次公開發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)描述，用鎖相環(huán)路提取相干載波來完成同步檢波。 1947 年，鎖相環(huán)第一次應(yīng)用于電視接收機(jī)水平和垂直掃描的同步系統(tǒng)中。從此，鎖相環(huán)開始得到了應(yīng)用。進(jìn)入 50 年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，由杰斐（ Jaffe）和里希廷（ Rechtin）利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章，同時(shí)解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計(jì)問題。在 60 年代，維特比（ Viterbi）研究了無(wú)噪聲鎖相環(huán)路的非線 性理論問題，并發(fā)表了《相干通信原理》一書。到70 年代林特塞（ Lindscy）和查利斯 (Charles)進(jìn)行了有噪聲的一階，二階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析，并作了大量時(shí)間以充實(shí)理論分析。 70 年代后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的集成鎖相環(huán)，這就為鎖相技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。 鎖相環(huán)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂歇?dú)特的窄帶跟蹤性能，能完成頻率合成﹑調(diào)制解調(diào)﹑同步提取﹑測(cè)速測(cè)距﹑微量頻率變換等任務(wù)。 鎖相環(huán)能得到廣泛應(yīng)用的另一個(gè)原因是目前已經(jīng)有許多價(jià)格便宜，性能良好的集成鎖相環(huán)部件及 通用和專用集成鎖相環(huán)。目前，鎖相環(huán)路的理論研究正日臻完善，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)電子技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)在鎖相環(huán)路正向著集成化，數(shù)字化，多用途，系列化，高速度，高性能方向迅速發(fā)展，且商品化集成鎖相環(huán)路日益增多，為鎖相技術(shù)應(yīng)用提供了廣闊前景。 鎖相技術(shù)的特點(diǎn) 鎖相環(huán)路處于良好工作狀態(tài)時(shí)，有如下基本特點(diǎn)： 1 可以實(shí)現(xiàn)理想的頻率控制。由于鎖相環(huán)路包含有一個(gè)固定積分環(huán)節(jié)，環(huán)路輸出無(wú)剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在。 2 良好的窄帶載波跟蹤特性。當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時(shí)，位于信號(hào)頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形 式進(jìn)入環(huán)路，而絕大部分干擾西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 會(huì)受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制，就相當(dāng)于一個(gè)窄帶的高頻帶通濾波器。 3 良好的調(diào)制跟蹤特性。鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器輸出頻率可以跟蹤輸入信號(hào)的瞬時(shí)變化，表現(xiàn)了良好的調(diào)制跟蹤性能。 4 門限性能好。鎖相環(huán)路不像一般的分線性器件那樣，門限取決于輸入信噪比，而是由環(huán)路信噪比決定，較高的環(huán)路信噪比可取得較低的門限性能。 5 易于集成化。環(huán)路集成化與數(shù)字化為減小體積，降低成本，增加可靠性，多用途提供了條件 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 第二章 鎖相環(huán)工作原理 本章首先闡明了鎖相環(huán)的基本原 理和構(gòu)成。分別敘述了構(gòu)成環(huán)路的三個(gè)基本部件的功能 ﹑模型﹑特性﹑及基本技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了環(huán)路的相位模型和基本方程，概述了環(huán)路的工作過程。 2． 1 鎖相環(huán)的構(gòu)成 鎖相環(huán)（ PLL）的基本組成 工程實(shí)踐中使用的鎖相環(huán)是各種各樣的，但無(wú)論多么復(fù)雜的鎖相環(huán)都包括鑒相器（ PD— Phase Detector）﹑環(huán)路濾波器（ LF— Loop Filter）﹑以及壓控振蕩器（ VCO— Voltage Controlled Oscillator）這三個(gè)基本部件由這三個(gè)部件組成的鎖相環(huán)如圖 所示，我們稱之為基 本鎖相環(huán)。 圖 2— 1 基本鎖相環(huán)方框圖 由圖（ 2— 1）可見，鎖相環(huán)是一個(gè)反饋系統(tǒng)?；炬i相環(huán)是一個(gè)全反饋系統(tǒng)，它的反饋信號(hào)等于輸出信號(hào)。 晶體振蕩器提供參考信號(hào)，因此晶振的頻率穩(wěn)定度非常高，同時(shí)，出于晶振的輸出的相位噪聲決定微波鎖相環(huán)的帶內(nèi)相位噪聲，因此使用的晶振噪聲應(yīng)該非常低，我們選用的是 10 MHz 的晶振。 現(xiàn)在我們先簡(jiǎn)述圖（ 2— 1）中三個(gè)部件鑒相器 壓控振蕩器 參考信號(hào) Ur(t) Ud(t) Uc(t) Uo(t) 環(huán)路濾波器 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 的作原理。 鑒相器 鑒相器是相位比較裝置，所以有時(shí)也叫做相位比較器或相敏檢波器。它把輸出信號(hào) Uo(t) 和參考信號(hào) Ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓信號(hào) Ud(t)。鑒相器的形式很多，按其鑒相特性分，有正弦型﹑三角形和鋸齒型等。作為原理分析，通?？偸鞘褂谜倚?，較為典型的正弦鑒相器可用模擬 相 乘 器 與 低 通 濾 波 器 的 串 接 為 模 型 ， 如 圖 （ 2 — 2 ） 所 示 。 設(shè)輸入信號(hào) ( ) sin[ ( ) ]r r r ru t U t t???? 2— 1 式中 rU 為輸入信號(hào)的振幅， r? 為輸入信號(hào)角頻率， ()rt? 為輸入信號(hào)以其載波相位 rt? 為參考時(shí)的瞬時(shí)相位。 設(shè)壓控振蕩器輸出信號(hào)為 0 0 0 0( ) c os [ ( ) ]u t U t t???? 2— 2 把 輸入瞬時(shí)相位寫成 0 0 0 1( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( )r r r rt t t t t t t? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? 2— 3 輸出瞬時(shí)相位寫成 0 0 0 2( ) ( )t t t t? ? ? ?? ? ? 2— 4 LF Ud(t) Ur(t) Uo(t) 圖 2— 2 正弦鑒相模型 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 則鑒相器輸出電壓為 0 1 0 0 2( ) sin[ ( ) ] c os[ ( ) ]d m ru t K U t t U