锁相与频率合成技术共69页
频率合成技术课程报告(1)
频率合成技术课程报告
姓名：夏译学号：2902302009 主要字体：5号字
一、锁相环的发展历史
锁锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动反馈控制技术。
·20世纪30年代—接收设备锁相同步控制
锁相技术起源于二十世纪30 年代，提出无线电调幅信号的锁相同步检波技术。
锁相同步检波器要求锁相环路以输入的标准调幅波vi 中，能输出准确跟踪载波分
量的等幅波v0(t)而它们相位保持很小常数或零。将v0(t)相移π/2 后作为同步检波的
参考信号vr(t)，从而即可实现对标准调幅波的解调，实现检波。
·20世纪40年代—电视接收同步扫描
电视技术得到迅速发展，电视接收机从行扫描振荡器输出中取出部分作反馈信号，
和从同步分离器来的同步信号经鉴相器进行相位比较，得到相位误差信号经积分器得到
控制信号，控制行扫描振荡器，实现同步扫描。
·20世纪50年代—锁相接收机实现卫星通信技术
随空间技术的发展，由杰费·里希廷利用PLL作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，
解决了PLL 最佳化设计问题。采用锁相技术制作锁相跟踪接收机，实现将深埋在噪声中的卫星发射的信号检测出来。
·20世纪60年代—各部件制作费用昂贵,所以它的发展受限制
前半期，由于锁相技术中的个别部件的制作费用仍然十分昂贵，所以在使用范围上
仍然受到较大限制。由维特毕研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了相干通信原理。
后期开始相继研制出集成锁相环部件和单片集成锁相环路。
·20世纪70年代—成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要控制技术
笫8章 频率合成技术
2020年4月18日
3
8.1.1 频率合成的基本方法（续1）
（2）锁相频率合成
▪ 锁相频率合成又称间接式频率合成。
▪ 取样锁相环：它是用一个或几个参考频率源，然后用锁相环 将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振 荡器间接产生所需要的频率输出。
▪ 锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量得到 明显的改善。
晶振
fq R
fr 鉴相
低通
VCO fo
fo
参考分频器
N (Pfr)
fo PN
主分频器 前置分频器
N P
Pf 可当见改本变方N时案，是输以出加频大率频将率为间以隔为代r价为，间换隔取的合离成散器频工率作系在列。
较高的频段。
2020年4月18日
14
8.3.2 数字锁相频率合成器（续4）
返回
（3）采用吞脉冲可变分频器的锁相频率合成器
(0
f0
fs ) 2
抽样信号为：
s*(t) s(nTS ) (t nTS )
n
▪ 如果能构造一个抽样信号 s* (t) ，并使其通过一个理想的
低通滤波器，就能得到连续变化的模拟余弦信号s(t)。
2020年4月18日
20
8.4.1 直接数字频率合成基本原理（续1）
（2）构造抽样信号 s*(t) s(nTS ) (t nTS ) n
锁相技术及频率合成
AF(
j)
1 j2 j1
第7章 锁相技术及频率合成
4. 锁相环路相位模型及锁相环路的数学模型 将环路的三个基本模型连接起来的锁相环路相位 模型，如图7.10所示。通常将这个模型称为PLL的相位 模型。这个模型直接给出了输入相位φi(t)与输出相
i(t)
－e(t)
u d (t) A d sin [ ]
(b)
图7.4 正弦鉴相器的鉴相特性及其电路模型
第7章 锁相技术及频率合成
2. 压控振荡器
压控振荡器是一个电压-频率变换装置,在环路中作 为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线 性地变化，可用线性方程来表示，即
ωo(t)=ωr(t)+A0uc(t)
(7―7)
第7章 锁相技术及频率合成
第7章 锁相技术及频率合成
7.1 锁相环路
7.1.1 锁相环路的基本工作原理 锁相环路基本组成框图如图7.1所示。锁相环路是
由 鉴 相 器 (PD) 、 环 路 滤 波 器 （ LF ） 和 压 控 振 荡 器 （VCO）三个基本部件构成的闭合环路。
第7章 锁相技术及频率合成
参 考 晶 体 u i(t) 鉴 相 器u d (t)
AdA0AF(p)sinφe(t)=Δωo(t)=ωo-ωr
(7―19)
其表示压控振荡器在uc(t)=AdAF(p)sinφe(t)的作用下， 产生振荡角频率ωo偏离ωr的数值。于是动态方程(7―16) 构成如下关系：
中科大信息学院培养方案
信息科学技术学院二、院系、专业、方向设置
