【正文】 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(xué)本科畢業(yè)論文 42 則 ︱ ? ?rjG? ︳ = 1142224 ??Trn T??? ， (49) 將nT ??22 ?代入 (49)得 014 24 ???????????????nTnT ????? 。 運(yùn)用伯德準(zhǔn)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? ﹤ ? 。根據(jù)需要所設(shè)計(jì)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(xué)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。到此，就確定了置碼值，表示成二進(jìn)制，即下表所列。 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(hào)，并采用 5MHz作為鑒相頻率比較合適，這樣就可確定 R為 1。我在這用直接接口模式。 當(dāng) 1?Enh 時(shí) PE3336處于工作模式，當(dāng) 0?Enh 時(shí) PE3336處于測(cè)試工作狀態(tài)。 PD_D 和 PD_U 兩輸出進(jìn)行邏輯與非且串接 2kQ電阻得到 Cext,Cext外接旁路積分電容。 PD_U 和 PD_D 脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)有源低通濾波器，且產(chǎn)生控制 VCO頻率的調(diào)諧電壓。 rf R 計(jì)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(jì)數(shù)器 鑒 相 器 R Cext LD PD_U PD_D pf 西安電子科技大學(xué)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(gè)輸出。直通到鑒相器。 (2 )參考分頻器通道 參考分頻器通道對(duì)參考頻率 rf 分頻獲得鑒相器的比較頻率 cf ， cf 是 6bitR 計(jì)數(shù)器的輸出。 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 。 pre_en設(shè)置為低時(shí)10/11前置分頻器有源， pre_en 設(shè)置為高時(shí)允許 Fin 旁路前置分頻器且與前置分頻器無源。 本課題所設(shè)計(jì)的頻率合成器的技術(shù)指標(biāo)主要有： （ 1） 相位噪聲： 60dBc/Hz10KHz （ 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(shí)內(nèi)）； （ 5） 頻率準(zhǔn)確度：優(yōu)于 s?10 ； （ 6） 信號(hào)變換時(shí)間： 10ms。隨著鎖相環(huán)技術(shù)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(dá) 的頻率信號(hào)，而且雜散較小，相位噪聲較低，在現(xiàn)代通信技術(shù)中已得到廣泛應(yīng)用。各噪聲信號(hào)在頻譜上的分布大致如圖（ 4— 2）所示。單邊帶功率與總的信號(hào)功率之比。 非諧波的寄生噪聲低于所需信號(hào) 80～ 90dB，而諧波低于 25dB。這種寄生的噪聲信號(hào)頻譜可以是固定對(duì)稱在所選頻率兩邊，也可以是變化的。它表征了輸出信號(hào)的頻譜純度，所謂頻譜純度是指輸出信號(hào)接近正弦波的程度。通常要求頻率合成器人工轉(zhuǎn)換頻率的時(shí)間較快，同時(shí)要求鎖相環(huán)路的捕捉時(shí)間低于幾十毫秒。 （ 4） 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間。頻率合成器的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和精確度直接取決于內(nèi)部或外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源的穩(wěn)定度和精確度。 （ 3） 頻率的穩(wěn)定度 通常 ，頻率合成器具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。當(dāng)然，各個(gè)頻率的信號(hào)不是同時(shí)存在的，即頻率合成器在某一時(shí)刻只能輸出某一個(gè)頻道信號(hào)。 N 247。 頻率合成器的主要性能指標(biāo) （ 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(dāng)頻率覆蓋系數(shù) k2~3 時(shí)，整個(gè)頻段可以劃分幾個(gè)分頻段（每個(gè)分頻段采用獨(dú)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)。