【文章內(nèi)容簡介】 石英諧振器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)決定了石英晶體振蕩器的技術(shù)水平和性能指標(biāo) 。 前者的設(shè)計(jì)水平和制造工藝技術(shù)的每一次突破 ， 都帶來了后者在性能指標(biāo)上的一次突破 。 大體上 ， 其頻率準(zhǔn)確性每二十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 例如： 1940年為 103~104； 1980年為 105~106； 2022年約為 106~107。 頻率穩(wěn)定性大約每十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 421 晶體振蕩器 中國科大 快電子學(xué) 安琪 25 422 鎖相環(huán)電路 圖 4213是鎖相環(huán)電路的基本組成。盡管鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法多種多樣，但所有的設(shè)計(jì)都包含了圖 4213中的三個(gè)基本成分： ? 鑒相器（ Phase Detector，簡稱為： PD） ? 低通濾波器（ Low Pass Filter，簡稱為： LPW） ? 壓控振蕩器（ Voltage Control Oscillator， 簡稱為： VCO）。 鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上就是自動(dòng)相位控制，它是一個(gè)典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。它的基本功能是跟蹤輸入信號(hào)的相位，這一功能是通過鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位差成比例的電壓而完成的。相位誤差電壓通過低通濾波器，在那里抑制了噪聲和高頻信號(hào)成分。經(jīng)濾波后的相位誤差電壓調(diào)制了 VCO頻率，重新在鑒相器中與輸入信號(hào)比較，直到 VCO輸出以固定的相位關(guān)系鎖住輸入信號(hào)。鎖相環(huán)通過跟蹤信號(hào)的相位，頻率同步和頻率跟蹤便獲得了。 圖 4213 鎖相環(huán)的三個(gè)基本組成部分 中國科大 快電子學(xué) 安琪 26 423 直接數(shù)字合成（ DDS） 直接數(shù)字合成 （ Direct Digital Synthesis， 簡稱為： DDS） 直接數(shù)字合成是用數(shù)字控制的方法從一個(gè)參考時(shí)鐘來產(chǎn)生多種頻率的輸出時(shí)鐘 。 輸出時(shí)鐘的頻率可以在大范圍內(nèi)變化 ， 并且具有良好的頻率分辨率 。 在要求多種采樣率 ， 且變化靈活 、 范圍較大的應(yīng)用情況下 ， 采用 DDS技術(shù)來產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘不失為一個(gè)很好的途徑 。 （一） DDS的工作原理 圖 4220是一個(gè) DDS的基本原理框圖。它的基本技術(shù)是所謂的數(shù)字控制振蕩器技術(shù)（ NCO： Numerically Controlled Oscillator）。 輸入相位寄存器 寄存器 寄存器相位MS I N存儲(chǔ)器DAC濾波器低通f of cnnnn nN相位累加器 圖 4220 DDS的基本原理框圖 中國科大 快電子學(xué) 安琪 27 相位累加器的工作原理 DDS的核心是相位累加器，如圖 4220中（虛線框）所示。相位累加器由三部分組成，即相位寄存器， ?相位寄存器和加法器。 相位累加器的輸出隨系統(tǒng)參考時(shí)鐘（ fC）的每一個(gè)周期更新一次，即在每一個(gè)時(shí)鐘周期，相位累加器的輸出都增加 M大小。所以我們稱 M為相位增量。 假定 ?相位寄存器的 M值為 000?01，而相位寄存器的初始值設(shè)定為 000?00，則每一個(gè)時(shí)鐘周期，相位累加器的輸出增加 000?01。如果相位累加器的字長為 32位，即 n = 32，則相位累加器的輸出重新返回到 000?00的初始值需要 個(gè)時(shí)鐘周期。 很顯然， M值的大小決定了相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期（ T） , 我們有： T M fnc? ?2 1 輸入 相位 寄存器 寄存器 寄存器 相位 M SIN 存儲(chǔ)器 DAC 濾波器 低通 f o f c n n n n n N 相位累加器 322 由式（ 4220）可看出，T與 M成反比。 M值越大，相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期就越小，反之依然。 （ 4220） 中國科大 快電子學(xué) 安琪 28 Turning Equation 如圖 4220中所示：相位累加器的輸出用來作為一個(gè)正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址。該存儲(chǔ)器存有一個(gè)完整周期正弦波所對(duì)應(yīng)的全部幅度值，所以，當(dāng)相位累加器的輸出對(duì)該存儲(chǔ)器尋址時(shí)，就得到從 0度到 360度正弦波波形中的一個(gè)相位點(diǎn)。因此，隨著相位累加器的輸出不斷變化（每次增加 M大?。也〝?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)正弦波幅度值就不斷被讀出。當(dāng)相位累加器全部輸出值被循環(huán)一次時(shí)（周期為 T），則正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器正好輸出一個(gè)完整周期的正弦波幅度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過一個(gè) DAC和一個(gè)低通濾波器輸出，形成一個(gè)完整的正弦波波形。 對(duì)于一個(gè) n位的相位累加器，一共有 個(gè)可能的相位點(diǎn)，而 ?相位寄存器中的 M值則決定了相位累加器每次增加的量。相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（ T），就是正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出一個(gè)完整正弦波幅度數(shù)據(jù)的周期。因此，輸出正弦波的頻率 （ f0）就是相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（ T）的倒數(shù)。我們有： n cofMTf 21 ??? （ 4221） n2 式（ 4221）是 DDS的基本關(guān)系式，被稱為“ Turning Equation”。 輸入 相位 寄存器 寄存器 寄存器 相位 M SIN 存儲(chǔ)器 DAC 濾波器 低通 f o f c n n n n n N 相位累加器 中國科大 快電子學(xué) 安琪 29 Digital Phase Wheel n2 數(shù)字相位輪很形象地解釋了相位累加器的工作原理。 相位輪一周的相位點(diǎn)數(shù)量取決于 n，最大值為： 。 M數(shù)值給出了每次相位變化的增量。 M大意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間少， DDS輸出的信號(hào)頻率就高； M小則意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間多， DDS輸出的信號(hào)頻率就低。 輸出頻率的數(shù)值取決于三個(gè)因素： M， n和工作時(shí)鐘 fc。 圖 4221 相位累加器的數(shù)字相位輪表示 n cofMTf 21 ???中國科大 快電子學(xué) 安琪 30 DDS取樣輸出 信號(hào) 的頻譜 類似于 ADC,當(dāng) DDS中的正弦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過一個(gè) DAC形成正弦波信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)中也同時(shí)含有其混疊信號(hào)（ Aliased image）的頻譜成份。 圖 4223 DDS取樣輸出信號(hào)的頻譜 中國科大 快電子學(xué) 安琪 31 低通濾波器（ LPF） ? 按照仙農(nóng)取樣定理，輸出頻 率可高達(dá) 1/2的時(shí)鐘頻率。 但必須有理想的濾波器。 ? 理想濾波器是不現(xiàn)實(shí)的。 ? 物理上可實(shí)現(xiàn)的濾波器 將輸出頻率限制在時(shí)鐘頻率 的 40%以內(nèi)。 DDS LPF fo 圖 4224 低通濾波器 中國科大 快電子學(xué) 安琪 32 DDS的特點(diǎn) ? 輸出頻率范圍大 從 DDS的基本關(guān)系式可以看出 ， 改變相位增量 M值可以很方便地改變 DDS的輸出頻率 。 理論上 （ 仙農(nóng)取樣定理 ） ， M值的取值范圍可以從 1?2n1， 變化范圍非常大 。 當(dāng) M從 1?2n1變化時(shí) ， f0的變化范圍可以從 fc/2n ? fc/2， M值越大 ， 輸出頻率越高 。 ? 頻率分辨率高 式 （ 4221） 中 M值的取值變化最小為 1， 這意味著其頻率變化的最小值為 fc/2n， 即：頻率分辨率相當(dāng)高 。 若 fc=125M； n=32， 則 ?f = 125MHz/232 ? ? 相位連續(xù)性 如圖 4220所示 ， ?相位寄存器中的 M值可以以字串行方式或字節(jié)串行方式先送入到一個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器中 ， 然后由 fc同步 ， 并行地一次輸入 ?相位寄存器中 。 所以說當(dāng)改變 M值來改變輸出頻率時(shí) ， 輸出信號(hào)的相位是連續(xù)的 。 因此 ， DDS可以 輸出頻率分辨率非常小 ,頻率變化范圍很大的時(shí)鐘信號(hào) ， 這正是 DDS與其它時(shí)鐘技術(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn) 。 另外 ， DDS的控制方式是全數(shù)字化的 ， 使人們可以很容易地利用 DDS技術(shù)獲得能夠精細(xì)調(diào)節(jié) ， 改變非?？?， 且在頻率改變時(shí) ， 相位連續(xù)的輸出時(shí)鐘信號(hào) 。 n cofMTf 21 ???中國科大 快電子學(xué) 安琪 33 424 大頻率范圍，精細(xì)可調(diào)的頻率合成器 ? PLL With DDS Generated Offset 頻率合成器 ? PLL提供一個(gè)頻率粗調(diào)（ N?fREF）。 ? DDS在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。 ? 總的 頻率分辨取決于 DDS的頻率分辨，通常 〈 1Hz。 為了使輸出調(diào)節(jié)連續(xù) ， 應(yīng)有 DDS的 輸出頻率帶寬 BWDDS ? fREF。 Phase Detector Loop Filter VCO ? N LPF BPF ? P DDS fREF fOUT Optional 中國科大 快電子學(xué) 安琪 34 輸出頻率和頻率分辨 電路中的 P分頻器是可選的 ， 因而有兩種情形： ? P = 1： ? P 1： Phase Detector Loop Filter VCO ? N LPF BPF ? P DDS fREF fOUT DD SR E FOU T ffNf ???DDSff ???DDSREFOUT fPfPNf ?????DDSfPf ????中國科大 快電子學(xué) 安琪 35 DDSDriven PLL頻率合成器 Phase Detector Loop Filter VCO ? N LPF BPF ? P DDS fREF fOUT 特點(diǎn)： ? PLL提供一個(gè)頻率粗調(diào)（ N?fREF）。 ? DDS在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。 ? 總的 頻率分辨取決于 DDS的頻率分辨，通常 〈 1Hz。 中國