RF讲座三(PLL频率合成技术解析

uD
e (t ) i (t ) o (t )
2p
p
p/2
p/2
p
2p
uD (t ) Ad sin[ e (t )] Ade (t )
鉴相灵敏度，单位为V/rad
e
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数字鉴相器
CD4046为例来说明其原理
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输 入信号放大与整形电路、内部稳压器等。 具有电源电压范围宽（5~15V）、功耗低、输入阻抗 高等优点。工作频率0~1MHz 内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL 电平或CMOS电平兼容。 具有相位锁定状态指示 成都信息工程学院
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2.2 锁相环路的基本工作原理
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
wo uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
若wi ≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化 →uD(t) 与瞬 时误差相位成正比→uc(t)滤除了高频分量和噪声→ wo ， 去接近wi 最终使 wi = wo，相位误差为常数，环路锁定，这时 的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。 成都信息工程学院
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1.3 频率合成器的主要技术指标
1. 频率范围
输出最低频率fomin和最高频率fomax 之间的变化范围。
实际中每个分波段由一个VCO来满足分波段频率范围
2. 频率间隔fo（又称分辨率）
相邻频率之间的最小间隔
如VHF波段的调频通信机频率间隔为 25kHz/12.5kHz/5kHz。目前PLL频率合成器可做到 100kHz/10Hz/1Hz ，而DDS合成器可做到1Hz以下
2.6 环路滤波器（LF）
2.7 PLL特性和应用
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2.1 锁相环路基本组成
输入信号 (参考信号) ui (t) uD (t)
鉴相器
uo (t)
环路 滤波器
uC (t)
压控 振荡器
输出
uo (t)
wo
wi
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位，输出反映相 位误差的电压uD(t) 环路滤波器（LF）： 用以滤除误差信号中的高频分量和 噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO）： 在uC(t)控制下输出相应频率 fo 成都信息工程学院
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在锁定（同步）状态下，始终有ωo = ωi。这时 如果用示波器观察 ui与uo，两个波形都是清晰 稳定的。
ui uo
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2.4 鉴相器（PD）
模拟鉴相器（乘积型鉴相器和叠加型鉴相器）
i (t)
+
o (t)
e (t)
uD (t) LPF ADsin[e (t)]
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专题三：PLL频率合成技术
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一、频率合成技术概述
二、PLL基本原理 三、PLL频率合成器
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一、频率合成技术概述
1.1 频率合成器的作用 1.2 频率合成器的分类
1.3 频率合成器的主要技术指标
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1.1 频率合成器的作用
为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往 往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换 的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。 晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只 能在很小范围内微调。 频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系 列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基 准频率的相同，且频率转换的时间很短。
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2.3 锁相环路的捕捉与跟踪
捕捉过程：由失锁进入锁定的过程（失锁 锁定） 环路捕捉带：能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差， 常用 wp表示 跟踪过程：若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频 率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁 定的过程。由失锁进入锁定的过程（锁定 维持锁定) 跟踪带（同步带）：能够保持跟踪的输入信号频率与压 控振荡器频率最大频差范围，常用 wH表示 成都信息工程学院
指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与 各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。
PLL中主要来自VCO； DDS中来自内部器件的 非相干噪声。
多数来源于混频器。对称 分布于有用信号两侧
由放大器的非线 性特性产生
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二、PLL基本原理
2.1 锁相环路基本组成 2.2 锁相环路的基本工作原理 2.3 锁相环路的捕捉与跟踪 2.4 鉴相器（PD） 2.5 压控振荡器（VCO）
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1.2 频率合成器的分类
直接频率合成器
利用倍频、分频、混频等方法 直接产生。信号质量较差。
间接频率合成器（即锁相频率合成器）
利用锁相技术实现。结构简 单、输出频率成分频谱纯度 直接数字频率合成器DDS高，控制方便等优点。
基于全数字技术。输出频率可高达几百 MHz。它由参考时钟、相位累加器、只 读存储、DAC和滤波器等组成。 成都信息工程学院
4. 频率稳定度和准确度
频率稳定度指：在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离
标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的 相对值来表示。 频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率 误差。
频率合成器中输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。
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5. 频谱纯度
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3. 频率转换时间ts
从一个工作频率转换到另一个工作频率， 并达到稳定工作所需要的时间。它包含 电路延迟时间和PLL捕捉时间。
换频时间ts对不同的合成方式是完全不同的： 模拟直接合成法：ms级以下甚至到s级； DDS：纳秒级（1ns=10-9s） PLL频率合成：t s 25 f r
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捕捉带与同步带
uD(t) 当 wi 从低频至 高频缓慢变化时 O 当 wi 从高频至 低频缓慢变化时
未加控制电压 (即uD(t) = 0) 时的VCO振荡频率
wd wa
wP 失锁 锁 定
wo0 wc wb
锁 定
wi
捕捉带 wH
失锁
同步带
通常捕捉带小于同步带 成都信息工程学院