畢業(yè)論文--鎖相環(huán)頻率合成器設計

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1、鎖相環(huán)頻率合成器設計摘要：現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為確保通信的穩(wěn)定與可靠，對通信設備的頻率準確率和穩(wěn)定度提出了極高的要求.隨著電子技術的發(fā)展,要求信號的頻率越來越準確和越來越穩(wěn)定，振蕩器的頻率變化范圍小，其頻率值不高，很難滿足通信、雷達、測控、儀器儀表等電子系統(tǒng)的需求。在這些應用領域，往往需要在一個頻率范圍內(nèi)提供一系列高準確度和高穩(wěn)定度的頻率源，這就需要應用頻率合成技術來滿足這一需求。頻率合成器通過一個或多個標準頻率產(chǎn)生大量的輸出頻率，是通過對標準頻率在頻率進行加、減、乘、除來實現(xiàn)的，可以用混頻、倍頻和分頻等電路來實現(xiàn)。鎖相環(huán)頻率合成器通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算。其

2、結構是一種閉環(huán)系統(tǒng)。其主要優(yōu)勢在于結構簡化、便于集成。且頻率純度高，目前廣泛應用于各種電子系統(tǒng)。關鍵詞:頻率合成器；鎖相環(huán)；閉環(huán)系統(tǒng)AbstractKeyword:目錄一、頻率合成器簡介頻率合成是指以一個或少量的高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率作為參考頻率，由此導出多個或大量的輸出頻率，這些輸出頻率的準確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。用來產(chǎn)生這些頻率的部件就成為頻率合成器或頻率綜合器。頻率合成器通過一個或多個標準頻率產(chǎn)生大量的輸出頻率，它是通過對標準頻率在頻域進行加、減、乘、除來實現(xiàn)的，可以用混頻、倍頻和分頻等電路來實現(xiàn)。其主要技術指標包括頻率范圍、頻率間隔、準確度、頻率穩(wěn)

3、定度、頻率純度以及體積、重量、功能和成本。頻率合成器的合成方法有直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方法頻率轉換時間快(小于100ns)，但是體積大、功耗大，成本高，目前已基本不被采用。鎖相頻率合成器通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算，其結構是一種閉環(huán)系統(tǒng)。其主要優(yōu)勢在于結構簡化、便于集成，且頻率純度高，目前廣泛應用于各種電子系統(tǒng)。直接式頻率合成器中所固有的那些缺點，在鎖相頻率合成器中大大減少。二、鎖相環(huán)頻率合成器原理2.1鎖相環(huán)路設計基礎這一部分首先闡明了鎖相環(huán)的基本原

4、理及構成，導出了環(huán)路的相位模型和基本方程，概述了環(huán)路的工作過程。2.1.1鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)（PLL）是一個是輸出信號（由振蕩器產(chǎn)生的）與參考信號或者輸入信號在頻率和相位上同步的電路。在同步（成為鎖定）狀態(tài)，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數(shù)。如果出現(xiàn)相位誤差，一種控制機理作用到振蕩器上，使得相位誤差再減小到最小。在這樣的控制系統(tǒng)中，實際輸出信號的相位鎖定到參考信號的相位。最基本的鎖相環(huán)方框圖如圖1所示。它包括三個基本部件，鑒相器（PD）環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）：參考信號PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸出信號

5、圖１鎖相環(huán)的基本構成設參考信號(1)式中Ur為參考信號的幅度ωr為參考信號的載波角頻率θr(t)為參考信號以其載波相位ωrt為參考時的瞬時相位若參考信號是未調載波時，則θr(t)=θ1=常數(shù)。設輸出信號為(2)式中Uo為輸出信號的振幅,ω0為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率θ0(t)為參考信號以其載波相位ω0t為參考時的瞬時相位,在VCO未受控制它是常數(shù)，受控之后他是時間函數(shù)。則兩信號之間的瞬時相位差為(3)由頻率和相位之間的關系可得兩信號之間的瞬時頻差為(4)鑒相器是相位比較器，它把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應于兩信號相位差θe(t)的誤差

6、電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。因此，鎖相環(huán)的工作原理可簡述如下：首先，鑒相器把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生一個反應兩信號的相位差θe(t)大小的誤差電壓ud(t)，ud(t)經(jīng)過環(huán)路濾波器的過濾得到控制電壓uc(t)。uc(t)調整VCO的頻率向參考信號的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步實現(xiàn)鎖定。鎖定后兩信號之間

7、的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即(5)此時，輸出信號的頻率已偏離了原來的自由頻率ω0[控制電壓uc(t)=0時的頻率]，其偏移量由式（4）和式（5）得到為這時輸出信號的工作頻率已變?yōu)?6)由此可見，通過鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相差。2.1.2基本環(huán)路方程為了建立鎖相環(huán)路的數(shù)學模型，首先建立鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器的數(shù)學模型。1.鑒相器鑒相器(PD)又稱相位比較器，它是用來比較兩個輸出信號之間的相位差θe(t)。鑒相器輸出的誤差信號ud(t)是相差θe(t)的函數(shù)。