三、学制、授予学位及毕业要求
学制：标准学制4年，弹性学习年限3—6年。
授予学位：工学学士。
毕业要求：总学分修满160学分，并通过毕业论文答辩。
各专业课程设置分类及学分比例表：
电子信息工程（通信工程）专业
131
自动化专业
电子科学与技术专业
信息安全专业
四、院长签字：
132
五、修读课程要求：
1、学院通修课程设置：66学分
*注：《重要思想概论实践》从1年级开始至2年级夏期结束时结课，鼓励学生通过参加各类社会实践，理论联系实际完成学习。
133
2、学院统一学科群基础课程设置：35学分
电子信息工程（通信工程）专业附加学科群基础课程设置：12学分
自动化专业附加学科群基础课程设置：16.5学分
134
电子科学与技术专业附加学科群基础课程设置：16学分
信息安全专业附加学科群基础课程设置：16.5学分
3、专业核心课程设置：16-17.5学分
135
4、专业方向课程设置：
电子信息工程（通信工程）专业各方向选修：11学分
自动化专业各方向选修：≤8.5学分
136
电子科学与技术专业各方向选修：≤7.5
信息安全专业各方向选修：≤7学分
5、自由选修课程：选修≥8.5学分
通过修读全校各院系本科和研究生课程，满足培养计划要求学分，达到毕业要求。
信息安全专业建议选修以下课程：量子力学、数字信号处理、现代通信原理、计算机组成原理、软件工程、汇编语言。
137
六、主要课程关系结构图：
电子信息工程专业、通信工程专业主要课程关系结构图
1年级秋季学期1年级春季学期2年级秋季学期2年级春季学期3年级秋季学期3年级春季学期4年级秋季学期
频率合成技术-锁相环路的应用
满足不同频段和应用的需求，实现频率合成器在宽频带范围内 的多频段兼容。
随着频率资源的日益紧张，如何实现更高精度、更低相位噪声 、更宽频带的频率合成成为未来发展的关键问题。
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锁相环路的局限性包括
跟踪速度较慢、容易受到外部干扰和 温度变化的影响等。
04
锁相环路的实际应用案例
通信系统中的锁相环路
信号解调与调制
01
锁相环路在通信系统中用于信号解调与调制，确保信号的准确
传输和解码。
载波恢复
02
在数字信号传输过程中，锁相环路用于恢复载波，以便正确解
调信号。
频率合成
03
锁相环路作为频率合成器，产生所需的频率，为通信系统提供
05
频率合成技术的发展趋势与展 望
高性能频率合成技术的研究进展
相位噪声降低技术
通过改进电路设计、优化元件选择和采用先进的制程技术，降低相位噪声，提高 频率合成器的性能。
快速频率切换技术
研究和发展更快的频率切换速度，以满足通信系统对快速频率跳变的需求。
新型频率合成技术的探索与应用
光学频率合成技术
频率合成技术-锁相环路的应用
目录
• 频率合成技术概述 • 锁相环路的基本原理 • 频率合成技术中的锁相环路 • 锁相环路的实际应用案例 • 频率合成技术的发展趋势与展望
锁相技术ppt课件
3. 下变频PLL频率合成器
标准参 考频率
环路锁定时： 采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为
。
实例：调频收音机中本振信号的产生
FM波段：88----108MHZ；中频频率：10.7MHZ；
频段内各电台载频之间的间隔
。要求采用
下变频PLL频率合成器产生本振信号，且混频频率为
90MHZ。 FM收音机本振频率范围：98.7----118.7MHZ
10次分频中进 行7次5分频， 3次6分频。
100次分频中进 行65次27分频， 35次28分频。
五、频率合成器实例
例1.用MC145106构成的单环锁相频率合成器（民用电台）
设计要求：
①电台为同频单工工作方式
②各信道之间的频率间隔为5KHZ
③电台发射状态产生主振载波，26.965--27.405MHZ。
支路
同相
正交支路：
支路
LPF
同相支路：
LPF
同相-正交环和平方环的比较： ①误差电压 和平方环一样，只是 有差别，因此， 平方环的动态方程及相位模型完全适应同相-正交环。
②同相-正交环中的相乘器、LPF和平方环中的平方器、 带通滤波器的作用可以等效。 ③同相-正交环的工作频率是载波频率 ，平方环的 工作频率是 。
②. 间接频率合成----应用锁相环实现频率合成
《锁相技术第章》课件
可能是由于环路参数设置不当或外部干扰 过大，可通过调整环路参数或减小外部干 扰解决。
06
锁相技术的应用与发展趋 势
在通信系统中的应用
载波频率合成
锁相技术用于实现高精度、低成 本的载波频率合成，提高通信系
统的性能和稳定性。
信号解调
在数字信号解调中，锁相环用于提 取载波信息，实现信号的正确解调 。
锁相技术在测量仪器中用于高精度和 高稳定性的信号频率、相位和振幅测 量和控制。
电力系统
锁相技术在电力系统中用于同步测量 和控制系统频率、相位和振幅，提高 电力系统的稳定性和可靠性。
