【導讀】控的鎖相式頻率合成器。它是對輸出時鐘信號的相位噪聲特性，雜散抑制特性等。鎖相式頻率合成技術提供了解決這一問題的思路。環(huán)頻率合成器芯片PE3336為基礎的鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成的方案。能滿足要求，于是出現(xiàn)了高準確度和高穩(wěn)定度的晶體振蕩。的或只能在一個極小的范圍內(nèi)微調(diào)。然而，在通信﹑雷達﹑宇航﹑儀表等應用領。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。生過多的雜散分量。數(shù)字式鎖相頻率合成器具有良。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。的，它最早是由美國學者于1971年提出的。它使用穩(wěn)定的參考時鐘源規(guī)定抽樣時間，直接產(chǎn)生數(shù)字正弦抽樣值，最后經(jīng)。率，幾乎是即時的頻率轉(zhuǎn)換以及成本低﹑控制靈活等。它的主要缺點是受限于?；ブg不能相互取代而是很好的補充。在實際應用中，可以根據(jù)性能要求，組合。應用這些基本方法，從而能得到性能更好的頻率合成器。

　　

【正文】 環(huán)路對壓控振蕩器的相位噪聲相當于高通濾波器。其物理意義為：鎖相環(huán)路對壓控振蕩器相當于負反饋電路，由于環(huán)路低通濾波器的作用，頻率越高，負反饋的作用越小，即旁頻離載頻越遠，環(huán)路對它的抑制能力越弱。 對采用理想積分濾波器的二階環(huán)路，可得： ??pr? Kd ??pF PK0 + ??p0? 圖 3— 7 壓控振蕩器帶噪聲情況下鎖相環(huán)路的相位模型 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 34 2221 ( ) 2 nnpHp pp?? ??? ?? 3— 29 222 2 21 ( )[1 ( ) ] ( 2 )nnnHj ???????????? 3— 30 由上式可見， n? 越大， ()not? 中包含的噪聲越小。換言之， n? 越大，環(huán)路濾除壓控振蕩器相位噪聲的效果越好。 以上所述是本文設計環(huán)路濾波器的理論基礎。 第四章 頻率合成器設計方案 鎖相頻率合成的基本方法是：鎖相環(huán)路對高穩(wěn)定度的參考振蕩器（通常是晶體振蕩器）鎖定，環(huán)路串接可編程的程序分頻器，通過編程改變程序分頻器的分頻比 N，從而 就得到 N 倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。按上述方式構(gòu)成的單環(huán)鎖相頻率合成器是鎖相頻率合成的基本單元。本課題所設計的是輸出頻率為 500—1000MHz 頻率可控的鎖相式頻率合成器。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。據(jù)此設計出合適的環(huán)路濾波器，以滿足課題設計要求。 4． 1 設計思想 鎖相式頻率合成器的組成 實際的鎖相式頻率合成器由參考分頻器，鑒相器，可變程序分頻器，環(huán)路濾波器，壓控振蕩器（ VCO）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖 （ 4— 1）所示。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 35 鎖相環(huán)路對高穩(wěn)定度的參考振蕩器（通常是晶體振蕩器）鎖定，環(huán)路串接可編程的程序分頻器，通過變成改變程序分頻器的分頻比 ，從而獲得 N/R 倍于參考頻率的穩(wěn)定輸出。高精度高穩(wěn)定度的晶體振蕩器所產(chǎn)生信號的頻率為 rf 將其作為鑒相器的輸入，當鎖定后頻率合成器輸出頻率 of 與晶體振蕩器參考頻 率 rf的關系為： rfRNf ?0 4— 1 輸入信號與輸出信號之間相位差保持不變，該相位差恒定又保持了兩個信號頻率滿足式（ 4— 1），從而實現(xiàn)所要求的穩(wěn)頻功能，在輸出端得到與晶體振蕩器同樣精度和穩(wěn)定度的離散頻率信號。 頻率合成器的主要性能指標 （ 1） 頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出 maxmin ~ ff 之間的變化范圍，也可定義為頻率覆蓋系數(shù) m in0m ax0 / ffk ? 表示，當頻率覆蓋系數(shù) k2~3 時，整個頻段可以劃分幾個分頻段（每個分頻段采用獨立的環(huán)路濾波器與壓控振蕩器），頻率覆蓋系數(shù)表示為 k1， k2， k3 ?，在頻率合成器中，分頻段的頻率覆蓋系數(shù)一般取決于 VCO 的頻率覆蓋系數(shù)。 （ 2） 頻道數(shù)與頻道間隔 PD LF VCO fo 247。 N 247。 