【正文】 環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)： ? ?121STSTSF ?? (44) 鎖相環(huán)路開環(huán)的傳遞函數(shù)： ? ? ? ?NS SFKKSG VD? (45) 鎖相環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)： ???SH ? ?? ?NSKKSF SKKSF VD VD /1 /? (46) 將 代入式 得： ? ? ? ? ? ?121112222122????????nnVDSSSTNSTKK NTSSTNSH??? (47) 式中1NTKK VDn ?? 是環(huán)路的自然協(xié)調(diào)頻率； 22Tn??? 是環(huán)路的阻尼系數(shù)，其中 CRT 11 ? ； CRT 22 ? 。它的數(shù)據(jù)輸入有并行接口、串行接口和直接接口三種模式。直接接口時(shí) R計(jì)數(shù)器的輸入 R4和 R5被置為 O。 4． 2 器件的選擇 集成鎖相環(huán)頻率合成芯片 PE3336 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 38 圖 41 PE3336 的原理框圖 它主要由以下幾部分組成： （ 1） 主分頻器通道 主分頻器通道由 10/11雙模前置分頻器，模數(shù)選擇電路以及 9bit M計(jì)數(shù)器組成，它按照用戶所定義的 M和 A計(jì)數(shù)器的整數(shù)值除以輸入頻率 Fin 。相位噪聲是由于隨機(jī)噪聲對輸出信號(hào)調(diào)相而產(chǎn)生的，在調(diào)制指數(shù)較小時(shí)，將出現(xiàn)連續(xù)，對稱的邊帶噪聲頻譜。它包括頻道置定時(shí)間及環(huán)路捕捉時(shí)間（當(dāng)采用鎖相環(huán)時(shí)）。 N fr(t) 圖 4— 1 鎖相式頻率合成器方框圖 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 36 頻道數(shù)是指頻率合成器所能提供的頻率個(gè)數(shù)（點(diǎn)頻數(shù)）。選用了單片大規(guī)模集成鎖相環(huán)頻率合成芯片 PE3336，該芯片集成了參考振蕩器、參考分頻器、程序分頻器及鑒相器等頻率合成器的主要部件。 以 ()nVp? 為輸入， ()nop? 為輸出的傳遞函數(shù)為： 0()( ) 1 ( )( ) ( )noVn V dp pH p H pp p K K F p??? ? ? ?? 3— 25 或?qū)懗桑? ( ) ( ) [ 1 ( ) ]no nVp p H p???? 3— 26 設(shè)相位噪聲 ()nVp? 的功率譜密度為 ()oVS? ?，則： 2( ) ( ) 1 ( 2 )o V r VS S p H j f?????? 3— 27 其方差為： 22 0 ( ) 1 ( 2 )o V n VS H j f df??? ? ????? 3— 28 由上分析可知，環(huán)路對壓控振蕩器的相位噪聲相當(dāng)于高通濾波器。 若有一高為 2( 0) 1Hj ? ，寬為 BL的理想矩形性濾波器，那么具有均勻相位噪聲功率譜密度 n 的噪聲加在該矩形濾波器的輸入端時(shí)，得到的輸出相位噪聲方差將是： no LnB?? ? 3— 24 為使矩形濾波器與環(huán)路對噪聲的濾波作用相同，要求式（ 3— 22）與式（ 3— 24）相等，既得到式（ 3— 23）。其噪聲電壓經(jīng)環(huán)路濾波器衰減后，最終加到壓控振蕩器上。 3． 4 鎖相環(huán)路的噪聲抑制特性 鎖相環(huán)無論工作于那種場合，都不可能避免的受到噪聲和干擾的作用，它們將會(huì)增加環(huán)路捕獲的困難，降低跟蹤性能，使環(huán)路輸出的相位作隨機(jī)的抖動(dòng)。 （ 4） 奈奎斯特準(zhǔn)則 當(dāng)特征方程的系數(shù)不能確定時(shí)，利用勞斯 — 霍爾維茨準(zhǔn)則成為不可能，奈奎斯特準(zhǔn)則就可以根據(jù) 系統(tǒng)對正弦輸入的開環(huán)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)來判斷閉環(huán)時(shí)是否穩(wěn)定，并且可以確定系統(tǒng)穩(wěn)定的程度。 在鎖定狀態(tài)下，鎖相環(huán)的穩(wěn)定條件是：閉 環(huán)傳遞函數(shù)的所有極點(diǎn)位于 s 平面的左半平面上。 系統(tǒng)穩(wěn)定的定義，是假定外來干擾使鎖相環(huán)路的相位誤差偏離了原來的平衡狀態(tài)，如果在干擾消失之后，環(huán)路經(jīng)過瞬態(tài)過程，仍能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)或是建立新的平衡狀態(tài)，則稱環(huán)路是穩(wěn)定的；反之環(huán)路則是不穩(wěn)定的。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 27 （ a） （ b） 圖 3— 4 理想二階環(huán)的誤差頻率特性（ 211() sFs s???? ，nx ??? ） （ a）幅頻特性； （ b）相頻特性 用上述同樣的方法可以求得，一階環(huán)路，采用 RC 積分濾波器的二階環(huán)路及采用無源比例積分濾波器的二階環(huán)路的閉環(huán)頻率響 應(yīng)都具有低通特性，誤差頻率響應(yīng)都具有高通特性。所有曲線在 2X? 處相交于 0dB。表（ 3— 2）中，把二階環(huán)的傳遞函數(shù)表示為環(huán)路的自西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 然諧振頻率 n? 和阻尼系數(shù) ? 的關(guān)系式。 K 的單位取決與 0K 所用的單位。鑒相器在具有三角形和鋸齒形鑒相特征時(shí) 具有較大的線性范圍。 為了解決上述問題，近年來頻率合成器的研究已有了重大進(jìn)展，出現(xiàn)了變模分頻鎖相頻率合成器，小數(shù)分頻鎖相頻率合成器以及多環(huán)鎖相頻率合成器等，它們的性能比基本的鎖相頻率合成器有了明顯的改善，滿足了各類應(yīng)用的需求。 