02
锁相环路的基本组成
鉴相器
鉴相器是锁相环路中的核心元件 之一，用于比较输入信号和压控 振荡器输出的信号之间的相位差
仿真验证法
利用仿真软件模拟环路行为，验证环路设计 的正确性。
测试系统搭建与性能评估
测试系统搭建
性能评估指标
根据锁相环路的特性，搭建相应的测试系 统，包括信号源、示波器、频谱分析仪等 。
设定环路性能评估指标，如锁定时间、跟 踪精度、噪声性能等。
测试步骤
性能评估
按照设定的测试步骤，对环路进行测试， 记录测试数据。
他类型的信号。
它用于与压控振荡器输出的信号 进行比较，以产生相位误差电压
。
输入信号源的稳定性和纯净度对 环路的性能有重要影响。
锁相环频率合成技术及其应用
射 机 输 出 频 率 稳 定 度 和频 率 准 确 度 的严 格 要 求 ， 以 及 方 便 更 换 发 射 机 频 率 的需 要 ，在 固态 调 频 发 射 机
中普 遍 使 用 了锁 相 技 术 和频 率 合 成 技 术 。锁 相 环 频
率 合 成 器 成 为 固 态 调 频 发 射 机 重 要 的组 成 部 分 。 锁 相 环 频 率 合 成 器 的 优 点 在 于 其 能 提 供 频 率 稳 定 度 很
定。
４． 加 上 高 压 ，调 整 脉 持 头 的 占 空 比 ，使 调 制 级 ６
的 工 作 状 态 与 原 电路 状 态 一 样 。测 试 机 器 指 标 ，优 于原 电路 。
５ 固态 脉 放 优 点
５． 固 态 放 大 电 路 无 须 预 热 ，且 体 积 小 ，能 很 快 ７
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文章 编号 ： １ ０ － ５ ２ 【０ ２ ９ ０ ２ — ０ ０ ６－ ６ ８ ２ ０ ）０ — ０ ３ ２ －
《 部广 播 电视＞ ２ ０ 西 ０ ２年 第 ９期
锁 相 环 频 率 合 成 技 术 及 其 应 用
何建国
【 西 广 播 电 视 １４台 。广 西 广 ０ 南 宁市 ５００ ） ３ ０ ０
在 当 今 的调 频 广 播 发送 技 术 中 ，为 了适 应 对 发
锁相环及频率合成器的原理及电路设计方案介绍
锁相环及频率合成器的原理及电路设计方案介绍
引言
锁相环简称PLL,是实现相位自动控制的一门技术，早期是为了解决接收机的同步接收问题而开发的，后来应用在电视机的扫描电路中。由于锁相技术的发展，该技术已逐渐应用到通信、导航、雷达、计算机到家用电器的各个领域。自从20世纪70年代起，随着集成电路的发展，开始出现集成的锁相环器件、通用和专用集成单片锁相环，使锁相环逐渐变成一个低成本、使用简便的多功能器件。如今，PLL技术主要应用在调制解调、频率合成、彩电色幅载波提取、雷达、FM立体声解码等各个领域。随着数字技术的发展，还出现了各种数字PLL器件，它们在数字通信中的载波同步、位同步、相干解调等方面起着重要的作用。
随着现代电子技术的飞快发展，具有高稳定性和准确度的频率源已经成为科研生产的重要组成部分。高性能的频率源可通过频率合成技术获得。随着大规模集成电路的发展，锁相式频率合成技术占有越来越重要的地位。由一个或几个高稳定度、高准确度的参考频率源通过数字锁相频率合成技术可获得高品质的离散频率源。
1 锁相环及频率合成器的原理
1.1 锁相环原理
PLL是一种反馈控制电路，其特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因PLL可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以PLL通常用于闭环跟踪电路。PLL在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相同时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是PLL名称的由来。PLL通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，PLL组成的原理框图如图1所示。
锁相技术与频率合成器(讲座复习资料)
锁相技术和频率合成器
第一节教学主要内容
一、反馈控制电路
(一)基本概念
1．采用反馈控制电路的目的是提高通信系统的技术性能，或者实现某些特殊的高指标要求。
2．通信系统中常用的有自动振幅控制、自动频率控制和自动相位控制。
3．反馈控制电路是由被控对象和反馈控制器两部分组成。
图10-1反馈控制电路的组成方框图
4．反馈控制电路中X o为系统的输出量，X R为系统的输入量，是反馈控制器的比较标准。
5．根据实际工作的需要，每个反馈控制电路的X o和X R之间都具有确定的关系，例如X o=g(X R)。若这一关系受到破坏，则反馈控制器就能够检测出输出量和输入量的关系偏离X o=g(X R)的程度，产生相应的误差量X e, 加到被控对象上对输出量X o进行调整，使X o和X R之间的关系接近或恢复到预定的关系X o=g(X R)。
