1、射頻射頻/ /微波電路導(dǎo)論微波電路導(dǎo)論 2西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.1 頻率合成器的基本原理10.2 鎖相環(huán)頻率合成器PLL10.3 直接數(shù)字頻率合成器DDS10.4 PLLDDS頻率合成器3西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.1.1 10.1.1 頻率合成器的主要指標(biāo)頻率合成器的主要指標(biāo)除了振蕩器的基本指標(biāo)外，頻率合成器還有其他一些指除了振蕩器的基本指標(biāo)外，頻率合成器還有其他一些指標(biāo)。經(jīng)常需要考查的指標(biāo)有頻率、功率、相位、噪聲等。標(biāo)。經(jīng)常需要考查的指標(biāo)有頻率、功率、相位、噪聲等。1.1.頻率有關(guān)指標(biāo)頻率有關(guān)指標(biāo)頻率穩(wěn)定度頻

2、率穩(wěn)定度: :與振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，包括時(shí)間頻率穩(wěn)與振蕩器的頻率穩(wěn)定度相同，包括時(shí)間頻率穩(wěn)定度和溫度頻率穩(wěn)定度。定度和溫度頻率穩(wěn)定度。頻率范圍頻率范圍: : 工作頻率范圍由整機(jī)工作頻率確定，輸出頻率工作頻率范圍由整機(jī)工作頻率確定，輸出頻率與控制碼一一對(duì)應(yīng)。與控制碼一一對(duì)應(yīng)。頻率間隔頻率間隔: : 輸出信號(hào)的頻率步進(jìn)長(zhǎng)度可等步進(jìn)或不等步進(jìn)。輸出信號(hào)的頻率步進(jìn)長(zhǎng)度可等步進(jìn)或不等步進(jìn)。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間: : 頻率變換的時(shí)間，通常關(guān)心最高和最低頻頻率變換的時(shí)間，通常關(guān)心最高和最低頻率的變換時(shí)間，即最長(zhǎng)時(shí)間。率的變換時(shí)間，即最長(zhǎng)時(shí)間。4西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)

3、室室2.2.功率有關(guān)指標(biāo)功率有關(guān)指標(biāo) 輸出功率輸出功率: : 振蕩器的輸出功率，通常用振蕩器的輸出功率，通常用dBmdBm表示。表示。 功率波動(dòng)功率波動(dòng): : 頻率范圍內(nèi)，各個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率最大偏差。頻率范圍內(nèi)，各個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率最大偏差。3.3.相位噪聲相位噪聲相位噪聲是頻率合成器的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，與頻率合成器相位噪聲是頻率合成器的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，與頻率合成器內(nèi)的每個(gè)元件都有關(guān)。降低相位噪聲是頻率合成器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。內(nèi)的每個(gè)元件都有關(guān)。降低相位噪聲是頻率合成器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。下面將詳細(xì)討論。下面將詳細(xì)討論。4.4.其他其他 控制碼對(duì)應(yīng)關(guān)系控制碼對(duì)應(yīng)關(guān)系: : 指定控制碼與輸出頻率的

4、對(duì)應(yīng)關(guān)系。指定控制碼與輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 電源電源: 通常需要有兩組以上電源。通常需要有兩組以上電源。 5西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.1.2 10.1.2 頻率合成器的基本原理頻率合成器的基本原理1. 1. 直接頻率合成器直接頻率合成器直接頻率合成器是早期的頻率合成器?；鶞?zhǔn)信號(hào)通過(guò)脈沖直接頻率合成器是早期的頻率合成器?；鶞?zhǔn)信號(hào)通過(guò)脈沖形成電路產(chǎn)生諧波豐富的窄脈沖，經(jīng)過(guò)混頻、分頻、倍頻、形成電路產(chǎn)生諧波豐富的窄脈沖，經(jīng)過(guò)混頻、分頻、倍頻、 濾波等進(jìn)行頻率的變換和組合濾波等進(jìn)行頻率的變換和組合，產(chǎn)生大量離散頻率產(chǎn)生大量離散頻率，最后取最后取出所需頻率。出所需

5、頻率。 6西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室例如，為了從例如，為了從10 MHz10 MHz的晶體振蕩器獲得為的晶體振蕩器獲得為1.6 kHz1.6 kHz的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，先將信號(hào)，先將10 MHz10 MHz信號(hào)經(jīng)信號(hào)經(jīng)5 5次分頻后得到次分頻后得到2 MHz2 MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后經(jīng)然后經(jīng)2 2次倍頻、次倍頻、5 5次分頻得到次分頻得到800kHz800kHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)5 5次分次分頻和頻和100100次分頻就可得到次分頻就可得到1.6 kHz1.6 kHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。同理，如果想標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。同理，如果想獲得標(biāo)準(zhǔn)的獲得標(biāo)準(zhǔn)的59.5

6、MHz59.5 MHz信號(hào)，除經(jīng)倍頻外，還將經(jīng)兩次混頻、信號(hào)，除經(jīng)倍頻外，還將經(jīng)兩次混頻、濾波。濾波。直接頻率合成方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，并能產(chǎn)生直接頻率合成方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，并能產(chǎn)生任意小數(shù)值的頻率步進(jìn)。但是它也存在缺點(diǎn)，用這種方法任意小數(shù)值的頻率步進(jìn)。但是它也存在缺點(diǎn)，用這種方法合成的頻率范圍將受到限制。更重要的是由于采用了大量合成的頻率范圍將受到限制。更重要的是由于采用了大量的倍頻、混頻、分頻、濾波等電路，給頻率合成器帶來(lái)了的倍頻、混頻、分頻、濾波等電路，給頻率合成器帶來(lái)了龐大的體積和重量，而且輸出的諧波、噪聲和寄生頻率均龐大的體積和重量，而且輸出的諧波、噪聲和寄生頻率均難

7、以抑制。難以抑制。7西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室1) 基本原理基本原理鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理如圖鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理如圖10 - 1 所示。壓控振蕩所示。壓控振蕩器的輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的諧波在鑒相器里進(jìn)行相位比較，器的輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的諧波在鑒相器里進(jìn)行相位比較，當(dāng)振蕩頻率調(diào)整到接近于基準(zhǔn)信號(hào)的某次諧波頻率時(shí)，環(huán)路當(dāng)振蕩頻率調(diào)整到接近于基準(zhǔn)信號(hào)的某次諧波頻率時(shí)，環(huán)路就能自動(dòng)地把振蕩頻率鎖到這個(gè)諧波頻率上。這種頻率合成就能自動(dòng)地把振蕩頻率鎖到這個(gè)諧波頻率上。這種頻率合成器的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指標(biāo)可以做得較高。由于它是利器的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指標(biāo)可以