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數(shù)（點頻數(shù)）。當然，各個頻率的信號不是同時存在的，即頻率合成器在某一時刻只能輸出某一個頻道信號。 頻道間隔是指兩個相鄰頻率之間的頻率差，也稱為頻率合成器的頻率分辨力。 （ 3） 頻率的穩(wěn)定度 通常 ，頻率合成器具有良好的長期穩(wěn)定度。典型的頻率合成器的頻率穩(wěn)定度為 日/)10~10( 970??? ff 。頻率合成器的長期穩(wěn)定度和精確度直接取決于內(nèi)部或外部標準頻率源的穩(wěn)定度和精確度。一般由工作在室溫或恒穩(wěn)槽內(nèi)的晶體振蕩器提供內(nèi)部標準頻率。 （ 4） 頻率轉(zhuǎn)換時間 頻率轉(zhuǎn)換時間是指頻率合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一頻率所需要的時間。它包括頻道置定時間及環(huán)路捕捉時間（當采用鎖相環(huán)時）。通常要求頻率合成器人工轉(zhuǎn)換頻率的時間較快，同時要求鎖相環(huán)路的捕捉時間低于幾十毫秒。 （ 5） 噪聲性能 信號噪聲有兩種類型， 即寄生干擾和相位噪聲。它表征了輸出信號的頻譜純度，所謂頻譜純度是指輸出信號接近正弦波的程度。實際上，輸出信號中存在不需要的頻率成分，主要來源于非線性器件產(chǎn)生的相干寄生信號和內(nèi)部電路所產(chǎn)生的非相干噪聲。這種寄生的噪聲信號頻譜可以是固定對稱在所選頻率兩邊，也可以是變化的。通常，寄生指標規(guī)定為處處范圍中所有離散的。 非諧波的寄生噪聲低于所需信號 80～ 90dB，而諧波低于 25dB。相位噪聲是由于隨機噪聲對輸出信號調(diào)相而產(chǎn)生的，在調(diào)制指數(shù)較小時，將出現(xiàn)連續(xù)，對稱的邊帶噪聲頻譜。單邊帶功率與總的信號功率之比。根據(jù)通信信 號電 磁 環(huán) 境 模 擬 器 系 統(tǒng) 對 頻 率 合 成 器 的 要 求 ， 相 位 噪 聲 應 滿 足60dBc/Hz@10KHz。各噪聲信號在頻譜上的分布大致如圖（ 4— 2）所示。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 37 圖 4— 2 頻率合成器輸出噪聲的分布情況 為達到系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度和準確度的要求，本文采用基于高穩(wěn)定度恒溫晶體振蕩器的頻率合成器方案。隨著鎖相環(huán)技術的成熟以及器件性能的不斷提高，現(xiàn)在的集成數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器可以輸出高達 的頻率信號，而且雜散較小，相位噪聲較低，在現(xiàn)代通信技術中已得到廣泛應用。根據(jù)系統(tǒng)技術指標及混頻方案的要求，采用 10MHz 恒溫晶體振蕩器作參 考時鐘，通過鎖相環(huán)路得到所需的各種頻綜信號。 本課題所設計的頻率合成器的技術指標主要有： （ 1） 相位噪聲： 60dBc/Hz@10KHz （ 2） 雜散抑制： 90dB： （ 3） 輸出阻抗： 50Ω； （ 4） 頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于 s?10 ；（連續(xù)工作 8 小時內(nèi)）； （ 5） 頻率準確度：優(yōu)于 s?10 ； （ 6） 信號變換時間： 10ms。 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計數(shù)器組成，它按照用戶所定義的 M和 A計數(shù)器的整數(shù)值除以輸入頻率 Fin 。 pre_en設置為低時10/11前置分頻器有源， pre_en 設置為高時允許 Fin 旁路前置分頻器且與前置分頻器無源。主分頻器通道的輸出頻率 fp 與頻率 Fin 的關系為 fp ＝ Fin /? ? ?10( 1)MA?? (41) 式中： A≦ M+1， M≠ 0。 由上面 A的限制可知 :若要獲得連續(xù)信道， Fin必須大于或等于 90 ? ?? ?1/ ?Rfr 。 M計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入為最小值 1時， M計數(shù)器的分頻比為 20直接接口時 M計數(shù)器的輸入 M7和 M8被置為 O。 (2 )參考分頻器通道 參考分頻器通道對參考頻率 rf 分頻獲得鑒相器的比較頻率 cf ， cf 是 6bitR 計數(shù)器的輸出。 cf 與參考頻率的關系為 ? ?1/ ?? Rff rc (42) 式中 :R≧ 0, R計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入等于 0時將使參考頻率 。直通到鑒相器。