【正文】 信號,一部分作為輸出,另一部分通過分頻與參考晶體振蕩器所產(chǎn)生的本振信號作相位比較,為了保持頻率不變,就要求相位差不發(fā)生改變,如果有相位差的變化,則鑒相器輸出一個與相位誤差形成比例的誤差電壓經(jīng)低通濾波器，取出其中緩慢變化的直流電壓分量去控制VCO,直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖頻的目的。鎖相技術(shù)是實現(xiàn)相位自動控制的一門科學(xué)，是專門研究系統(tǒng)相位關(guān)系的新技術(shù)從30年代發(fā)展開始，至今己逐步滲透到各個領(lǐng)域，早期是為了解決接收機(jī)的同步接收問題，后來應(yīng)用在了電視機(jī)的掃描電路中，特別是空間技術(shù)的出現(xiàn)極大推動了鎖相技術(shù)的發(fā)展。與此同時相電路的結(jié)構(gòu)也從基本的兩階發(fā)展到了三階或更高階，從單環(huán)發(fā)展到了復(fù)合環(huán)，其中鑒頻鑒器輔之以電荷泵所構(gòu)成的鎖相環(huán)路因其具有易于集成、鎖定速度快、鎖定范圍寬等優(yōu)點，成為如今廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)。1932年，在己經(jīng)建立的同步控制理論基礎(chǔ)上，Bellescize提出了同步檢波理論，第一次公開發(fā)表了對鎖相環(huán)路(PLL)的數(shù)學(xué)描述。而一般的自動頻率控制技術(shù)中，由于有固有的頻率誤差而無法滿足上述要求。但當(dāng)時，這一理論并未得到普遍重視，自到1947年，鎖相技術(shù)才第一次得到實際的應(yīng)用在電視機(jī)的水平掃描線的同步裝置中。60年代，維特比研究了無噪聲PLL的非線性理論問題，發(fā)表了相干通信原理的論文，70年代，Lindsy和Charles在做了大量實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有噪聲的一階、二階及高階PLL的非線性理論分析，自到目前，各國學(xué)者仍在對鎖相理論和應(yīng)用進(jìn)行著廣泛而深入的研究。自到20世紀(jì)70年代，隨著集成電路的發(fā)展，開始出現(xiàn)集成的環(huán)路器件、通用和專用集成單片PLL，使鎖相環(huán)逐漸變成了一個低成本、使用簡便的多功能器件，使它在更廣泛的領(lǐng)域里獲得了應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了各種數(shù)字PLL，它們在數(shù)字通信中的載波同步、位同步、相干解調(diào)等方面起著重要的作用。而在國外，鎖相環(huán)技術(shù)則在不發(fā)展，從最初采用分離器件到采用集成電路，從采用雙極工藝到使用CMOS上藝，從需要掛電阻和電容到鎖相環(huán)完全集成在一塊芯片上，并且作為嵌入式IP核應(yīng)用在大的數(shù)字系統(tǒng)中隨著ASIC芯片電源電壓下降，使得電源電壓與核心薄氧化器件的閩值電壓相比裕量有限從而使模擬電路設(shè)計，尤其是低噪聲低電壓鎖相環(huán)的設(shè)計變得非常困難。 V電源電壓的CMOS工藝，,輸出噪聲(周期到周期)在幾十皮秒左右。實際上，由于鎖相環(huán)路是在相位上實現(xiàn)自動鎖定的控制系統(tǒng)，在鎖定下，它表現(xiàn)出兩個非常突出的特性，即載波跟蹤特性和調(diào)制跟蹤特性。鎖相環(huán)路在電子技術(shù)的各個領(lǐng)域中應(yīng)用的如此廣泛，說明它已經(jīng)成為電子設(shè)備中的常用基本部件。國外自六十年代末第一個鎖相集成產(chǎn)品問世以來，幾十年間發(fā)展極為迅速，產(chǎn)品種類繁多，工藝日新月異。國內(nèi)雖然起步較晚，但在鎖相合成電路的生產(chǎn)上，也取得了可喜的進(jìn)展。當(dāng)前集成鎖相環(huán)路已成為鎖相技術(shù)取得重要進(jìn)展的新標(biāo)志 鎖相環(huán)的優(yōu)良性能基本的鎖相環(huán)路具有如下三個突出的特性:第一是載波跟蹤特性，第二是調(diào)制跟蹤特性，第三是低門限特性。應(yīng)該指出，載波跟蹤特性包含著三重含義:一是窄帶，窄帶可以有效地濾除噪聲與干擾，而環(huán)路主要是利用環(huán)路濾波器的低通特性來實現(xiàn)高頻窄通帶的，這比之制作普通的窄帶濾波器要容易得多。二是跟蹤，跟蹤載波頻率的飄移變化，可保證窄帶的實現(xiàn)。三是可將弱載波頻率成份放大為強(qiáng)信號輸出。