8、做得較高。由于它是利用基準(zhǔn)信號(hào)的諧波頻率作為參考頻率的，故要求壓控振蕩器用基準(zhǔn)信號(hào)的諧波頻率作為參考頻率的，故要求壓控振蕩器的精度必須在的精度必須在0.5fR以內(nèi)，如超出這個(gè)范圍，就會(huì)錯(cuò)誤地鎖以內(nèi)，如超出這個(gè)范圍，就會(huì)錯(cuò)誤地鎖定在鄰近的諧波上，因此，選擇頻道比較困難。另外，它對(duì)定在鄰近的諧波上，因此，選擇頻道比較困難。另外，它對(duì)調(diào)諧機(jī)構(gòu)性能要求也較高，倍頻次數(shù)越多，分辨率就越差，調(diào)諧機(jī)構(gòu)性能要求也較高，倍頻次數(shù)越多，分辨率就越差，因此，這種方法提供的頻道數(shù)是有限的。因此，這種方法提供的頻道數(shù)是有限的。 8西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-1鎖相環(huán)頻率合成器L

9、FV COf0fRPD9西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室2) 2) 數(shù)字式頻率合成器數(shù)字式頻率合成器數(shù)字式頻率合成器是鎖相環(huán)頻率合成器的一種改進(jìn)形式，數(shù)字式頻率合成器是鎖相環(huán)頻率合成器的一種改進(jìn)形式，即在鎖相環(huán)路中插入一個(gè)可變分頻器，如圖即在鎖相環(huán)路中插入一個(gè)可變分頻器，如圖10-210-2所示。這種所示。這種頻率合成器采用了數(shù)字控制的部件，壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率合成器采用了數(shù)字控制的部件，壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行N N次分頻后再與基準(zhǔn)信號(hào)相位進(jìn)行比較，壓控振蕩器的輸次分頻后再與基準(zhǔn)信號(hào)相位進(jìn)行比較，壓控振蕩器的輸出頻率由分頻比出頻率由分頻比N N決定。當(dāng)環(huán)路

10、鎖定時(shí)，壓控振蕩器的輸出頻決定。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，壓控振蕩器的輸出頻率與基準(zhǔn)頻率的關(guān)系是率與基準(zhǔn)頻率的關(guān)系是f= =N NfR R。從這個(gè)關(guān)系式可以看出，數(shù)字。從這個(gè)關(guān)系式可以看出，數(shù)字式頻率合成器是一種數(shù)字控制的鎖相壓控振蕩器，其輸出頻式頻率合成器是一種數(shù)字控制的鎖相壓控振蕩器，其輸出頻率是基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍。通過(guò)控制邏輯來(lái)改變分頻比率是基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍。通過(guò)控制邏輯來(lái)改變分頻比N，壓壓控振蕩器的輸出頻率將被控制在不同的頻率上?？卣袷幤鞯妮敵鲱l率將被控制在不同的頻率上。 10西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-2 數(shù)字式頻率合成器2000鑒相器LPFAMP100A

11、MP可變分頻器N2 MHzfR1 kHzfRVCO VCO600 mVf0500 kHz400.01 kHz控制邏輯5000040001 kHz11西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室例如，基準(zhǔn)頻率例如，基準(zhǔn)頻率fR1 kHz，控制可變分頻比，控制可變分頻比N50 00040 001，則壓控振蕩器的輸出頻率將為，則壓控振蕩器的輸出頻率將為500.00400.01 kHz(頻率間隔為頻率間隔為10Hz)。因此，數(shù)字式頻率合成器。因此，數(shù)字式頻率合成器可以通過(guò)可變分頻器的分頻比可以通過(guò)可變分頻器的分頻比N的設(shè)計(jì)，提供頻率間隔小的設(shè)計(jì)，提供頻率間隔小的大量離散頻率。這種頻率合

12、成法的主要優(yōu)點(diǎn)是鎖相環(huán)路的大量離散頻率。這種頻率合成法的主要優(yōu)點(diǎn)是鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，具有良好的窄帶跟蹤濾波特相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，具有良好的窄帶跟蹤濾波特殊性和抑制輸入信號(hào)的寄生干擾能力，節(jié)省了大量濾波器，殊性和抑制輸入信號(hào)的寄生干擾能力，節(jié)省了大量濾波器，有利于集成化、小型化。另外，它有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有利于集成化、小型化。另外，它有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而使數(shù)字式頻率合成器有高質(zhì)量的信號(hào)輸出。因此，數(shù)從而使數(shù)字式頻率合成器有高質(zhì)量的信號(hào)輸出。因此，數(shù)字鎖相合成法已獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。字鎖相合成法已獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 12西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)

13、智能天線實(shí)驗(yàn)室室3. 3. 直接數(shù)字頻率合成器（直接數(shù)字頻率合成器（DDSDDS）直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是從相位概念出發(fā)，直接合成所需要波形直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是從相位概念出發(fā)，直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術(shù)。的一種新的頻率合成技術(shù)。近年來(lái)技術(shù)和器件水平的不斷發(fā)展，使近年來(lái)技術(shù)和器件水平的不斷發(fā)展，使DDSDDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分展，它在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的頻率合辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)，是

14、目前運(yùn)用最廣泛的頻率合成方法。成技術(shù)，是目前運(yùn)用最廣泛的頻率合成方法。DDSDDS以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，輸出相位連續(xù)，可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)頻率分辨率高，輸出相位連續(xù)，可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)，可編程和全數(shù)字化，控制靈活方便等方面，并具有極高的制信號(hào)，可編程和全數(shù)字化，控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比。性價(jià)比。13西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智

15、能天線實(shí)驗(yàn)室室1) DDS的工作原理的工作原理實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成(DDS)的辦法是用一通用計(jì)算機(jī)或微的辦法是用一通用計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)求解一個(gè)數(shù)字遞推關(guān)系式，也可以在查詢表上存儲(chǔ)正型計(jì)算機(jī)求解一個(gè)數(shù)字遞推關(guān)系式，也可以在查詢表上存儲(chǔ)正弦波值?，F(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，已使弦波值?，F(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，已使DDS能夠工作在高達(dá)能夠工作在高達(dá)500 MHz的頻率上。這種頻率合成器的體積小，功耗低，幾乎的頻率上。這種頻率合成器的體積小，功耗低，幾乎可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、相位連續(xù)的頻率變換，具有非常高的頻率分可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、相位連續(xù)的頻率變換，具有非常高的頻率分辨率，可產(chǎn)生頻率和相位可控制

16、的正弦波。電路一般包括基準(zhǔn)辨率，可產(chǎn)生頻率和相位可控制的正弦波。電路一般包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。換器和低通濾波器。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖可用圖10 - 3來(lái)表示，來(lái)表示， 圖圖 (a)是圖（是圖（b）的簡(jiǎn)單形式。）的簡(jiǎn)單形式。 14西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-3 DDS基本結(jié)構(gòu)相位累加器波形存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器Kfsf0(a)鎖存電路LPFN位全加器地址計(jì)算單元(相位累加器)XY波形

17、存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)地址fCLK標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘相位增量(頻率數(shù)據(jù))fout(b)15西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室相位累加器由相位累加器由N位加法器與位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將控制字，加法器將控制字K與累加寄存器輸出的累與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率

18、控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加?？梢钥闯?，相位累加器在每一個(gè)時(shí)制字進(jìn)行線性相位累加?？梢钥闯?，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)鐘輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的輸出頻率就是就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的輸出頻率就是DDS輸出輸出的信號(hào)頻率，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（的信號(hào)頻率，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址。的相位取樣地址。16西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（

19、二進(jìn)制編碼）經(jīng)可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到查表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/AD/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，D/AD/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求轉(zhuǎn)換器將數(shù)字形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。低通濾波器用于濾除不需要的合成頻率的模擬量形式信號(hào)。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。改變?nèi)臃至?，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。改變DDSDDS輸出頻輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位

20、函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。17西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為三步：這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為三步： （1 1） 頻率累加器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控頻率累加器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)或相位步進(jìn)量。制數(shù)據(jù)或相位步進(jìn)量。 （2 2） 相位累加器由相位累加器由N N位全加器和位全加器和N N位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成，位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成，對(duì)代表頻率的二進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生累加結(jié)果對(duì)代表頻率的二進(jìn)制

21、碼進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生累加結(jié)果Y Y。 （3 3） 幅度幅度/ /相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波形存儲(chǔ)器，以相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波形存儲(chǔ)器，以供查表使用。讀出的數(shù)據(jù)送入供查表使用。讀出的數(shù)據(jù)送入D/AD/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。 18西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室2) DDS的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)(1) 輸出頻率相對(duì)帶寬較寬。輸出頻率相對(duì)帶寬較寬。(2) 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短。DDS是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)，因此頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)，因此頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。極短。(3) 頻率分辨率極高。大多數(shù)頻率分辨率極高。大多數(shù)DDS分

22、辨率在分辨率在1Hz數(shù)量級(jí)，有許多小于數(shù)量級(jí)，有許多小于1mHz甚至更小。甚至更小。(4) 相位變化連續(xù)。改變相位變化連續(xù)。改變DDS輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。持了信號(hào)相位的連續(xù)性。(5) (5) 輸出波形的靈活性。只要在輸出波形的靈活性。只要在DDSDDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制，即可方便靈活地實(shí)現(xiàn)內(nèi)部加上相應(yīng)控制，即可方便靈活地實(shí)現(xiàn)FSKFSK、PSKPSK、ASKAS

23、K和和MSKMSK等信號(hào)。另外，只要在等信號(hào)。另外，只要在DDSDDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，如三角波波形。實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，如三角波波形。(6) (6) 其他優(yōu)點(diǎn)其他優(yōu)點(diǎn): : 由于由于DDSDDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低，體中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低，體積小，積小，重量輕重量輕， 可靠性高可靠性高，且易于程控且易于程控，使用相當(dāng)靈活使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。因此性價(jià)比極高。 19西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室3) DDS3) DDS的局限性的局限性(

24、1)(1)最高輸出頻率受限。由于最高輸出頻率受限。由于DDSDDS內(nèi)部?jī)?nèi)部DACDAC和波形存儲(chǔ)器（和波形存儲(chǔ)器（ROMROM）的工作速度限制，使得的工作速度限制，使得DDSDDS輸出的最高頻率有限。輸出的最高頻率有限。(2)(2)輸出雜散大。由于輸出雜散大。由于DDSDDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散。其來(lái)源主要有三個(gè)：了雜散。其來(lái)源主要有三個(gè)： 相位累加器相位舍位誤差造成相位累加器相位舍位誤差造成的雜散、幅度量化誤差（由存儲(chǔ)器有限字長(zhǎng)引起）造成的雜散的雜散、幅度量化誤差（由存儲(chǔ)器有限字長(zhǎng)引起）造成的雜散和和DACDAC非理想特性造成的雜散。非理想特性造

25、成的雜散。20西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室4. PLL4. PLLDDSDDS頻率合成器頻率合成器DDSDDS的輸出頻率低，雜散輸出豐富，這些因素限制了的輸出頻率低，雜散輸出豐富，這些因素限制了它們的使用。間接它們的使用。間接PLLPLL頻率合成雖然體積小，成本低，頻率合成雖然體積小，成本低，各項(xiàng)指標(biāo)之間的矛盾也限制了其使用范圍?？勺儏⒖荚锤黜?xiàng)指標(biāo)之間的矛盾也限制了其使用范圍?？勺儏⒖荚打?qū)動(dòng)的鎖相頻率合成器對(duì)于解決這一矛盾是一種較好的驅(qū)動(dòng)的鎖相頻率合成器對(duì)于解決這一矛盾是一種較好的方案。而可變參考源的特性對(duì)這一方案是至關(guān)重要的。方案。而可變參考源的特性對(duì)這一方案

26、是至關(guān)重要的。作為一個(gè)頻率合成器的參考源，首先應(yīng)具有良好的頻譜作為一個(gè)頻率合成器的參考源，首先應(yīng)具有良好的頻譜特性，即具有較低的相位噪聲和較小的雜散輸出。雖然特性，即具有較低的相位噪聲和較小的雜散輸出。雖然DDSDDS的輸出頻率低，雜散輸出豐富，但是它具有頻率轉(zhuǎn)的輸出頻率低，雜散輸出豐富，但是它具有頻率轉(zhuǎn)換速度快，頻率分辨率高，相位噪聲低等優(yōu)良性能，通換速度快，頻率分辨率高，相位噪聲低等優(yōu)良性能，通過(guò)采取一些措施可以減少雜散輸出。用過(guò)采取一些措施可以減少雜散輸出。用DDSDDS作為作為PLLPLL的可的可變參考源是理想方案。變參考源是理想方案。 21西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)

27、智能天線實(shí)驗(yàn)室室由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得PLLPLL鎖相環(huán)頻率合成器鎖相環(huán)頻率合成器有了很高的集成化程度。圖有了很高的集成化程度。圖10-210-2所示的數(shù)字式間接頻率合成所示的數(shù)字式間接頻率合成器可以簡(jiǎn)化為圖器可以簡(jiǎn)化為圖1414所示電路。頻率合成器的組成元器件有標(biāo)所示電路。頻率合成器的組成元器件有標(biāo)準(zhǔn)晶振頻率源、頻率合成器芯片、濾波器、壓控振蕩器、單準(zhǔn)晶振頻率源、頻率合成器芯片、濾波器、壓控振蕩器、單片機(jī)等。片機(jī)等。 22西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-4 現(xiàn)代PLL的基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)晶振PLLICLPFVCO23西安

28、電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.2.1 PLL10.2.1 PLL各個(gè)部件的選購(gòu)和設(shè)計(jì)各個(gè)部件的選購(gòu)和設(shè)計(jì)圖圖10 - 410 - 4中，可以購(gòu)買(mǎi)的專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品有晶體振蕩器、中，可以購(gòu)買(mǎi)的專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品有晶體振蕩器、PLLPLL集成電路、單片機(jī)和集成電路、單片機(jī)和VCOVCO壓控振蕩器，需要設(shè)計(jì)的部分是低通濾壓控振蕩器，需要設(shè)計(jì)的部分是低通濾波器波器LPFLPF和單片機(jī)的程序。和單片機(jī)的程序。1. 1. 晶體振蕩器晶體振蕩器 目前，使用最多的標(biāo)準(zhǔn)頻率源是晶體振蕩器。專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)目前，使用最多的標(biāo)準(zhǔn)頻率源是晶體振蕩器。專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品指標(biāo)越來(lái)越高，體

29、積越來(lái)越小。常用的有恒溫晶振品指標(biāo)越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。常用的有恒溫晶振OCXOOCXO、溫補(bǔ)晶、溫補(bǔ)晶振振TCXOTCXO、數(shù)字溫補(bǔ)、數(shù)字溫補(bǔ)DCXODCXO。常用標(biāo)準(zhǔn)頻率有。常用標(biāo)準(zhǔn)頻率有10 MHz10 MHz、20 MHz20 MHz、40 MHz40 MHz等。頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到等。頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到1 11010-6-6，各種標(biāo)準(zhǔn)封裝都有。，各種標(biāo)準(zhǔn)封裝都有。24西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室2. PLL2. PLL集成電路集成電路PLLPLL集成電路以國(guó)外公司生產(chǎn)為主，性能穩(wěn)定可靠，集成電路以國(guó)外公司生產(chǎn)為主，性能穩(wěn)定可靠，工作頻率涵蓋工作頻率涵蓋

30、VCOVCO頻率。芯片內(nèi)包括參考標(biāo)準(zhǔn)頻率源的頻率。芯片內(nèi)包括參考標(biāo)準(zhǔn)頻率源的分頻器、分頻器、VCOVCO輸出信號(hào)頻率的分頻器、鑒相器、輸出電輸出信號(hào)頻率的分頻器、鑒相器、輸出電荷泵等。兩個(gè)分頻器可以將標(biāo)準(zhǔn)頻率和輸出頻率進(jìn)行任荷泵等。兩個(gè)分頻器可以將標(biāo)準(zhǔn)頻率和輸出頻率進(jìn)行任意分頻，滿足頻率合成器的頻率分辨率要求，不同信號(hào)意分頻，滿足頻率合成器的頻率分辨率要求，不同信號(hào)經(jīng)不同分頻后，得到兩路同頻率信號(hào)，再進(jìn)行比相，相經(jīng)不同分頻后，得到兩路同頻率信號(hào)，再進(jìn)行比相，相位差送入電荷泵，電荷泵的輸出電流與相位差成比例。位差送入電荷泵，電荷泵的輸出電流與相位差成比例。進(jìn)一步，輸出給進(jìn)一步，輸出給LPFLPF

31、，控制，控制VCOVCO。25西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室3. 3. 單片機(jī)單片機(jī)單片機(jī)用來(lái)調(diào)整頻率合成器的輸出頻率，也就是控制單片機(jī)用來(lái)調(diào)整頻率合成器的輸出頻率，也就是控制PLLPLL芯片的芯片的邏輯關(guān)系。控制碼對(duì)應(yīng)關(guān)系可以是依據(jù)整機(jī)給定的控制碼，也可以邏輯關(guān)系?？刂拼a對(duì)應(yīng)關(guān)系可以是依據(jù)整機(jī)給定的控制碼，也可以是芯片內(nèi)部軟件給出的控制碼。總之，計(jì)算機(jī)提供一個(gè)變換輸出頻是芯片內(nèi)部軟件給出的控制碼。總之，計(jì)算機(jī)提供一個(gè)變換輸出頻率的指令。率的指令。4. 4. 壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)(VCO)壓控振蕩器輸出所需要的射頻壓控振蕩器輸出所需要的射頻/ /微波信號(hào)

32、。微波信號(hào)。VCOVCO的基本原理在第的基本原理在第9 9章有介紹，它就是一個(gè)變?nèi)莨苷{(diào)諧振蕩器。為了實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)諧，章有介紹，它就是一個(gè)變?nèi)莨苷{(diào)諧振蕩器。為了實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)諧，通常要求較高的電壓，供電電源為通常要求較高的電壓，供電電源為12 V12 V或更高。在頻率合成器中，或更高。在頻率合成器中，VCOVCO的壓控電壓來(lái)自低通濾波器，與的壓控電壓來(lái)自低通濾波器，與PLLPLL芯片的輸出電流有關(guān)。芯片的輸出電流有關(guān)。26西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室5. 5. 低通濾波器低通濾波器(LPF)(LPF)現(xiàn)代頻率合成器的設(shè)計(jì)中，硬件的主要工作就是低通濾現(xiàn)代頻率合成器的設(shè)

33、計(jì)中，硬件的主要工作就是低通濾波器，直接影響到頻率合成器的相位噪聲和換頻速度。因波器，直接影響到頻率合成器的相位噪聲和換頻速度。因?yàn)槠渌谶x購(gòu)時(shí)，特性指標(biāo)已經(jīng)確定，所能調(diào)整的就為其他元件在選購(gòu)時(shí)，特性指標(biāo)已經(jīng)確定，所能調(diào)整的就是低通濾波器。低通濾波器在頻率合成環(huán)路中又被稱為環(huán)是低通濾波器。低通濾波器在頻率合成環(huán)路中又被稱為環(huán)路濾波器。低通濾波器通過(guò)對(duì)電阻電容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)路濾波器。低通濾波器通過(guò)對(duì)電阻電容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，使高頻成分被濾除。由于鑒相器置，使高頻成分被濾除。由于鑒相器PDPD的輸出不但包含直的輸出不但包含直流控制信號(hào)，還有一些高頻諧波成分，這些諧波會(huì)影響流控制信號(hào)，還有一

34、些高頻諧波成分，這些諧波會(huì)影響VCOVCO電路的工作。低通濾波器就是要把這些高頻成分濾除，電路的工作。低通濾波器就是要把這些高頻成分濾除，以防止對(duì)以防止對(duì)VCOVCO電路造成干擾。這個(gè)低通濾波器是低頻濾波電路造成干擾。這個(gè)低通濾波器是低頻濾波器。濾波器的結(jié)構(gòu)可以是無(wú)源器。濾波器的結(jié)構(gòu)可以是無(wú)源RCRC濾波器，也可以是有源運(yùn)濾波器，也可以是有源運(yùn)放低通，其原理簡(jiǎn)單，調(diào)試較困難。放低通，其原理簡(jiǎn)單，調(diào)試較困難。27西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖圖10-510-5給出了三種低通濾波器結(jié)構(gòu)，圖（給出了三種低通濾波器結(jié)構(gòu)，圖（a a）為運(yùn)放）為運(yùn)放積分器，有一定的直流增益

35、，稱為二類積分器，有一定的直流增益，稱為二類PLLPLL；圖（；圖（b b）也）也有增益，為一類有增益，為一類PLL; PLL; 圖（圖（c c）是無(wú)源的，輸出電流而不）是無(wú)源的，輸出電流而不是電壓，屬二類是電壓，屬二類PLLPLL。盡管電路簡(jiǎn)單，但對(duì)環(huán)路的影響。盡管電路簡(jiǎn)單，但對(duì)環(huán)路的影響很大。設(shè)計(jì)或調(diào)試不當(dāng)，會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)或難于鎖相。很大。設(shè)計(jì)或調(diào)試不當(dāng)，會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)或難于鎖相。濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)為濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)為)()(csbssassF （10 - 1） 28西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-5 三種低通濾波器RsCRinUPDUtuneUPDRi

36、nRsRpCUtuneUtuneR1R2C(a)(b)(c)UPD濾波器的設(shè)計(jì)就是濾波器的設(shè)計(jì)就是R和和C的選定。后面將詳細(xì)討論如的選定。后面將詳細(xì)討論如何考慮選取何考慮選取R和和C的值，才能得到比較理想的的值，才能得到比較理想的PLL頻率合頻率合成器。成器。29西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.2.2 PLL10.2.2 PLL的鎖定過(guò)程的鎖定過(guò)程 舉個(gè)簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)例子說(shuō)明上述部件的配合過(guò)程。舉個(gè)簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)例子說(shuō)明上述部件的配合過(guò)程。 假定最初環(huán)沒(méi)有被鎖定，參考頻率是假定最初環(huán)沒(méi)有被鎖定，參考頻率是100 MHz100 MHz。把。把VCO VCO 的電壓調(diào)

37、到的電壓調(diào)到5 V5 V，輸出頻率為，輸出頻率為100 MHz100 MHz。鑒相器能產(chǎn)生。鑒相器能產(chǎn)生1 1 V V峰峰- -峰值的余弦波。峰值的余弦波。使用一類環(huán)路濾波器，如圖使用一類環(huán)路濾波器，如圖10 - 6 10 - 6 所示，它在低頻所示，它在低頻時(shí)增益為時(shí)增益為100100，在高頻時(shí)增益為，在高頻時(shí)增益為 0.10.1。 30西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-6 一類環(huán)路濾波器及其響應(yīng)特性60dB20(b)UPDRinRsRpCUtune(a)kHz31西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室環(huán)路沒(méi)有鎖定時(shí)，環(huán)路沒(méi)有鎖定時(shí)，

38、VCOVCO的工作頻率可能在工作范圍內(nèi)的工作頻率可能在工作范圍內(nèi)的任何位置。假定工作頻率為的任何位置。假定工作頻率為 101 MHz101 MHz， 在參考頻率在參考頻率工作的前提下，在鑒相器輸出端有工作的前提下，在鑒相器輸出端有1 MHz1 MHz的差頻，對(duì)環(huán)的差頻，對(duì)環(huán)路濾波器而言，這個(gè)頻率是高頻，濾波器的增益只有路濾波器而言，這個(gè)頻率是高頻，濾波器的增益只有0.10.1。在。在VCO VCO 的電壓上有鑒相器的輸出的電壓上有鑒相器的輸出0.1 V0.1 V的峰的峰- -峰值峰值的調(diào)制，但這個(gè)電壓對(duì)的調(diào)制，但這個(gè)電壓對(duì)VCOVCO頻率影響不大。頻率影響不大。32西安電子科技大西安電子科技大

39、學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室如果如果VCO VCO 頻率距離參考頻率越來(lái)越遠(yuǎn)，環(huán)內(nèi)就沒(méi)有足頻率距離參考頻率越來(lái)越遠(yuǎn)，環(huán)內(nèi)就沒(méi)有足夠的增益將環(huán)鎖定。如果夠的增益將環(huán)鎖定。如果VCOVCO頻率是頻率是100.1 MHz100.1 MHz，差頻就，差頻就是是100 kHz100 kHz，使環(huán)路濾波器處在高增益頻率范圍是恰當(dāng)，使環(huán)路濾波器處在高增益頻率范圍是恰當(dāng)?shù)?。調(diào)節(jié)的。調(diào)節(jié)VCOVCO頻率可增大差頻電壓。隨著頻率可增大差頻電壓。隨著VCOVCO的頻率接近的頻率接近參考頻率，差頻變得更低，它進(jìn)入了環(huán)濾波器的高增益參考頻率，差頻變得更低，它進(jìn)入了環(huán)濾波器的高增益范圍，加速了范圍，加速了VCOVCO