直接接口時 R計數(shù)器的輸入 R4和 R5被置為 O。 rf R 計數(shù)器 cf D ? ?0:7Sdata Control A(3:0) R(5:0) M(8:0) 模數(shù)選擇 Fin Fin 10/11 prescaler M 計數(shù)器 鑒 相 器 R Cext LD PD_U PD_D pf 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 39 (3 ) 鑒相器 鑒相器由 主分頻器輸出 pf 和參考分頻器輸出 cf ,的上升沿觸發(fā)，它有 PD_U 和 PD_D 兩個輸出。如果 pf 的 頻率或相位超前 cf 則 PD_D 石輸出負脈沖，如果 cf 的頻率或相位超前 pf 則 PD_U 輸出負脈沖，脈寬與 pf 和 cf 兩信號之間的相差成正比。 PD_U 和 PD_D 脈沖信號驅(qū)動有源低通濾波器，且產(chǎn)生控制 VCO頻率的調(diào)諧電壓。 PD_U脈沖導致 VCO頻率增高， PD_D 脈沖導致 VCO頻率降低，通過 Cext可獲得鎖相檢測輸出 LD。 PD_D 和 PD_U 兩輸出進行邏輯與非且串接 2kQ電阻得到 Cext,Cext外接旁路積分電容。在器件內(nèi)部 Cext還驅(qū)動一個帶有開路漏極輸出的倒相器，因而 LD是 PD_D 和 PD_U 的邏輯和。 當 1?Enh 時 PE3336處于工作模式，當 0?Enh 時 PE3336處于測試工作狀態(tài)。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。我在這用直接接口模式。在直接接口模式下，計數(shù)器控制直接通過引腳輸入， M計數(shù)器的 M7與 M8和 R計數(shù)器的 R4與 R5在器件 內(nèi)部設置為 O。 確定直接方式的置碼 綜合考慮采用 1OMHz的晶振作為 PE3336的 rf 信號，并采用 5MHz作為鑒相頻率比較合適，這樣就可確定 R為 1。由上面的公式可知， M和 A滿足以下關系 : M+1= 1050 AFin? (43) 這里 inF 為 ，對此不定方程 A=0， M =47比較適合我們的實際需要。到此，就確定了置碼值，表示成二進制，即下表所列。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 40 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器 是抑制鑒相器輸出電壓中的載波分量和載波噪聲，降低由 VCO 控制電壓不純而引起的寄生輸出，由于各種雜散干擾信號在環(huán)路中的位置作用不同，所表現(xiàn)的噪聲特性也不同，所以設計環(huán)路濾波器時需要具體分析干擾來源，合理選擇濾波參數(shù)，以獲得最佳的濾波性能。根據(jù)需要所設計的環(huán)路濾波器如下圖所示： 圖 4— 2 環(huán)路濾波器 C Enh eBmod eSmod R5 R4 R8 R7 ene_Pr 1 1 X 0 0 0 0 0 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 R3 0 1 0 1 1 1 1 0 R2 R1 R0 A3 A2 A1 A0 0 0 1 0 0 0 0 R1 R1 R2 R2 + C C 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 41 集成鎖相芯片選 PE3336，環(huán)路濾波器選有源濾波器。 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 ? 。 運用伯德準則來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，環(huán)路穩(wěn)定的條件為： ︱ ? ?rjG? ︳ =1；∠ ? ?rjG? ﹤ ? 。 式中， r? 為增益臨界頻率，當 T??? 時的相位與 ? 的差值為相位余量。 環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)： ? ? ? ? ? ?2 2221 2 11 S STSTN TKKSG nTVD ???? ? (48) 由 ?jS? 得： ? ? ? ?2 22 1 ???? TjjG n ??， 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 42 則 ︱ ? ?rjG? ︳ = 1142224 ??Trn T??? ， (49) 將nT ??22 ?代入 (49)得 014 24 ???????????????nTnT ????? 。 則： 142 42 ??? ???? nT (410) ∠ ? ? ? ?2a rc t a n TjG T??? ??? (411) 相位余量為： ? ?2arctan TT?? ?