載波跟蹤特性在空間應(yīng)用、通信與微弱信號接收技術(shù)中有著重要與廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用這種特性，再與環(huán)路的低門限特性相結(jié)合，可制出低門限的調(diào)頻與調(diào)相器，以及其他形式的相干解調(diào)器。一般環(huán)路通頻帶總比環(huán)路輸入端的前置通頻帶窄得多，較高的環(huán)路信噪比可取得低門限性能。 正是由于上述三個突出的特性，使得鎖相技術(shù)在無線電領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路種類繁多，大致可分類如下，按輸入信號要求分:（1）恒定輸入環(huán)路 用于穩(wěn)頻，頻率合成等系統(tǒng)；（2）隨動輸入環(huán)路 用于跟蹤解調(diào)系統(tǒng)。直接數(shù)字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術(shù)是一種新的頻率合成方法，是頻率合成技術(shù)的一次革命，JOSEPH TIERNEY等3人于1971年提出了直接數(shù)字頻率合成的思想，但由于受當(dāng)時微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的限制，DDS技術(shù)沒有受到足夠重視，隨著電子工程領(lǐng)域的實際需要以及數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS技術(shù)日益顯露出它的優(yōu)越性 DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。 DDS有如下優(yōu)點：⑴頻率分辨率高，輸出頻點多，可達(dá)N個頻點(N為相位累加器位數(shù))；⑵頻率切換速度快，可達(dá)us量級；⑶頻率切換時相位連續(xù)；⑷可以輸出寬帶正交信號；⑸輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；⑹可以產(chǎn)生任意波形；⑺全數(shù)字化實現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。本章介紹了頻率合成計數(shù)的發(fā)展歷史，信號發(fā)生器的應(yīng)用和發(fā)展，及PLL和DDS技術(shù)的形成，發(fā)展，應(yīng)用和優(yōu)缺點。 第2章 電路的主要部件及原理圖 21圖（21）是鎖相環(huán)的基本方框圖【2】，它主要由電壓控制振蕩器（簡稱壓控振VCO）,鑒相器，低通濾波器和參考頻率源（晶體振蕩器）所組成。這個相位變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位（對應(yīng)于頻率）相比較，使鑒相器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓，經(jīng)過低通濾波器，取出其中緩慢變動的直流分量用來控制壓控振蕩器中的壓控組件數(shù)值（通常是改變變?nèi)荻O管的電容量）而這壓控組件又是VCO振蕩回路的組成部分，結(jié)果壓控組件電容量的變化將VCO的輸出頻率又拉回到穩(wěn)定值上。瞬時頻率與瞬時相位的關(guān)系是： （21） （22）式中，為初始相位。若，則由公式（1）得： 亦即 （24）由此可知，當(dāng)兩個振蕩信號的瞬時相位差為一個常數(shù)時，二者頻率定然相等。反之，若兩個振蕩信號的相位差是個恒定值，則它們的頻率必然相等。穩(wěn)態(tài)相位差經(jīng)過鑒相器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髡`差，通過低通濾波器去控制VCO，使與同步。這個變化的電壓使VCO的頻率不斷改變，直到為止。下面再通過矢量圖進(jìn)一步分析鎖相環(huán)的原理如圖22【7】圖22 鎖相環(huán)路的跟蹤原理圖鎖相環(huán)是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，利用相位誤差電壓信號實現(xiàn)無頻差的頻率跟蹤目的(如圖22所示)，是一個實現(xiàn)相位自動鎖定的控制系統(tǒng)。鑒相器將此恒定相位差變換成對應(yīng)的直流電壓，去控制VCO的振蕩角頻率，使其穩(wěn)定地振蕩在與輸入?yún)⒖夹盘栂嗤慕穷l率上。