40、頻率的改變，直到它和參考頻率相同。頻率的改變，直到它和參考頻率相同。此時(shí)，差頻是此時(shí)，差頻是0 0。鎖定后，鎖相環(huán)成為一個(gè)穩(wěn)定的閉合。鎖定后，鎖相環(huán)成為一個(gè)穩(wěn)定的閉合環(huán)路系統(tǒng)，環(huán)路系統(tǒng)，VCOVCO頻率與參考頻率相同。鑒相器輸出瞬時(shí)頻率與參考頻率相同。鑒相器輸出瞬時(shí)電壓與電壓與VCO VCO 輸出瞬時(shí)電壓如圖輸出瞬時(shí)電壓如圖10-710-7（a a）和（）和（b b）所示。）所示。33西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-7 鑒相器和VCO輸出電壓瞬時(shí)值(a)(b)34西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室鑒相器的輸出電壓與兩路輸入電壓的關(guān)

41、系為鑒相器的輸出電壓與兩路輸入電壓的關(guān)系為2Ue=kUaUb cos () （10 - 2） 當(dāng)鎖相環(huán)頻率鎖定時(shí)，當(dāng)鎖相環(huán)頻率鎖定時(shí)，VCO輸入電壓達(dá)到輸入電壓達(dá)到5 V。因?yàn)榄h(huán)濾。因?yàn)榄h(huán)濾波器的增益為波器的增益為100，故鑒相器輸出的電壓為，故鑒相器輸出的電壓為Ue=-50 mV， 鑒鑒相器最大電壓是相器最大電壓是1 V峰峰-峰值，由式（峰值，由式（10 - 1）得鑒相器的輸）得鑒相器的輸出相位為出相位為95.7，環(huán)路濾波器保持，環(huán)路濾波器保持VCO輸出為輸出為100 MHz，并維持鑒相器兩端信號(hào)有并維持鑒相器兩端信號(hào)有 95.7 的相位差。的相位差。35西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天

42、線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室振蕩器在一個(gè)周期的相位移為振蕩器在一個(gè)周期的相位移為360，在一個(gè)特定的，在一個(gè)特定的時(shí)間，時(shí)間， 如果頻率增大，會(huì)積累更多的相位移。如果如果頻率增大，會(huì)積累更多的相位移。如果VCO的頻率改變的更多，將快速地積累更多的相位移。的頻率改變的更多，將快速地積累更多的相位移。鑒相器輸出電壓上升，環(huán)路濾波器會(huì)增強(qiáng)這個(gè)改變量并鑒相器輸出電壓上升，環(huán)路濾波器會(huì)增強(qiáng)這個(gè)改變量并且降低且降低VCO的控制電壓，的控制電壓，VCO 輸出頻率會(huì)降到輸出頻率會(huì)降到100 MHz， VCO頻率偏低的情況與此類似。這個(gè)控制過(guò)程頻率偏低的情況與此類似。這個(gè)控制過(guò)程是能夠維持下去的。由于溫度、是能夠維

43、持下去的。由于溫度、 噪音、噪音、 地心引力等外地心引力等外部因素引起的部因素引起的VCO頻率微小改變，鎖相環(huán)也能夠穩(wěn)定地頻率微小改變，鎖相環(huán)也能夠穩(wěn)定地輸出。鑒相器輸出一個(gè)誤差電壓，環(huán)路濾波器將使它增輸出。鑒相器輸出一個(gè)誤差電壓，環(huán)路濾波器將使它增強(qiáng)，強(qiáng)，VCO頻率和相位將回到正確值。環(huán)的矯正作用就是頻率和相位將回到正確值。環(huán)的矯正作用就是保持頻率和相位為恒量。保持頻率和相位為恒量。 36西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.2.3 PLL10.2.3 PLL環(huán)的分類環(huán)的分類鎖相環(huán)是一個(gè)受負(fù)反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)增益鎖相環(huán)是一個(gè)受負(fù)反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)增益H

44、(sH(s) )為為 (10-3)(10-3)式中，式中，G(sG(s) ) 是開(kāi)環(huán)增益，是開(kāi)環(huán)增益，G(s)NG(s)N是環(huán)增益。開(kāi)環(huán)增益是環(huán)增益。開(kāi)環(huán)增益是鑒相器增益、環(huán)路濾波器增益和是鑒相器增益、環(huán)路濾波器增益和VCOVCO增益的產(chǎn)物，增益的產(chǎn)物，N N是是分頻比。分頻比。NsGsGsH)(1)()(37西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室式式(10-3)(10-3)的分母多項(xiàng)式的整數(shù)個(gè)數(shù)（或頻率極點(diǎn)數(shù)）決的分母多項(xiàng)式的整數(shù)個(gè)數(shù)（或頻率極點(diǎn)數(shù)）決定系統(tǒng)的種類，定系統(tǒng)的種類， 可以用直流增益無(wú)限大的運(yùn)放積分器來(lái)實(shí)可以用直流增益無(wú)限大的運(yùn)放積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，最大增益

45、為現(xiàn)。顯然，最大增益為1 1的無(wú)源濾波器難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。的無(wú)源濾波器難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。VCOVCO是一個(gè)純相位積分器，為分類提供一個(gè)極點(diǎn)，所以，是一個(gè)純相位積分器，為分類提供一個(gè)極點(diǎn)，所以，PLLPLL至少為一類。如果環(huán)路濾波器為有限直流增益，將不會(huì)至少為一類。如果環(huán)路濾波器為有限直流增益，將不會(huì)改變改變PLLPLL的類型。用無(wú)限增益積分器，就會(huì)得到二類的類型。用無(wú)限增益積分器，就會(huì)得到二類PLLPLL。鎖相環(huán)的階數(shù)是式鎖相環(huán)的階數(shù)是式(10 - 3)(10 - 3)的分母多項(xiàng)式冪次數(shù)。環(huán)路的分母多項(xiàng)式冪次數(shù)。環(huán)路濾波器的運(yùn)放至少有兩個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)在濾波器的運(yùn)放至少有兩個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)

46、在1 1100 kHz100 kHz之間，另一個(gè)在之間，另一個(gè)在10MHz 10MHz 以上。在壓控范圍內(nèi)，以上。在壓控范圍內(nèi)，VCOVCO有頻率滾有頻率滾降降，可在鑒相器輸出端加一個(gè)低通濾波器可在鑒相器輸出端加一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低不進(jìn)一步降低不必要的高頻信號(hào)。必要的高頻信號(hào)。 38西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室前述例子使用了一類環(huán)，惟一的純相位積分器是前述例子使用了一類環(huán)，惟一的純相位積分器是VCOVCO，因，因此只有一個(gè)極。環(huán)路濾波器增益為此只有一個(gè)極。環(huán)路濾波器增益為100100。如果。如果VCOVCO增益是增益是1 1 MHz/VMHz/V，參考頻率

47、改變到，參考頻率改變到103 MHz103 MHz，VCOVCO調(diào)諧電壓將是調(diào)諧電壓將是8 V8 V?？紤]考慮-100-100的增益，鑒相器電壓就是的增益，鑒相器電壓就是 。 當(dāng)參考頻率為當(dāng)參考頻率為100 MHz100 MHz時(shí)，相位差為時(shí)，相位差為99.799.7，比，比95.795.7更超更超前。前。VCOVCO與參考頻率的相位差是與參考頻率的相位差是95.795.7。如果參考頻率繼續(xù)。如果參考頻率繼續(xù)改變，改變，VCOVCO也會(huì)改變來(lái)匹配它，鑒相器輸出電壓也改變。這也會(huì)改變來(lái)匹配它，鑒相器輸出電壓也改變。這是一個(gè)重要的特性是一個(gè)重要的特性，有時(shí)需要有時(shí)需要，有時(shí)則不需要有時(shí)則不需要，實(shí)

48、際中要實(shí)際中要靈活掌握。靈活掌握。 mVUe80100839西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 如果環(huán)路濾波器的增益為如果環(huán)路濾波器的增益為10001000，要使，要使100 MHz100 MHz時(shí)鎖定，時(shí)鎖定，鑒相器的輸出電壓只能是鑒相器的輸出電壓只能是 -5 mV-5 mV，要使，要使103 MHz103 MHz時(shí)鎖定，時(shí)鎖定，鑒相器輸出電壓是鑒相器輸出電壓是-8 mV-8 mV，對(duì)應(yīng)的相位差分別為，對(duì)應(yīng)的相位差分別為90.5790.57和和90.9290.92。如果直流增益進(jìn)一步增大，伴隨頻率的相。如果直流增益進(jìn)一步增大，伴隨頻率的相位差變化將進(jìn)一步減小。如果增

49、益增加到極限直流反饋位差變化將進(jìn)一步減小。如果增益增加到極限直流反饋電阻，電阻，R Rp p將接近開(kāi)路，并且環(huán)路濾波器直流增益將是無(wú)將接近開(kāi)路，并且環(huán)路濾波器直流增益將是無(wú)窮大。圖窮大。圖10 - 510 - 5（b b）所示的環(huán)路濾波器變成圖）所示的環(huán)路濾波器變成圖10-510-5（a a），此時(shí)，環(huán)路濾波器是一個(gè)獨(dú)立的積分器。包含），此時(shí)，環(huán)路濾波器是一個(gè)獨(dú)立的積分器。包含環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)積分器總數(shù)是兩個(gè)環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)積分器總數(shù)是兩個(gè): :一個(gè)是一個(gè)是VCOVCO，另，另一個(gè)是環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器用在鎖相環(huán)內(nèi)產(chǎn)生二類一個(gè)是環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器用在鎖相環(huán)內(nèi)產(chǎn)生二類環(huán)。這個(gè)環(huán)的特性是

50、隨著頻率的變化在環(huán)。這個(gè)環(huán)的特性是隨著頻率的變化在VCOVCO與參考頻率與參考頻率間仍保持一個(gè)恒定的相位移。間仍保持一個(gè)恒定的相位移。40西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室目前，大量使用的是一類環(huán)和二類環(huán)。三類環(huán)和更高目前，大量使用的是一類環(huán)和二類環(huán)。三類環(huán)和更高的環(huán)用于解決特殊情況下的頻率改變問(wèn)題。如衛(wèi)星發(fā)射的環(huán)用于解決特殊情況下的頻率改變問(wèn)題。如衛(wèi)星發(fā)射的各個(gè)階段引起頻率變化的因素不同，要保證衛(wèi)星的微的各個(gè)階段引起頻率變化的因素不同，要保證衛(wèi)星的微波源頻率穩(wěn)定，就應(yīng)對(duì)各個(gè)階段的情況進(jìn)行控制，這時(shí)波源頻率穩(wěn)定，就應(yīng)對(duì)各個(gè)階段的情況進(jìn)行控制，這時(shí)需用到三類以上的鎖相環(huán)

51、。需用到三類以上的鎖相環(huán)。41西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.2.4 PLL10.2.4 PLL設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式 前面了解了鎖相環(huán)原理，環(huán)路濾波器和其他部分的前面了解了鎖相環(huán)原理，環(huán)路濾波器和其他部分的元件值必須仔細(xì)地選擇，才能組成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)路。這元件值必須仔細(xì)地選擇，才能組成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)路。這些元件值都可以用基本閉環(huán)等式來(lái)分析和綜合。些元件值都可以用基本閉環(huán)等式來(lái)分析和綜合。 如圖如圖10 - 810 - 8所示，鎖相環(huán)系統(tǒng)模型由鑒相器、環(huán)路所示，鎖相環(huán)系統(tǒng)模型由鑒相器、環(huán)路濾波器、濾波器、VCOVCO和分頻器組成。和分頻器組成。 每一部分可用一個(gè)恒定的增

52、益或者頻率函數(shù)的增益每一部分可用一個(gè)恒定的增益或者頻率函數(shù)的增益值來(lái)描述。閉合回路頻率響應(yīng)的預(yù)期特性是值來(lái)描述。閉合回路頻率響應(yīng)的預(yù)期特性是: : 最小頻率最小頻率為為 1 Hz1 Hz，最大頻率在，最大頻率在10 kHz10 kHz和和10 MHz10 MHz之間。之間。42西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-8 鎖相環(huán)回路頻域分析KPDF(s)UeUtuneKVCO/sNUinUout43西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)U Ue e和和U Uo o的電壓關(guān)系，可得出負(fù)反饋系統(tǒng)的電壓關(guān)系，可得出負(fù)反饋系統(tǒng)的

53、閉合回路增益的表達(dá)式。圖中，的閉合回路增益的表達(dá)式。圖中，K KPDPD為鑒相器增益，為鑒相器增益， F(sF(s) )是放大器環(huán)路濾波器表達(dá)式，是放大器環(huán)路濾波器表達(dá)式，K KVCOVCO/s/s是是VCOVCO增益，可增益，可得誤差電壓和輸出電壓為得誤差電壓和輸出電壓為sFsFKKNUUUKNUUUVCOPDPDinPDine)()()(000(10 - 4) (10 - 5) 44西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室所以所以，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為 如果如果G(s)很大時(shí)很大時(shí)，有有 這些閉環(huán)增益的表達(dá)式可用來(lái)決定環(huán)路濾波器的帶寬這些閉環(huán)增益的表達(dá)式可用來(lái)決

54、定環(huán)路濾波器的帶寬和阻尼比。首先假定使用二類環(huán)，因?yàn)轭l率最高，容易和阻尼比。首先假定使用二類環(huán)，因?yàn)轭l率最高，容易得出濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)為得出濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)為NsGsGNKsFKKsFKUUsHVCOPDVCOPDino/ )(1)(/ )(1)()(10 - 6) NsH)(1)(/)/()/1/()(sCRRRRsCRRRRsCRRsFspinpinspinsp(10 - 7) 45西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室開(kāi)環(huán)增益為開(kāi)環(huán)增益為 對(duì)于一類鎖相環(huán)，對(duì)于一類鎖相環(huán)， R Rp p，則，則 (10-9) sKKsFsGCOVPD)()(10-8)sCRsCRsFin

55、s1)(46西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室把式把式(10-8)(10-8)和式和式(10-9)(10-9)代入閉環(huán)鎖相環(huán)的增益公式代入閉環(huán)鎖相環(huán)的增益公式(10-6)(10-6)，得，得分母可改成控制理論中常見(jiàn)的形式分母可改成控制理論中常見(jiàn)的形式: s: s2 2+2+2n ns+s+2 2n n，其中其中n n是系統(tǒng)的特征頻率，是系統(tǒng)的特征頻率，是阻尼因數(shù)，是阻尼因數(shù)，)()(1)()()(2SPinpVCOPDspsPinVCOPDspspinpspVCOPDRRCNRRKKRRRRNRKKRRCssRRCRRsCRRKKsH47西安電子科技大西安電子科技大學(xué)

56、智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室sPninsVCOPDsPinPVCOPDnRRNRRKKCRRCNRRKK21)(當(dāng)Rp時(shí)，二類鎖相環(huán)的特征頻率和阻尼因子分別為 innsVCOPDinVCOPDnNRRKKCNRKK2 (10 - 13) (10 - 14) (10 - 12) (10 - 11) 48西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室阻尼因子阻尼因子和特征頻率和特征頻率n n確定以后，即可決定電路確定以后，即可決定電路元件。為了簡(jiǎn)單，定義元件。為了簡(jiǎn)單，定義濾波器在直流的響應(yīng)為濾波器在直流的響應(yīng)為重新整理，重新整理， 得出得出 NKKKVCOPDtinPdcRRF

57、(10 - 15) (10 - 16) nsdctnndctspRFKCCFKRR2212 (10 - 17) 49西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室調(diào)整式（10 - 17），得 )(22122PnndctnndctRCKtFdcFKCCFK (10-18) 有了阻尼比和特征頻率，選定C和直流增益的值后，就可以得出阻抗值 dcpinPndctsdcnnttPFRRRCFKRFNKtFdcKCKR22)12(1 (10-19) (10-20) (10-21) 50西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室 令令R Rp p，可以得出二類環(huán)的計(jì)算公式。，

58、可以得出二類環(huán)的計(jì)算公式。可以想象，可以想象， 阻尼因子阻尼因子和特征頻率和特征頻率n n有一個(gè)最佳配合。有一個(gè)最佳配合。先選定特征頻率，以阻尼因子為參變量，計(jì)算出不同的衰先選定特征頻率，以阻尼因子為參變量，計(jì)算出不同的衰減曲線，如圖減曲線，如圖10 - 9 10 - 9 所示?？梢钥闯?，特征頻率為所示?？梢钥闯?，特征頻率為1Hz1Hz，當(dāng)當(dāng)小于小于1 1時(shí)，鎖相環(huán)是欠阻尼且產(chǎn)生最高點(diǎn)，衰減慢時(shí)，鎖相環(huán)是欠阻尼且產(chǎn)生最高點(diǎn)，衰減慢; ; 當(dāng)當(dāng)大于大于1 1時(shí)，鎖相環(huán)是過(guò)阻尼，衰減快。如果要求時(shí)，鎖相環(huán)是過(guò)阻尼，衰減快。如果要求等等于于1.01.0，衰減為，衰減為-3dB-3dB，則特征頻率是，

59、則特征頻率是2.4 Hz2.4 Hz。如果要求。如果要求50kHz50kHz有有-3dB衰減衰減，且且等于等于1.0，則特征頻率為則特征頻率為20.833 kHz。 51西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室圖 10-9 以阻尼因子為參變量的PLL響應(yīng)曲線86420246810121618200.10.20.3 0.40.6 0.81.0234681012345620 dB/decade14/nB(s)0.3 0.5 0.707 1.02.0 5.012345652西安電子科技大西安電子科技大學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)學(xué)智能天線實(shí)驗(yàn)室室10.2.5 10.2.5 環(huán)路設(shè)計(jì)實(shí)例環(huán)路設(shè)計(jì)

60、實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例一：設(shè)計(jì)實(shí)例一：鎖相環(huán)輸出頻率為鎖相環(huán)輸出頻率為 1600 MHz1600 MHz，參考頻率為，參考頻率為100 MHz100 MHz。電路如圖電路如圖10 - 10 10 - 10 所示，構(gòu)成單元有分頻器、鑒相器和所示，構(gòu)成單元有分頻器、鑒相器和二類環(huán)路濾波器。二類環(huán)路濾波器。VCOVCO的調(diào)諧斜率為的調(diào)諧斜率為1 MHz/V1 MHz/V，鑒相器輸，鑒相器輸出余弦波，最高點(diǎn)是出余弦波，最高點(diǎn)是100 mV100 mV。濾波器的頻率為。濾波器的頻率為100 kHz100 kHz，3 dB3 dB帶寬時(shí)，阻尼因子是帶寬時(shí)，阻尼因子是1 1。(1) (1) 用用100 100 pFp