論文-鎖相式頻率合成器設(shè)計(jì)

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1、鎖相式頻率合成器設(shè)計(jì)第一章概述1．1頻率合成技術(shù)及其發(fā)展隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天和遙控遙測技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率個(gè)數(shù)的要求越來越高。為了提高頻率穩(wěn)定度,經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決,但它不能滿足頻率個(gè)數(shù)多的要求,因此,目前大量采用頻率合成技術(shù)。頻率合成的方法主要有三種：直接合成模擬式頻率合成、直接數(shù)字頻率合成和鎖相頻率合成。通過對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算,可從一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源,產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是從一個(gè)或多個(gè)參考頻率中產(chǎn)

2、生多種頻率的器件。它是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵電路,廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天、遙控遙測以及高速儀器儀表等領(lǐng)域。以通信為代表的信息產(chǎn)業(yè)是當(dāng)代發(fā)展最快的行業(yè),因此,頻率合成器也得到了較快發(fā)展,形成了完善的系列品種,市場需求也特別大。頻率合成器的技術(shù)復(fù)雜度很高,經(jīng)過了直接合成模擬式頻率綜合器、鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器（DDS）三個(gè)發(fā)展階段。直接合成模擬式頻率合成器是通過倍頻器、分頻器、混頻器,對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算,得到各種所需頻率。直接合成法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短,并能產(chǎn)生任意小的頻率增量。

3、但用這種方法合成的頻率范圍將受到限制。更重要的是,直接合成模擬式頻率合成器不能實(shí)現(xiàn)單片集成,而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。因此,直接合成模擬式頻率綜合器已逐漸被鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器取代。使用PLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鎖相式頻率合成器在性能上較之RC、LC振蕩源有很大提高,但外圍電路仍然較復(fù)雜,且容易受外界干擾,分辨率難以提高,其它指標(biāo)也不理想。近年來,直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的出現(xiàn),使頻率合成技術(shù)大大前進(jìn)了一步。頻率控制是現(xiàn)代通信技術(shù)中很重要的一環(huán),獲取寬帶、快速、精細(xì)、雜散小的頻率控制信號(hào)一直是通信領(lǐng)域中的一

4、個(gè)重要研究內(nèi)容。DDS技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù),具有頻率分辨率高、頻率變換速度快、相位可連續(xù)線性變化等優(yōu)點(diǎn),在基于數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)代通信頻率控制中已被廣泛采用。1971年,美國學(xué)者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold提出了以全數(shù)字技術(shù),從相位概念出發(fā),直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平,它的性能指標(biāo)不能與已有的技術(shù)相比,故未受到重視。近20年間,隨著技術(shù)和器件水平的提高,直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。DDS具有超高速

5、的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,極高的頻率分辨率,低的相位噪聲,變頻相位連續(xù),容易實(shí)現(xiàn)頻率、相位、幅度調(diào)制,全數(shù)字化控制等突出優(yōu)點(diǎn),已成為移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位、數(shù)字通信等系統(tǒng)中信號(hào)源的首選。目前,在各種無線系統(tǒng)中使用的頻率合成器普遍采用鎖相式頻率合成器,通過CPU控制,可獲得不同的頻點(diǎn)。鎖相式頻率合成器含有參考振蕩器與分頻器、可控分頻器、壓控振蕩器及鑒相器、前置分頻器等功能單元。頻率合成器的最終發(fā)展方向是鎖相式頻率合成器、雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、DDS頻率合成器,以及PLL加DDS混合式頻率合成器。因此,25鎖相式頻率合成器設(shè)計(jì)鎖相式頻率合成器和直

6、接數(shù)字式頻率綜合器受到各界關(guān)注,并得到迅猛發(fā)展。鎖相式頻率合成器是采用鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行頻率合成的一種頻率合成器。它是目前頻率合成器的主流,可分為整數(shù)頻率合成器和分?jǐn)?shù)頻率合成器。在壓控振蕩器與鑒相器之間的鎖相環(huán)反饋回路上增加整數(shù)N分頻器,就形成了一個(gè)整數(shù)頻率合成器。通過改變分頻系數(shù)N,壓控振蕩器就可以產(chǎn)生不同頻率的輸出信號(hào),而輸出信號(hào)的頻率是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍,因此稱為整數(shù)頻率合成器。其輸出信號(hào)之間的最小頻率間隔等于參考信號(hào)的頻率,而這一點(diǎn)也正是整數(shù)頻率合成器的局限所在。構(gòu)成鎖相式整數(shù)頻率合成器的關(guān)鍵部分是鎖相環(huán),它是一個(gè)相位誤差

7、控制系統(tǒng),通過比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差,產(chǎn)生誤差控制電壓,調(diào)整壓控振蕩器的頻率,以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻。在環(huán)路開始工作時(shí),如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同,則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差,它們之間的相位差勢必一直在變化,致使鑒相器輸出的誤差電壓在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下,壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等,在滿足穩(wěn)定性的條件下,就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來。達(dá)到穩(wěn)定后,輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零,相差不再隨時(shí)間變化,誤差電壓為一固定值,環(huán)路進(jìn)入“鎖定

8、”狀態(tài)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器的輸出信號(hào)頻率不必是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍,而可以是參考信號(hào)頻率的小數(shù)倍,因此稱為鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器