經(jīng)過不斷地循環(huán)反饋，矢量的旋轉(zhuǎn)角速度逐漸加快，直到與旋轉(zhuǎn)角度相同,重新實現(xiàn)，這時環(huán)路再次鎖定，瞬時相位差為恒值，鑒相器輸出恒定的誤差電壓。中的噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)路濾波器濾除 ，形成壓控振蕩器（）的控制電壓。維持鎖定的直流控制電壓由鑒相器提供，因此鑒相器的兩個輸入信號間留有一定的相位差。一般情況下，輸出電壓和兩個輸入信號相位差的關(guān)系為：=。鑒相器的輸出電壓與兩個輸入信號的相位誤差有著對應(yīng)關(guān)系，可以說一個理想的模擬相乘器可以看作是鑒相器，因為在它的兩個輸入4分別加上正弦輸入信號與壓控振蕩器的正弦輸出，則它的輸出電壓與它的兩個輸入信號相位差存在以下關(guān)系：=。 環(huán)路濾波器在通信設(shè)備中，頻率合成器無論是用作發(fā)射機(jī)的激勵信號源，或者接收機(jī)的本地振蕩信號源，還是單獨作為無線電測量設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器時，都應(yīng)保證很低的相位噪聲，否則通信質(zhì)量就無從談起。環(huán)路濾波器的作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由控制電壓的不純而引起的寄生輸出。環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)正常工作中不可忽視的部分，它的時間常數(shù)限制了系統(tǒng)跟蹤輸入信號頻率變化的速度，同時也限制了捕捉范圍。因而，在構(gòu)成鎖相環(huán)電路時，低通濾波器的取值既要考慮到響應(yīng)輸入信號的中心頻率，同時又要照顧到它的最高頻率和最低頻率。環(huán)路濾波器通常由RC元件和運(yùn)算放大器組成。環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為=/式中是輸入電壓的拉氏變換；是輸出電壓的拉氏變換常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種 壓控振蕩器用壓控振蕩器把控制電壓轉(zhuǎn)換為相位，起振頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓的大小控制，相位隨輸入信號相位變化而變化，并保持環(huán)路相位跟蹤。不論以何種振蕩電路和何種控制方式構(gòu)成的振蕩器，它的特性總可以用瞬時頻率與控制電壓之間的關(guān)系曲線來表示。此曲線以為中心，應(yīng)在較大的范圍內(nèi)與成線性關(guān)系。因此又稱為壓控振蕩器的控制靈敏度或增益系數(shù)。解此方程，可以確定環(huán)路的全部情況，包括瞬態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能。若已知輸入相位變化的形式，待求的就是相差函數(shù)。微分后的第二項是隨時間變化的函數(shù)。閉環(huán)后的任何時刻，瞬時頻差與控制頻差的代數(shù)和等于固有頻差，即：瞬時頻差+控制頻差=固有頻差對于頻率和相位不變的輸入信號，環(huán)路能夠鎖定，對于頻率和相位不斷變化的信號就有可能通過環(huán)路的作用，是壓控振蕩器的頻率和相位不斷受到調(diào)整，以跟蹤輸入頻率的變化，這稱為跟蹤狀態(tài)。從上面分析可知，描述環(huán)路特性的微分方程：d/dt+=d/dt是一個非線性微分方程，它的階數(shù)取決于所用環(huán)路濾波器。從方程也可知，非線性體現(xiàn)在鑒相器上。雖然方程d/dt+=d/dt求解很困難，但我們可以從一個簡單情況開始討論。環(huán)路的相位差=比較小。當(dāng)此條件得到滿足時，鎖相環(huán)路的非線性模型可以用圖(25)的線性模型來代替。這種假定的誤差允許范圍是：π/6〈θe〈π/6。將其進(jìn)行拉氏變換后，可得函數(shù)方程：+=其中和分別是和的拉氏變換。大多數(shù)鎖相環(huán)路都屬于單位反饋系統(tǒng)，大在某些應(yīng)用中，如數(shù)字式頻率合成器鎖相環(huán)其反饋支路增益不為1，即為非單位反饋系統(tǒng)。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC產(chǎn)生己經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。目前所見到的國外公司，如ADI公司、QuaLn、公司等生成的DDS芯片絕大多數(shù)都采用正弦信號輸出。