(二)自动相位控制电路(锁相环路)
1．用途：在通信系统中能实现频率合成、频率跟踪等许多功能。
2.锁相环路的被控量是相位，被控对象是压控振荡器(VCO)。在反馈控制器中对振荡相位进行比较。利用误差量对VCO的输出相位进行调整。
图10-4自动相位控制方框图
3. VCO 输出电压的相位受u c 控制。而u c 是VCO 的输出电压的相位θV 和环路输入相位θR 经鉴相器产生的误差电压u e 经环路滤波器后得到的控制电压。
4．控制环路的输入量为θR ，输出量为θV 。
二、自动相位控制电路(锁相环路)
(一)锁相环路的基本原理
1．鉴相器及其相位模型
(1)功能：比较输入信号相位和VCO 输出信号的相位，其输出电压和两信号的相位差成正比。
锁相技术
<>报告
**:***
学号:*************
**:***
报告要求:
1、锁相技术的发展历史
2、频率合成技术的应用
3、设计锁相电路
一、锁相技术的发展历史
频率源是现代电子系统的重要组成部分，被称为许多电子系统的“心脏”。在通信、雷达和导航等设备中，它既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振荡器；在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，它可以作为标准信号源。随着现代电工电子技术的不断发展，人们对频率源的要求越来越高。性能卓越的频率源均通过频率合成技术来实现。频率合成技术，就是将一个(或多个)基准频率变换成一个(或多个)合乎质量要求的所需频率的技术。频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，到现在大概经历了三代的发展过程。
1、第一代一直接模拟频率合成(DAFS)技术
直接模拟频率合成(Direct Analog Frequency Synthesis)技术是一种早期的频率合成技术，原理简单，易于实现。它由模拟振荡器产生参考频率源，再经谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频、分频和滤波等处理产生大量的离散频率。根据所使用的参考频率的数目不同可分为非相关合成方法和相关合成方法两种类型。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供。它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高。相关合成方法只是用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样。直接模拟频率合成方法的优点是频率转换时间短、相位噪声低，但由于采用大量的混频、分频、倍频和滤波等模拟硬件设备，使频率合成器的体积大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量，大多数硬件的非线性影响难于抑制。
桂工锁相技术 第七章 锁相频率合成
f 0 ~ 9
10
概述
③ 相干直接频率合成
参 考 频 率
六个输出频率, 频率间隔为 0.5MHz,且可以同 时输出
相干直接合成框图
概述
直接数字合成DDS 概念
DDS技术——把一系列数字量形式的信号通过数/模转换 器转换成模拟量形式的信号合成技术。 DDS有两种基本合成方式：
(1)根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机 进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时地送入 数／模转换器，从而合成出所要求频率的正弦波信号。 合成信号频率较低，一般在几十kHz左右； (2)利用高速存储器将正弦波的样品存在其中，然后以查表 的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速D／A转换器，变换 成所设定频率的正弦波信号。
到微秒(μs)；
DDS合成法， ts已可以做到纳秒(1ns=10-9s)级； PLL合成法：ts主要取决于环路的锁定时间。目前PLL频
率合成的换频时间ts大约为参考频率周期的25倍左右,即
25 ts fr
本章作业
N1
fr
N2
PD1
LF1
VCO1
f1
混频
N3
PD2 LF2 VCO2
变模分频合成器
合成器集成电路 晶振 参考分频器
fr fd
PD LF VCO
fo
N1
锁相与频率技术
锁相与频率技术
第一章
1；锁相环路是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号瞬时相位与输入信号瞬时相位的控制关系，
2；固有频差：输入信号环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频差。
3；锁相环路的两种基本工作状态：锁定状态和失锁状态，
4；捕获过程：从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程。
5；捕获带：对一定的环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差----若---超过某一范围，环路就不能捕获了，这个范围的大小是锁相环路的一个重要性能，称为环路的捕获带---
6；稳态相差：当环路进入同步状态之后，环内被控振荡器的振荡频率已等于输入信号频率，也就是说输出信号已锁定在输入信号上。两信号之间只差一个固定的相位，这就是锁定以后的稳态相差，是一个很小的值。
7；同步带：锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为同步带，
8；锁相环路的基本构成框图及基本工作原理：
9；鉴相器电路的分类及工作原理：第一类是相乘器电路，它是对输入信号波形与输出信号波形的乘积进行平均，从而获得直流的误差输出，第二类是序列电路，它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数，
10；常用的三种环路滤波器：RC积分滤波器、无源比例滤波器、有源比例滤波器三种。
11；压控振荡器是一个电压与频率变换装置，环路中要求压控振荡器的输出是相位。
12；压控振荡器输出的是相位的原因？锁相环路中要求压控振荡器输出的是相位，因此，这个积分作用是压控振荡器所固有的，正因为这样，通常称压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节，
锁相与频率合成课程的仿真与实验研究
２ 锁相环 实验 仿真的实现
２ １ 一 阶无 源滤 波器原 理 分析和 仿真 设计 ． 最 简单 的环路 滤 波器 是一个 滤 波 电容 。但 是这
分量 后 ，再加 到 压控 振荡 器上 ，控 制压 控振 荡 器 的 相位 变 化 ，使 输 人信 号与 压控 振荡 器 之 间的相 位差
逐渐 减小 ，最 后 达到 动态 锁定 ¨ 。 其 中环路 滤 波器 可 以滤 除鉴相 器输 出信 号 中的
了一 种 电荷 泵 锁 相 环 的 三 阶 环 路 滤 波 器 的 设 计 方 法 ，并基 于 Ａ Ｆ ３０—８ 相 环芯 片对 设 计结 果 进 Ｄ ４６ 锁
由 一 阶 滤 波 器 的 幅频 相 频 仿 真 结 果 图可 以看
出，一阶 Ｒ Ｃ低通滤波器截止频率处 的增益 为 一 ３
环闭环时系统稳定 ，我们采用一个滤波电容与一个 电阻 相 串连构成 一 阶无 源环 路滤 波器 。 Ｒ 和 ｃ 相结合在环路滤波器的阻抗传输 函数 ， 中产生一个零点 ，从而也在锁相环开环传输 函数 中
产生一 个零 点 ，这 个零 点提 高 了相位 裕度 ，并 且使 锁相 环 闭环时稳 定 。为 了进 行稳定 的设 计必 须要 对
近年 来 ，以计算 机 技术 为 基础 的仿真 实 验 已经 成为辅 助 实验 教 学 的一 个有 力 工具 。本 文利 用 电路 仿 真 软件 Ｐ ＰＣ Ｓ ＩＥ实现 了锁 相 与频 率 合 成 课 程 实 验
频率合成技术原理
频率合成技术原理
频率合成技术是一种用于产生特定频率的信号的技术。通过频率合成
技术，我们可以将一个或多个较低频率的信号组合在一起，从而得到一个
高频率的合成信号。频率合成技术在通信系统中得到广泛应用，特别是在
无线通信和雷达系统中。
基于锁相环的频率合成是一种广泛使用的方法，它利用了锁相环电路
的特性。锁相环电路由相位比较器、环路滤波器、VCO（控制电压振荡器）和分频器组成。其工作原理如下：
1.相位比较器：相位比较器用于比较参考信号和VCO输出信号的相位差。如果相位差存在，则相位比较器将产生一个纠偏信号。
2.环路滤波器：环路滤波器用于平滑纠偏信号，以便更好地控制VCO
的频率。
3.VCO：VCO的频率受到环路滤波器输出信号的控制。如果纠偏信号
存在，则VCO的频率将增加或减小，以减小纠偏信号。
4.分频器：分频器将VCO的输出信号进行分频，以便产生所需的最终
频率。
通过调节参考信号和锁相环中的其他参数，我们可以得到所需的合成
频率。基于锁相环的频率合成技术具有输出信号频率非常稳定的优点，可
以实现高精度的频率合成。
另一种常见的频率合成技术是直接数字合成（DDS）技术。基于DDS
的频率合成器使用数字信号处理器（DSP）和相位累加器来产生输出信号。
1.相位累加器：相位累加器是一个数字计数器，用于累加一个固定的相位步进值。这个相位步进值由控制器传递给相位累加器，并决定了输出信号的频率。
2.数字信号处理器：DSP接收相位累加器的输出，并使用一种数学公式将其转换为合成频率的数字表示。该数字信号随后通过数字模拟转换器（DAC）转换为模拟信号。