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 35 鎖相環(huán)路對(duì)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。據(jù)此設(shè)計(jì)出合適的環(huán)路濾波器，以滿足課題設(shè)計(jì)要求。本課題所設(shè)計(jì)的是輸出頻率為 500—1000MHz 頻率可控的鎖相式頻率合成器。 第四章 頻率合成器設(shè)計(jì)方案 鎖相頻率合成的基本方法是：鎖相環(huán)路對(duì)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。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。其物理意義為：鎖相環(huán)路對(duì)壓控振蕩器相當(dāng)于負(fù)反饋電路，由于環(huán)路低通濾波器的作用，頻率越高，負(fù)反饋的作用越小，即旁頻離載頻越遠(yuǎn)，環(huán)路對(duì)它的抑制能力越弱。設(shè)壓控振蕩器相位噪聲等效為理想的無噪聲壓西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 33 控振蕩器與 一個(gè)隨機(jī)相位噪聲為 ()nVt? 的噪聲源相加的結(jié)果，環(huán)路的相位模型如圖（ 3— 7）所示。因?yàn)榄h(huán)路的輸入?yún)⒖夹盘?hào)是由晶體振蕩器提供的信噪比較高的信號(hào)，所以對(duì)環(huán)路等效噪聲帶寬的要求不占主要地位。調(diào)制頻率低的相位噪聲可較順利地通過，調(diào)制頻率高的相位噪聲將被衰減，即對(duì)隨機(jī)相位噪聲環(huán)路只讓輸入信號(hào)載頻附近的旁頻噪聲成分通過，而濾除遠(yuǎn)離載頻的噪聲成分，其濾波性能取決于環(huán)路等效噪聲帶寬 BL。從濾除輸入相位噪聲的角度考慮， BL 越小環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。根據(jù)式（ 3— 23）的定義，可導(dǎo)出它的物理意義。 圖 3— 6 存在輸入噪聲時(shí)的 環(huán)路線性化模型 設(shè)又輸入相位噪聲 ()nrt? 產(chǎn)生的環(huán)路輸出相位噪聲為 ()not? ，利用環(huán)路閉環(huán)頻率特性 ( 2 )H j f? 與輸入相位噪聲功能譜密度 ()nrSf?可求得輸出相位噪聲功率譜密度 ()noSf?為： 2( ) ( ) ( 2 )n o n rS f S f H j f?? ?? 3— 19 方差為 ??tr? ??t0? ??te? Kd ??tVd ??tVc ??t0? ??pF PK0 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 32 220( ) ( 2 )no nrS f H j f d f?????? ? ()nr LS f B?? 3— 20 若輸入相位噪聲為白噪聲，那么 ()nrSf?對(duì)所有的頻率均為常數(shù)，即： ()nrS f n? ??常數(shù) 3— 21 則環(huán)路輸出相位噪聲方差為 220 ( 2 )no n H j f df????? ? 3— 22 式中： 20 ( 2 )LB H j f d f???? （ Hz） 3— 23 稱為環(huán)路等效單邊噪聲帶寬。只要輸入噪聲不強(qiáng)，有噪聲引起的環(huán)路輸出相位噪聲也較小，這樣可以用線性模型進(jìn)行分析。因?yàn)樵肼暿请S機(jī)的，在壓控振蕩器的輸出中亦引起隨機(jī)相位噪聲。當(dāng)環(huán)路鎖定以后，在輸入噪聲作用下，鑒相器 就會(huì)有噪聲電壓輸出。在此，主要討論環(huán)路對(duì)鑒相器輸入加性噪聲和壓控振蕩器加行噪聲的抑制特性。環(huán)路在不同應(yīng)用場(chǎng)合 ，各種噪聲和干擾的強(qiáng)度及其所造成的后果不同。噪聲太大甚至?xí)弓h(huán)路跳周或失鎖，以至環(huán)路不能正常工作。但由于他更直觀，因此在解決系統(tǒng)的校正問題時(shí)，尼柯爾圖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。通常就是根據(jù)波特圖來繪制尼柯爾圖的，只要將波特圖上確定的增益余量與相位余量的特殊點(diǎn)在尼柯爾圖上標(biāo)出，那么尼柯爾圖就可以 用于確定系統(tǒng)穩(wěn)定與否及穩(wěn)定程西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 30 度。 波特準(zhǔn)則是工程上更為常見的一種方法，因?yàn)樗阌谟脤?shí)驗(yàn)的方法，或根據(jù)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的頻率特性來求得系統(tǒng)的頻率特性。因此，奈奎斯特準(zhǔn)則得到廣泛應(yīng)用。 （ 3） 勞斯 — 霍爾維茨準(zhǔn)則 這種方法不必求出根值，而直接利用特征方程的系數(shù)，確定其是否含有正實(shí)部根的數(shù)目。