Shannon抽樣定理告訴我們，當(dāng)抽樣頻率大于等于模擬信號最大頻率的2倍時，可以由抽樣得到的離散信號無失真地恢復(fù)原始信號。DDS不是對一個模擬信號進(jìn)行抽樣，而是一個假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生且抽樣的值己經(jīng)量化完成，如何通過某種映射把已經(jīng)量化的數(shù)值送到D/A及后級的LPF重建原始信號的問題。圖（27）中的系統(tǒng)時鐘即參考頻率源為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于DDS中各器件同步工作。在本次設(shè)計中運(yùn)用的既是這種思想。 第3章 電路設(shè)計本文采用數(shù)字合成技術(shù)產(chǎn)生40~400hz， 的正弦波，配合標(biāo)準(zhǔn)源的整體設(shè)計，用單片機(jī)設(shè)置輸出頻率，其原理如圖! 所示。其次是波形合成部分。正弦波合成的部分采用的是DDS技術(shù)的思想，只是提供一種實現(xiàn)的方法。鎖相倍頻器和分頻器的原理如下。圖中可來源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為；為輸出電壓，其振蕩頻率為；經(jīng)N分頻后與進(jìn)行相位比較。圖中可來源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為；為輸出電壓,其振蕩頻率為；經(jīng)1/N分頻后與進(jìn)行相位比較。圖 33 鎖相分頻電路（3）鎖相環(huán)頻率合成器 為了使輸入的電壓符合鑒相器和壓控振蕩器的要求通常需要把晶振產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行N分頻。前置分頻器和可變分頻器使用可編程定時器/計數(shù)器芯片8253和MCS51系列單片機(jī)中的8031實現(xiàn)。2）設(shè)這個脈沖為，經(jīng)過8253的一個計數(shù)器，此計數(shù)器經(jīng)過單片機(jī)設(shè)置簡單程序?qū)⑦M(jìn)行M分頻。4）鑒相器將輸出頻率分頻后的脈沖和參考頻率比較后輸出一個誤差電壓。6）控制電壓控制壓控振蕩器，調(diào)節(jié)它的輸出。下面對所用到的芯片做簡要的介紹:（1）集成鎖相環(huán)CD4046 CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V－18V），輸入阻抗高(約100MΩ)，動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。2腳相位比較器Ⅰ的輸出端。4腳壓控振蕩器輸出端。7腳外接振蕩電容。9腳壓控振蕩器的控制端。112腳外接振蕩電阻。14腳信號輸入端。圖 35 CD4046內(nèi)部電原理框圖圖 35 是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。當(dāng)、的相位差Δφ在0176。范圍內(nèi)變化時，的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。相移。對相位比較器Ⅰ，它要求、的占空比均為50％（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。相移。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時則輸出為負(fù)脈沖。從相位比較器Ⅱ輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個輸入脈沖上升沿之間的相位差。上述波形如圖5所示。圖 37CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。VCO振蕩頻率的范圍由RR2和C1決定。(VDD=15V），若VDD15V，則fmax要降低一些。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號與輸入信號作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓則反映出兩者(輸入信號和比較信號)位差。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器Ⅰ，繼續(xù)與進(jìn)行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖（