-.z中南民族大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：通信工程年級(jí)：2007題目:鎖相頻率合成器學(xué)生**：李儼**：07071178 指導(dǎo)教師**:尹建新職稱:副教授2011年5月31日-.z中南民族大學(xué)本科畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)〕原創(chuàng)性聲明本人*重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)展研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承當(dāng)。作者簽名：年月日注：本頁(yè)放在學(xué)位論文封面后，目錄前面目錄摘要3Abstract31引言32鎖相環(huán)概述42.1鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理42.1.1鎖相環(huán)的構(gòu)成42.2鎖相環(huán)的工作狀態(tài)52.2.1鎖定狀態(tài)52.2.2線性跟蹤狀態(tài)62.2.3失鎖狀態(tài)62.3鎖相環(huán)的應(yīng)用簡(jiǎn)介62.3.1頻率合成62.3.2載波提取62.3.3鎖相鑒頻62.3.4位同步提取72.3.5鎖相接收機(jī)72.4鎖相環(huán)的性能指標(biāo)72.5鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型7鑒相器的數(shù)學(xué)模型72.5.2環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型92.5.3壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型102.5.4環(huán)路的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)方程113吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)133.1吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理133.2吞脈沖鎖相頻率合成器的應(yīng)用設(shè)計(jì)153.2.1LF設(shè)計(jì)153.2.2VCO設(shè)計(jì)16總體設(shè)計(jì)164鎖相調(diào)頻的原理及鎖相調(diào)頻器的設(shè)計(jì)194.1鎖相調(diào)頻的原理194.2鎖相調(diào)頻器的設(shè)計(jì)206總結(jié)22致謝22參考文獻(xiàn)22鎖相頻率合成器摘要：鎖相頻率合成器又稱間接式頻合器，是第二代頻率合成技術(shù)。它利用一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)來完成頻率變換任務(wù)。鎖相頻率合成器是利用鎖相環(huán)的窄帶跟蹤特性，在石英晶體振蕩器提供的基準(zhǔn)頻率源的作用下，產(chǎn)生一系列離散頻率的儀器。鎖相頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是雜波抑制度高，調(diào)試方便；缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換速度比直接合成慢。本文在介紹鎖相環(huán)的性能參數(shù)的根底上重點(diǎn)介紹單環(huán)頻率合成器和鎖相調(diào)頻的原理，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率在29.5MHz～30.5MHz的鎖相頻率合成器和一個(gè)工作在29.965MHz～30.965MHz的鎖相調(diào)頻器。經(jīng)測(cè)試，該鎖相頻率合成器和鎖相調(diào)頻器可在要求的頻率*圍內(nèi)輸出正確的正弦波，頻率切換過程中沒有出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，可以用于短波無線通信。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；頻率合成；鎖相調(diào)頻PhaseLockedLoopFrequencySynthesizerAbstract:PhaseLockedLoopfrequencysynthesizerisalsocalledtheindirectfrequencysynthesizer,itisthesecondgenerationoffrequencysynthesis.ItusesoneormoreofthePhaseLockedLoopfrequencyconversiontopletetasks.PLLfrequencysynthesizerusethenarrow-bandPhaseLockedLooptrackingperformance，andwiththereferencefrequencyprovidedbyquartzcrystaloscillatorsourcetoproduceaseriesofdiscretefrequencies.PLLfrequencysynthesizerhastheadvantageofhighcluttersuppression,andconvenientdebugging;itsdisadvantageisthatthefrequencyconversionspeedisslowerthanthedirectsynthesis.ThisarticledescribestheperformanceparametersofPhaseLockedLoopandfocusonsingle-phase-lockedloopfrequencysynthesizerandfrequencymodulationtheory.Andthendesignaphase-lockedfrequencysynthesizerwhoseworkingfrequencychangesfrom29.5MHzto30.5MHzandaPLL-FMwhoseworkingfrequencychangesfrom29.965MHzto30.965MHz.Tested,thephase-lockedfrequencysynthesizerandthePLLtunercanoutputcorrectsinewaveinthedesiredfrequencyrange,nolossoflockbehavioroccursduringfrequencyswitchingandtheycanbeusedforshort-wavewirelessmunication.Keywords:PhaseLockedLoop;frequencysynthesizer;PhaseLockedLoopfrequencymodulation1引言如果我們翻開電視機(jī)和收音機(jī)，就立刻體會(huì)到鎖相環(huán)為人們的生活帶來的好處。它可以使我們方便的變換電視頻道并看到清晰的圖像，可以使我們聽到悅耳的立體聲播送。在高技術(shù)領(lǐng)域中鎖相環(huán)更可以大展身手。比方，它可以把深埋在噪聲中的有用信號(hào)提取出來，從而使地面承受設(shè)備正確受到衛(wèi)星、宇宙飛船等空間飛行體發(fā)回的信息?，F(xiàn)在，鎖相環(huán)已成為通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、深空探測(cè)、電子儀器等設(shè)備中不可或缺的一局部，鎖相技術(shù)已成為每一個(gè)從事電子技術(shù)工作的工程技術(shù)人員必須掌握的根底知識(shí)。鎖相環(huán)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂歇?dú)特的窄帶跟蹤性能，能完成頻率合成、調(diào)制解調(diào)、同步提取、測(cè)速測(cè)距、微量頻率變換等任務(wù)。環(huán)路可以只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，也可以既跟蹤輸入信號(hào)的載頻又跟蹤由基帶信號(hào)調(diào)頻〔或調(diào)相〕所引起的頻率和相位變化。鎖相環(huán)得到廣泛應(yīng)用的另一個(gè)原因是目前已有許多價(jià)格廉價(jià)，性能良好的集成鎖相環(huán)部件及通用很專用集成鎖相環(huán)。通常，人們只要掌握了鎖相環(huán)的根本原理和集成電路的外特性，就可以很方便地設(shè)計(jì)出能完成各種任務(wù)的環(huán)路。本文重點(diǎn)闡述了鎖相環(huán)的構(gòu)成及根本原理，以及怎樣用鎖相環(huán)設(shè)計(jì)鎖相頻率合成器及鎖相調(diào)頻器，并針對(duì)其中遇見的一些問題提出了相應(yīng)的解決方法。2鎖相環(huán)概述2.1鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理鎖相環(huán)的構(gòu)成鎖相環(huán)PLL是一個(gè)相位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)，它是通過比擬輸入信號(hào)和一個(gè)振蕩器的輸出信號(hào)的相位，取出與這兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比的電壓作為誤差電壓來控制振蕩器的頻率，到達(dá)使其與輸入信號(hào)頻率相等的目的。UiUi〔t〕Uo〔t〕PDLFVCOUd〔t〕Uc〔t〕Uf〔t〕圖1根本鎖相環(huán)組成PD對(duì)輸入信號(hào)和反應(yīng)信號(hào)的相位進(jìn)展比擬，運(yùn)算處理，其輸出信號(hào)可表示為=式中，表示輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位差，[·]表示運(yùn)算關(guān)系。LF是一個(gè)線性低通網(wǎng)絡(luò)，用來濾除中的高頻成分和調(diào)整環(huán)路參數(shù)，它對(duì)環(huán)路的性能指標(biāo)由重要影響。LF的輸出信號(hào)被用來控制VCO的頻率和相位。常稱為誤差信號(hào)，為控制信號(hào)，它們之間的關(guān)系可表示為:式中，為微分算子符號(hào)，為L(zhǎng)F的傳輸算子。VCO是一個(gè)電壓/頻率變換裝置，它的頻率隨變化，一般把它們表示為線性關(guān)系=+式中，為VCO的控制靈敏度，簡(jiǎn)稱為壓控靈敏度,為VCO的固有震蕩頻率，即控制信號(hào)為零時(shí)的震蕩頻率。鎖相環(huán)的工作原理在鎖相環(huán)中，PD是控制器，VCO是控制對(duì)象，LF是校正網(wǎng)絡(luò)，根本鎖相環(huán)中反應(yīng)信號(hào)的傳遞函數(shù)為1，鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)與反應(yīng)信號(hào)之間的相位偏差，利用相位偏差產(chǎn)生控制信號(hào)，從而減小或消除相位偏差，這就是鎖相環(huán)的工作原理。當(dāng)鎖相環(huán)輸入周期信號(hào)的頻率固定時(shí)，它的輸出信號(hào)頻率可以與輸入信號(hào)頻率一樣，即鎖相環(huán)可以消除頻差。但能否消除相差取決于所用LF的形式。假設(shè)LF的直流增益為無窮大，則可消除相差。假設(shè)LF的直流增益為有限值，則不能消除相差。2.2鎖相環(huán)的工作狀態(tài)工程上使用的鎖相環(huán)有兩種工作狀態(tài)，即鎖定狀態(tài)和線性跟蹤狀態(tài)，不同用途的鎖相環(huán)應(yīng)工作在不同狀態(tài)。在鎖相頻率合成器中，鎖相環(huán)工作在鎖定狀態(tài)，在鎖相接收機(jī)、鎖相調(diào)制、鎖相解調(diào)及鎖相環(huán)相干載波提取等用途中，鎖相環(huán)工作在線性跟蹤狀態(tài)。鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)下，相位誤差為*一確定值，其大小與鑒相器有關(guān)，環(huán)路能進(jìn)入鎖定狀態(tài)的條件是：固有頻差小于環(huán)路捕捉帶。環(huán)路頻差為零的穩(wěn)定狀態(tài)為鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，控制電壓及誤差電壓為直流，相位誤差為常數(shù)。線性跟蹤狀態(tài)環(huán)路平均頻差為零，相位誤差在鑒相器的線性*圍內(nèi)變化的穩(wěn)定狀態(tài)稱為線性跟蹤狀態(tài)。環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)具有一樣的載波頻率，但他們的瞬時(shí)頻率不相等，鑒相器工作于線性狀態(tài)?！案櫒暥质侵阜磻?yīng)信號(hào)的載波與輸入信號(hào)的載頻相等且可以跟蹤其變化，反應(yīng)信號(hào)的相位可以跟著輸入信號(hào)的相位變化而變化但不會(huì)完全一樣。在線性跟蹤狀態(tài)下，環(huán)路控制電壓及誤差電壓都是交流信號(hào)。失鎖狀態(tài)當(dāng)環(huán)路的反應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的載頻不相等時(shí)，環(huán)路即不是鎖定狀態(tài)也不是跟蹤狀態(tài)，稱此狀態(tài)為失鎖狀態(tài)，失鎖狀態(tài)下，環(huán)路無法正常工作。2.3鎖相環(huán)的應(yīng)用簡(jiǎn)介頻率合成在根本鎖相環(huán)的反應(yīng)支路中參加一個(gè)÷N分頻器，就可以構(gòu)成一個(gè)鎖相頻率合成器。環(huán)路輸入為固定頻率信號(hào)，來源于晶體振蕩器等高穩(wěn)定度信號(hào)源。在頻率合成器中，常稱環(huán)路輸入信號(hào)為參考信號(hào)，且把輸入頻率表示為。環(huán)路鎖定后無頻差，輸入頻率等于反應(yīng)頻率，所以環(huán)路輸出頻率為可見，只要改變分頻比N，就可以改變輸出頻率。頻率合成器的輸出可以作為發(fā)射機(jī)載頻信號(hào)和接收機(jī)本振信號(hào)，改變N就可以改變通信機(jī)的工作頻道。載波提取相干通信中，在承受端需從承受信號(hào)中提取相干載波，才能進(jìn)展相干解調(diào)。鎖相環(huán)可以完成載波提取的任務(wù)，環(huán)路輸入信號(hào)中應(yīng)包含有載波離散譜，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)。鎖相鑒頻把輸入信號(hào)改為調(diào)頻信號(hào)，頻偏正比于基帶信號(hào)，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)，且相位誤差趨于零，則環(huán)路輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)根本相等，其頻偏也根本相等，因此環(huán)路濾波器的輸出正比于基帶信號(hào)，可以作為解調(diào)輸出。位同步提取假設(shè)數(shù)字信號(hào)序列的頻譜中含有頻率等于碼速率的離散譜，鎖相環(huán)鎖定在此頻率上，則環(huán)路輸出信號(hào)頻率等于碼速率，再作適當(dāng)移相，就可作為位同步信號(hào)。鎖相接收機(jī)鎖相環(huán)可以把深埋在噪聲中的正弦信號(hào)提取出來，這在深空通信中非常有用。當(dāng)接收到的信號(hào)功率及其微弱時(shí)，考慮到多普勒頻移及發(fā)射機(jī)振蕩頻率的漂移，接收機(jī)的帶寬必須相當(dāng)寬，這樣就使接收機(jī)的輸入信噪比很低，在這種情況下，普通的接收機(jī)顯得無能為力，只有采用帶寬及窄的鎖相接收機(jī)才能把信號(hào)從噪聲中提取出來。當(dāng)輸入信號(hào)為調(diào)角信號(hào)，環(huán)路工作于線性跟蹤狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)信號(hào)的載頻與輸入信號(hào)一樣，而LF的截止頻率可以很低。當(dāng)環(huán)路疊加有加性窄帶白噪聲時(shí)，由于LF的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于噪聲的最高頻率，故可以把這個(gè)噪聲電壓的絕大局部頻率成分濾掉，從而保證控制電壓比擬純潔，使輸出信噪比遠(yuǎn)高于輸入信噪比。2.4鎖相環(huán)的性能指標(biāo)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速，是對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般要求。同樣，我們研究鎖相環(huán)時(shí)也要從這三個(gè)方面分析其性能指標(biāo)。此外，因?yàn)殒i相環(huán)處理的是電信號(hào)，它對(duì)噪聲的抑制能力是非常重要的，所以我們必須研究環(huán)路的噪聲性能。鎖相環(huán)的穩(wěn)定性包括非線性穩(wěn)定性和線性穩(wěn)定性。非線性穩(wěn)定性是指環(huán)路接通后能否進(jìn)入鎖定或跟蹤狀態(tài)。因?yàn)樵谶M(jìn)入這一狀態(tài)過程中環(huán)路處于非線性狀態(tài)，需用非線性方法進(jìn)展分析。準(zhǔn)確性是指環(huán)路的跟蹤誤差，它與輸入信號(hào)類型、環(huán)路參數(shù)有關(guān)。快速性是指環(huán)路接通后進(jìn)入鎖定狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)所需時(shí)間，或環(huán)路鎖定后輸入相位發(fā)生*一變化時(shí)環(huán)路跟蹤這一變化所需時(shí)間。環(huán)路噪聲包括輸入噪聲和環(huán)路內(nèi)部噪聲，希望在各種噪聲的作用下，環(huán)路能輸出我們所需要的信號(hào)。2.5鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型鑒相器的數(shù)學(xué)模型不同的鑒相器有不同的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)只分析最常用的模擬乘法器鑒相器。設(shè)其中，為的載頻，是在作用下VCO產(chǎn)生的相位變化。為分析方便，現(xiàn)以為參考，重新定義，則式中，，稱為環(huán)路的固有頻差?？杀硎緸榱硪恍问绞街小３朔ㄆ鞯妮敵霭ㄅc的和頻及差頻。為濾出和頻，在模擬乘法器的輸出端一般接有一個(gè)低通濾波器LPF。注意這個(gè)低通濾波器的截止頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于且遠(yuǎn)大于LF的截止頻率。這樣，和頻分量經(jīng)過兩個(gè)濾波器的作用后已非常微弱，對(duì)環(huán)路工作無影響。設(shè)乘法器的相乘系數(shù)為，則PD的輸出為令，，則有圖2正弦鑒相器方框圖〔a〕和數(shù)學(xué)模型〔b〕圖3正弦鑒相特性環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)模型由RC組成的無源LF或由RC及運(yùn)算放大器組成的有源LF都為線性網(wǎng)絡(luò)。設(shè)此網(wǎng)絡(luò)的傳輸算子和傳遞函數(shù)分別為和，則其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。圖4LF的數(shù)學(xué)模型〔a〕時(shí)域形式；〔b〕復(fù)頻域形式下面介紹幾種常用的環(huán)路濾波器的電路及頻率特性。RC積分濾波器是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單的環(huán)路濾波器，電路構(gòu)成如圖5所示，圖5其傳輸算子為式中=RC是時(shí)間常數(shù)，這是此種濾波器的唯一可調(diào)參數(shù)。它具有低通特性，且相位滯后。當(dāng)頻率很高時(shí)，幅度趨于零，相位滯后接近于。無源比例積分濾波器，該濾波器的電路構(gòu)成如圖6所示圖6其傳輸算子為式中，。它有兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，這就給環(huán)路設(shè)計(jì)帶來了靈活性。當(dāng)頻率很高時(shí)，傳輸算子等于電阻的分壓比，這就時(shí)濾波器的比例作用。此濾波器有一個(gè)相位超前因子，這對(duì)改善環(huán)路的穩(wěn)定性時(shí)有作用的。有源比例積分濾波器由運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成，電路構(gòu)成如圖7所示圖7其傳輸算子為式中，，。當(dāng)A>>1、>>，>>1時(shí)，可近似為該式可表示為比例環(huán)節(jié)和理想積分環(huán)節(jié)之和，故可稱次濾波器為理想比例積分濾波器。由于是一相位超前因子，這種濾波器也可以改善環(huán)路的穩(wěn)定性。同樣，兩個(gè)可調(diào)參數(shù)和也給環(huán)路的設(shè)計(jì)帶來靈活性。壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型設(shè)壓控振蕩器的振蕩頻率與控制電壓成線性關(guān)系，即VCO的瞬時(shí)相位是的積分，即可得可以看出，壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型具有一個(gè)積分因子，這是相位與角頻率之間的積分關(guān)系所形成的。鎖相環(huán)路中要求壓控振蕩器輸出的是相位，因此這個(gè)積分作用是壓控振蕩器所固有的。正因?yàn)檫@樣，通常壓控振蕩器是鎖相環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。壓控振蕩器應(yīng)是一個(gè)具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器，要求頻率穩(wěn)定度好〔包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度〕；控制靈敏度高；控制特性的線性度要好，線性區(qū)域要寬等等，這些要求之間往往是矛盾的，設(shè)計(jì)中要根據(jù)要求進(jìn)展折中考慮。環(huán)路的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)方程設(shè)環(huán)路的三個(gè)根本部件之間無負(fù)載效應(yīng)〔即設(shè)每個(gè)部件的輸入阻抗都為無窮大〕則根據(jù)環(huán)路的組成方框圖和根本部件的數(shù)學(xué)模型，可以得到整個(gè)環(huán)路的數(shù)學(xué)模型，如圖8所示圖8采用正弦PD的環(huán)路數(shù)學(xué)模型因?yàn)榄h(huán)路的輸入量、輸出量都是相位，所以常把環(huán)路的數(shù)學(xué)模型稱為相位模型。將此式兩邊同乘以,可得此即為采用正弦鑒相器的環(huán)路動(dòng)態(tài)方程。可見環(huán)路的階數(shù)等于環(huán)路濾波器的階數(shù)加1.代入具體的和，可解出。式中，稱為環(huán)路增益。環(huán)路的線性化及傳遞函數(shù)當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸入到鑒相器的兩信號(hào)之間無頻差而只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相差。在此條件下，假設(shè)輸入信號(hào)的相位或頻率在一定*圍之內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時(shí)〔干擾或調(diào)制所引起的〕，通過環(huán)路自身的控制作用，環(huán)路輸出信號(hào)的頻率和相位會(huì)以同樣的規(guī)律跟隨輸入信號(hào)的變化而變化，這一過程稱為環(huán)路的跟蹤過程。如果是理想的跟蹤，輸出信號(hào)的頻率和相位應(yīng)時(shí)時(shí)的與輸入信號(hào)一樣。然而，實(shí)際上環(huán)路需要一個(gè)跟蹤的過程。在跟蹤過程中，首先出現(xiàn)暫態(tài)過程，此時(shí)環(huán)路存在暫態(tài)相位誤差，在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)之后，根據(jù)輸入信號(hào)的形式不同，環(huán)路出現(xiàn)不同的穩(wěn)態(tài)相位誤差。在自動(dòng)控制理論[20]中，常把位置信號(hào)、速度信號(hào)和加速度信號(hào)作為典型輸入量來分析各種控制系統(tǒng)的性能。在鎖相環(huán)當(dāng)中，常用的典型暫態(tài)輸入信號(hào)是相位階躍信號(hào)、相位斜升信號(hào)〔頻率階躍信號(hào)〕和相位加速度信號(hào)〔頻率斜升信號(hào)〕。以上述采用正弦PD的鎖相環(huán)為例，對(duì)于一個(gè)原來輸入是固定頻率的二階鎖相環(huán)路來說，當(dāng)出現(xiàn)這些暫態(tài)相位信號(hào)時(shí)，環(huán)路的跟蹤將出現(xiàn)一個(gè)暫態(tài)過程，最后再進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。只要在整個(gè)相應(yīng)過程中，環(huán)路相差始終比擬小，沒有超出鑒相器鑒相特性的線性工作區(qū)域時(shí)，環(huán)路動(dòng)態(tài)方程中的可近似為，環(huán)路看作一個(gè)二階線性系統(tǒng)，如圖所示，環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程可化簡(jiǎn)為一個(gè)線性微分方程圖9鎖相環(huán)線性化相位時(shí)域模型圖10鎖相環(huán)線性化相位復(fù)頻域模型常用的環(huán)路傳遞函數(shù)有開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)。它們的定義如下：=前向支路傳遞函數(shù)×反應(yīng)支路傳遞函數(shù)、都是閉環(huán)傳遞函數(shù)，但習(xí)慣上把叫作閉環(huán)傳遞函數(shù)而把叫作誤差傳遞函數(shù)，它們可由單環(huán)梅森公式求得。單環(huán)梅森公式為負(fù)反應(yīng)環(huán)取“+〞號(hào)，正反應(yīng)環(huán)取“—〞號(hào)。可得3吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)3.1吞脈沖鎖相頻率合成器的工作原理吞脈沖鎖相頻率合成是頻率合成技術(shù)中的佼佼者，它結(jié)合了吞脈沖程序分頻器和CMOS集成電路的優(yōu)點(diǎn)，具有工作頻率高，頻率間隔小，功耗小等特點(diǎn)，因此被廣泛用于無線通信領(lǐng)域。MC145152-2是MOTORAOLA公司開發(fā)的鎖相頻率合成器大規(guī)模集成電路，采用CMOS工藝降低功耗的同時(shí)卻限制了自身的工作頻率，5V電源時(shí)，最高頻率僅為20MHz，這限制了其在無線通信領(lǐng)域的直接應(yīng)用。本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，將具有更高工作頻率的雙模前置分頻器引入設(shè)計(jì)，共同構(gòu)成“吞脈沖式鎖相頻率合成器〞，在不改變分辨率的情況下，將輸出頻率提高很多。MC145152-2是可以通過N計(jì)數(shù)器和A計(jì)數(shù)器的16位并行輸入口以及R計(jì)數(shù)器的3位并行口進(jìn)展編程的專用PLL頻率合成芯片，內(nèi)部構(gòu)造方框圖如下圖11內(nèi)部主要集成了包括一個(gè)12bit可編程÷R參考分頻器，一個(gè)10bit可編程÷N主計(jì)數(shù)器，一個(gè)六位可編程÷A輔助計(jì)數(shù)器，一個(gè)模式控制器，一個(gè)12*8參考分頻碼譯碼器，一個(gè)數(shù)字鑒相器和一個(gè)鎖定檢測(cè)器。片內(nèi)不包括壓控振蕩器、環(huán)路濾波器等電路單元。RA0，RA1,RA2為參考分頻比地址輸入引腳，3位輸入對(duì)應(yīng)8種可能的分頻值，當(dāng)三位地址碼均為高電平1時(shí)，分頻值為2048，本文設(shè)計(jì)即采用該分頻模式。N0-N9為10bit÷N計(jì)數(shù)器編程輸入引腳，分頻比*圍：3～1023。A0-A5為6bit÷A計(jì)數(shù)器編程輸入引腳，分頻比*圍：0～63。φV、φR為鑒相器雙端輸出引腳，用于輸出環(huán)路誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)控制VCO的頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。MC為至雙模前置分頻器模式控制信號(hào)輸出引腳，控制信號(hào)通過片內(nèi)控制邏輯電路產(chǎn)生，根據(jù)模式供職電平的上下，控制雙模前置分頻器的分頻比為P或P+1。LD為鎖定檢測(cè)信號(hào)輸出引腳，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鎖定檢測(cè)器從該引腳輸出一個(gè)高電平。MC12022是MOTOROLA公司開發(fā)的雙模前置分頻器專用中規(guī)模集成電路，專為內(nèi)部不含前置分頻器的集成鎖相頻率合成器度身定造。具有64和65兩種分頻模值，最高工作頻率可達(dá)1.1GHz。將MC12022與MC145152-2片內(nèi)的兩個(gè)可編程分頻器及片內(nèi)模式控制器連接即構(gòu)成吞脈沖程序分頻器，構(gòu)造框圖如下圖12VCO來的信號(hào)f0不直接送入MC145152-2內(nèi)局部頻器，而是先輸入雙模前置分頻器MC12022進(jìn)展前置分頻后再送入片內(nèi)兩分頻器分頻，得到頻率為f0’工作原理如下：一個(gè)計(jì)數(shù)周期開場(chǎng)時(shí)，設(shè)模式控制電平是低電平0，雙模前置分頻器以65的分頻模值與片內(nèi)主(N)、輔(A)兩計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)，直到A計(jì)數(shù)器計(jì)滿A個(gè)脈沖，模式控制電平變成高電平1，使A計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù)，同時(shí)使雙模前置分頻器分頻比變?yōu)?4，N計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)直到記完剩下的N-A個(gè)脈沖，模式控制電平恢復(fù)到低電平0，雙模前置分頻器分頻比也恢復(fù)到65，各計(jì)數(shù)器進(jìn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。因此再一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總共記錄的脈沖數(shù)為：M=65A+64(N-A)=64N+A則吞脈沖程序分頻器分頻比為：(64N+A)。以上電路說明：利用雙模前置分頻器和集成鎖相頻率合成器內(nèi)部?jī)蓚€(gè)可編程分頻器構(gòu)成的吞脈沖程序分頻器，具有更大的環(huán)路總分頻比，因此，利用它構(gòu)成頻率合成器時(shí)，可以在不降低頻率間隔的情況下，把輸出頻率提高很多。3.2吞脈沖鎖相頻率合成器的應(yīng)用設(shè)計(jì)由于MC145152-2片內(nèi)不含壓控振蕩器(VCO)和環(huán)路濾波器(LF)，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)需設(shè)計(jì)與之相匹配的VCO和LF，雙模前置分頻器采用MC12022，將它們共同構(gòu)成一個(gè)完整的吞脈沖鎖相頻率合成器。以下詳細(xì)探討相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)。電路主要參數(shù)要求：輸出頻率*圍：29.5MHz～30.5MHz，頻道間隔：25KHzLF設(shè)計(jì)考慮濾波特性，在RC積分濾波器、RC比例積分濾波器、有源濾波器等諸多濾波器中，首選有源濾波器。電路構(gòu)造如圖：圖13其中M：環(huán)路總分頻比，由P、A、N值共同確定：鑒相器增益系數(shù)，：環(huán)路阻尼系數(shù)，本設(shè)計(jì)取1:環(huán)路自然角頻率，本設(shè)計(jì)取:壓控振蕩器增益系數(shù)，集成運(yùn)放采用OP07，該運(yùn)放輸入失調(diào)電壓極低，功耗小，線性*圍大，頻率響應(yīng)好，從而使該濾波器具有較好的濾波特性。VCO設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)際采用改良型電容三點(diǎn)式震蕩電路。總體設(shè)計(jì)MC145152-2參考頻率采用10.24MHz晶體振蕩器產(chǎn)生。取參考頻率Fr=5KHz，則R參考分頻器分頻比可求：R==(10.24*106)/(5*103)=2048,此分頻值恰好為參考分頻碼譯碼器中最大分頻值，此時(shí)，三位地址均輸入高電平“1”。環(huán)路總分頻比N為：M1==5900M2==6100因?yàn)殡娐窐?gòu)造采用“吞脈沖程序分頻器〞，即有如下關(guān)系：M=PN+A其中N為主計(jì)數(shù)器值，A為輔助計(jì)數(shù)器值，P為雙模前置分頻器模值。本設(shè)計(jì)中，雙模前置分頻器采用MC12022，其模值P=64.以環(huán)路總分頻比M1=5900為例，通過計(jì)算可得：N=92，A=12，即M1=64*92+12=5900將N=92，A=12化成二進(jìn)制數(shù)，即分別為編程輸入端N0～N9,A0～A5對(duì)應(yīng)的數(shù)碼值。其電路圖如下所示圖14實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)環(huán)路鎖定時(shí)有一定的鑒相紋波，此鑒相紋波是由在環(huán)路鎖定時(shí)，參考信號(hào)相位超前于反應(yīng)信號(hào)引起的。實(shí)際波形如下所示：圖15其為5KHz的脈沖波，該鑒相紋波電壓會(huì)產(chǎn)生寄生調(diào)頻。要想提高環(huán)路對(duì)該干擾的抑制能力，必須注意下面幾點(diǎn)：盡量提高參考信號(hào)頻率、減小環(huán)路自然諧振頻率；精心挑選關(guān)鍵性元器件，以減小紋波電壓；在保持、不變的前提下，盡量增大鑒相靈敏度。實(shí)際工程中往往是由所選定的電路決定，不易改動(dòng)，、也不能任意改變，所以普通的二階環(huán)有時(shí)難于滿足指標(biāo)要求，必須采取一定的措施。措施之一就是在二階環(huán)中增加一輔助低通濾波器以提高環(huán)路對(duì)雜波的抑制能力。增加輔助低通濾波器后環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)可表示為當(dāng)>0.6，=1/>5時(shí)，附加低通濾波器對(duì)原二階環(huán)的穩(wěn)定余量根本上無影響。當(dāng)<時(shí)，附加的低通濾波器對(duì)雜波抑制度有改善作用。因故雜波抑制度的改善量為△顯然，附加低通濾波器也可加強(qiáng)環(huán)路對(duì)輸入噪聲的濾除能力，這也是我們所希望的。系統(tǒng)電路板及輸出波形如圖16所示圖16經(jīng)測(cè)量，鎖相頻率合成模塊可到達(dá)頻率(30.0018±0.50003)MHz，信道間隔25KHz，頻率穩(wěn)定度5ppm。4鎖相調(diào)頻的原理及鎖相調(diào)頻器的設(shè)計(jì)4.1鎖相調(diào)頻的原理在模擬通信中，可用兩種方法產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，一種是直接法，一種是間接法。在直接法中，用模擬基帶信號(hào)直接控制振蕩回路的電抗原件參數(shù)，使振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨基帶信號(hào)作線性變化。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制指數(shù)大，但載頻穩(wěn)定性差。在間接法中，先將基帶信號(hào)積分，再實(shí)施窄帶調(diào)相，得到一個(gè)窄帶調(diào)頻，對(duì)此信號(hào)倍頻就得到了寬帶調(diào)頻信號(hào)。下面給出一點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻方框圖。調(diào)制信號(hào)首先經(jīng)過調(diào)制電路進(jìn)展電平轉(zhuǎn)換與幅度調(diào)整,然后與環(huán)路產(chǎn)生的誤差電壓相加,控制壓控振蕩器。由于環(huán)路帶寬低于調(diào)制頻譜的下限,因此調(diào)制信號(hào)不參與環(huán)路的反應(yīng),使壓控振蕩器仍鎖定于中心頻率,實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)對(duì)載波的頻率調(diào)制。鑒相鑒頻器鑒相鑒頻器低通濾波器相加器調(diào)前電路壓控振蕩器÷N分頻器調(diào)制輸入功放參考晶振圖17調(diào)制信號(hào)僅由LF與VCO之間注入環(huán)路，故稱之為一點(diǎn)注入式，環(huán)路閉合且鎖定后，輸出的載頻等于參考頻率的N倍。假設(shè)環(huán)路輸出信號(hào)的頻偏與基帶信號(hào)成正比，則既可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的目的，同時(shí)又保證了載頻的穩(wěn)定性。當(dāng)環(huán)路工作于載波跟蹤狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)注入式調(diào)頻。對(duì)此種環(huán)路的調(diào)頻原理，我們還可以這樣來理解：因環(huán)路跟蹤于載波跟蹤狀態(tài)，所以在基帶信號(hào)頻率*圍內(nèi)，環(huán)路的閉環(huán)頻率特性近似為零。這樣，環(huán)路對(duì)基帶信號(hào)閉環(huán)一周的響應(yīng)約等于零，因此環(huán)路控制信號(hào)近似等于調(diào)制信號(hào)。也就是說，環(huán)路閉合后VCO的控制信號(hào)和開環(huán)時(shí)近似一樣，這樣就使VCO的頻偏正比于調(diào)制信號(hào)。一點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻易于實(shí)現(xiàn)，已在FM發(fā)信機(jī)等設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。但調(diào)制頻率特性取決于環(huán)路誤差頻率特性。在環(huán)路自然諧振頻率附近，調(diào)制特性不可能很好，一次必須使環(huán)路自然諧振頻率遠(yuǎn)小于基帶信號(hào)的最低頻率，才有可能保證調(diào)制頻率特性比擬好。但由此又帶來其他問題，比方環(huán)路捕捉時(shí)間長(zhǎng)從而使頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)等。當(dāng)然，當(dāng)在PD后面注入基帶信號(hào)時(shí)，環(huán)路帶寬可以選擇的比擬大，但它一定要大于基帶信號(hào)的最高頻率，這樣選擇的參數(shù)有時(shí)也會(huì)帶來一些問題。4.2鎖相調(diào)頻器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)仍采用MOTORAOLA公司的鎖相環(huán)頻率合成芯片MC145152-2，調(diào)制信號(hào)為語音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)展帶通濾波、幅度調(diào)理，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)展幅度調(diào)理后參加到環(huán)路濾波器的輸出端，即壓控振蕩器的控制電壓上，即完成了語音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)鎖相調(diào)頻器的設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)框圖如圖18所示圖18其局部電路如下所示圖19系統(tǒng)電路板及輸出波形如圖20所示圖20經(jīng)測(cè)試，鎖相調(diào)頻模塊可到達(dá)頻率(30.46378±0.49998)MHz，信道