根據(jù)軌跡是在左半平面還是在右半平面，判斷其是否穩(wěn)定。 （ 1） 古典直接求解 這在一般情況下很復(fù)雜，只有當(dāng)特征方程已知且比較簡(jiǎn)單時(shí)采用。 對(duì)于一個(gè)線性化單位反饋的鎖相環(huán)路，環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示， 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 即 21() ()() ( ) ( )s K F sHs s s K F s???? ? 因此，根據(jù)線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，并不一定要解出特征方程 ( ) 0s KF s??的根，而只要判斷方程的根是否具有實(shí)部；或者，可檢查閉環(huán)傳遞函數(shù) ()Hs的全部極點(diǎn)是否處于 s 平面的左半平面內(nèi)。因此，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性與環(huán)路參數(shù)之間的關(guān)系是分析 PLL 性能的任務(wù)之一。 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的參數(shù)和結(jié)構(gòu)決定，而與輸入信號(hào)及外來干擾的強(qiáng)弱無關(guān)。前者又叫大穩(wěn)定性問題，研究與捕捉帶有關(guān)的問題；后者又叫小穩(wěn)定性問題，研究同步狀態(tài)下的問題，既線性化系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。 由于系統(tǒng)的非線性，其穩(wěn)定性與外界干擾的強(qiáng)弱有關(guān)。分析環(huán)路的穩(wěn)定性就是要力求避免這些不穩(wěn)定因素，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可用。而實(shí)際工作中，鎖相環(huán)路作為一種反饋控制系統(tǒng)，不可 避免地存在不穩(wěn)定的潛在因素。 環(huán)路誤差頻率特性具有高通性質(zhì)，可以理解為：當(dāng)環(huán)路輸入相位的變化頻率西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 28 （調(diào)制頻率） ? 很低時(shí)，由于輸出相位能夠良好地跟蹤輸入相位的變化，因而環(huán)路的誤差相位很??；而當(dāng)調(diào)制頻 率很高時(shí)，環(huán)路跟蹤能力減弱， ()et? 加大，輸出相位不能跟蹤輸入相位變化，結(jié)果輸入相位 ()rt? 完全轉(zhuǎn)變?yōu)檎`差相位，( ) 1Ej? ? ，環(huán)路誤差相位中有輸入相位的高頻成分而濾除了低頻成分，即環(huán)路相對(duì)于誤差相位信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器。 閉環(huán)頻率特性具有低通特性，可以理解為；當(dāng)環(huán)路輸入信號(hào)的相位 ()rt? 作正弦變化時(shí)，只要調(diào)制頻率 ? 低于環(huán)路帶寬 c? ，環(huán)路可以良好地傳遞相位，環(huán)路的輸出信號(hào)相位 0()t? 能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的變化；而當(dāng)輸入調(diào)制頻率 ? 高于環(huán)路帶 寬 c? ，環(huán)路就不能很好地傳遞相位，輸出信號(hào)相位將不能跟隨輸入信號(hào)相位的變化，因此環(huán)路相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器。由圖可見，誤差頻率特性具有高通特性，特性曲線與 ? 值的大小有關(guān)。 誤差頻率響應(yīng) 在研究環(huán)路跟蹤性能時(shí)，用誤差頻率響應(yīng)可以比較好的說明。 環(huán)路中的三分貝帶寬，也即此低通濾波器的截止頻率可據(jù)式（ 3— 12）求得。在 2X? 的范圍內(nèi)，幅頻響應(yīng)急劇下降。且阻尼系數(shù) ? 越小，其峰值越高。 閉環(huán)頻 率響應(yīng) 用 sj??代入理想二階環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù) ()Hs= 2222 2 nnnnsss?? ??? ???? 3— 9 就可得到它的閉環(huán)頻率響應(yīng) ??tVd R R C ??tVc R1 C R2 ??tVc ??tVd R1 R2 C ??tVc + RC 積分濾波器 無 源比例積分濾波器 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 2222() 2nnnnjHj j?? ?? ?????? ? ? ? ? 3— 10 引入?yún)⒘? nX??? 則 212() 12jXHj X j X? ???? ?? 3— 11 其模為