鎖相環(huán)中的噪聲來源主要有兩類：一類是伴隨信號(hào)一起 進(jìn)入環(huán)路的輸入噪聲；一類是環(huán)路內(nèi)部噪聲。 ：鎖相環(huán)路能跟蹤輸入信號(hào)頻率的變化，所以環(huán)路具有調(diào)制跟蹤特性，在這種情況下，只要讓環(huán)路有適當(dāng)寬度的低頻通帶，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率與相位就能跟蹤輸入調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)的頻率與相位的變化。環(huán)路可以有效的濾除輸入信號(hào)伴隨的噪聲與干擾。右邊西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 第一項(xiàng) 0? 稱為固有頻差，它反映鎖相環(huán)需要調(diào)整的頻率量。 鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程 根據(jù) 中對鎖相環(huán)路各組成部件的原理介紹，將其連成閉合的相位反饋系統(tǒng)，假設(shè)反饋支路系數(shù)為 1，可得到鎖相環(huán)路的相位模型如圖（ 2— 8）所示。 ()cUt西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 調(diào)整 VCO 的頻率向參考信號(hào)的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖定。因此在滿足同步范圍的前提下可盡可能選取較小的 0K 。1( ) 1() ( ) 1odV s sFs V s s tt+== + 2— 8 39。 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器是一個(gè)線性低通濾波器，因而，它可以慮除誤差電壓 Ud(t)中的高頻分量和噪聲。 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。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。由于鎖相環(huán)路包含有一個(gè)固定積分環(huán)節(jié)，環(huán)路輸出無剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在。在 60 年代，維特比（ Viterbi）研究了無噪聲鎖相環(huán)路的非線 性理論問題，并發(fā)表了《相干通信原理》一書。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。此外，鎖相式頻率合成器還具有好的長期頻率穩(wěn)定度，短期頻率穩(wěn)定度和低噪聲跟蹤特性。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。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。 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。 隨著通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及雷達(dá)、制導(dǎo)、測試技術(shù)的發(fā)展，對其關(guān)鍵部分 — 頻率源的指標(biāo)提出了更高的要求。 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。其主要缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長。 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)。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。 2 良好的窄帶載波跟蹤特性。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)。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)生對應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓信號(hào) Ud(t)。更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。 21 1 1 2( ) ( 1 ) [ ( 1 ) ]1RR A C R A R CAt = + + = + ++ 222( 1 )1R A C R CAt = + =+ 2— 9 壓控振蕩器 壓控振蕩器是一個(gè)電壓 頻率變換器，它的輸出頻率受控制電壓 Uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號(hào)的頻率接近，也就是使差拍頻率越來越低，直至消除頻率差鎖定。 （ 5） 控制特性 希望輸出頻率 )(tv? 隨控制電壓 )(tuc 的變化盡可能是線形的。鎖定后兩信號(hào)之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。 假設(shè)鑒相器輸入?yún)⒖夹盘?hào)是振幅為 rU ，角頻率為 r? ，一載波位 rt? 為參考的瞬時(shí)相位為 ()rt? 的正弦信號(hào)：壓控振蕩器輸出信號(hào)是振幅為 0U ，固有角頻率為 0? ，以其固有振蕩相位 0t? 為參考的瞬時(shí)相位為 0()t? 的正弦信號(hào)。右邊第二項(xiàng)是閉環(huán)后 VCO 受控制電壓 ()cut作用引起振蕩頻率 v? 相對于固有振蕩頻率 o? 的頻差0()v??? 。環(huán)路主要是利用環(huán)路濾波器的低通特性來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)載頻上的窄帶帶通特性的，這比制作普通的窄帶帶通濾波器要容易得多。 ：由于環(huán)路中有鑒相特性的固有非線性，這就使得它在