第4章 数字频率合成器的设计分析

第4章数字频率合成器的设计随着通信、雷达、宇航和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数提出越来越高的要求。

为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。

频率合成是通信、测量系统中常用的一种技术,它是将一个或若干个高稳定度和高准确度的参考频率经过各种处理技术生成具有同样稳定度和准确度的大量离散频率的技术。

频率合成的方法很多，可分为直接式频率合成器、间接式频率合成器、直接式数字频率合成器( DDS)。

直接合成法是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。

该方法频率转换时间快(小于100ns)，但是体积大、功耗大，目前已基本不被采用。

锁相式频率合成器是利用锁相环（PLL）的窄带跟踪特性来得到不同的频率。

该方法结构简化、便于集成，且频谱纯度高，目前使用比较广泛。

直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称：DDS）是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM，D/A转换器和低通滤波器构成，DDS技术是一种新的频率合成方法，它具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。

但合成信号频率较低、频谱不纯、输出杂散等。

这里将重点研究锁相式频率合成器。

本章采用锁相环，进行频率合成器的设计与制作。

4.1 设计任务与要求1．设计任务：利用锁相环，进行频率合成器的设计与制作2．设计指标：（1）要求频率合成器输出的频率范围f0为1kHz～99kHz；（2）频率间隔 f 为1kHz；（3）基准频率采用晶体振荡频率，要求用数字电路设计，频率稳定度应优于10－4；（4）数字显示频率；（5）频率调节采用计数方式。

3.设计要求：（1）要求设计出数字锁相式频率合成器的完整电路。

（2）数字锁相式频率合成器的各部分参数计算和器件选择。

（3）画出锁相式数字频率合成器的原理方框图、电路图（4）数字锁相式频率合成器的仿真与调试。

4．制作要求：自行装配和调试，并能发现问题解决问题。

测试主要参数：包括晶体振荡器输出频率；1/M分频器输出频率；1/N可编程分频器的测试；锁相环的捕捉带和同步带测试。

5．课程设计报告要求。

写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

6．答辩要求在规定的时间内，完成叙述，并回答提问。

4.2 频率合成器的组成及工作原理频率合成器是现代通信设备的重要组成部分，频率合成技术是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。

锁相式频率合成器, 其优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成, 具有极低的相位噪声和杂散。

是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。

4.2.1 数字锁相式频率合成器的组成数字锁相式频率合成器根据信道间隔和工作频率可分为间接式频率合成器和吞脉冲式频率合成器。

（1）基本单环锁相频率合成器如图 4.2.1所示是一个典型的基本单环锁相频率合成器的原理图。

它由参考振荡源、参考分频器一个典型的频率合成器主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）和可编程分频器组成。

图4.2.1 基本单环锁相频率合成器组成框图它仅在锁相环的反馈支路中插入一个可编程控制的分频器（N）。

信号源产生一个标准的参考信号源, 输出频率为fI, 经过R 次分频后,得到频率为fR 的参考脉冲信号。

且f r = f i/ R , f r 加至鉴相器。

另一方面, 压控振荡器产生频率为f 0 的信号, 并经过可变分频器的N次分频后获得反馈信号, 频率为f N 。

鉴相器输出相位误差信号, 经过环路滤波器后, 送到压控振荡器, 调整其输出频率 f o , 在环路锁定时，鉴相器两输入的频率相同，同时压控振荡器输出经N 次分频后得到频率为fN 的脉冲信号，它们通过鉴相器进行比相。

当环路处于锁定状态时，fR = fN = fo /N ，则：R N o Nf Nf f ==。

显然，只要改变分频比N ，即可达到改变输出频率fo 的目的，从而实现了由fR 合成fo 的任务。

在该电路中，输出频率点间隔∆f=fR 。

这样，环中带有可变分频器的PLL 就提供了一种从单个参考频率获得大量频率的方法。

环中的除N 分频器用可编程分频器来实现，这就可以按增量fr 来改变输出频率。

这是组成锁相频率合成的一种最简便的方法。

（2）变模分频锁相频率合成器变模分频锁相频率合成器也称吞脉冲式数字锁相频率合成器。

在基本的单环锁相频率合成器中，VCO 的输出频率是直接加在可编程分频器上的。

目前可编程分频器还不能工作到很高的频率，这就限制了这种合成器的应用。

加前置分频器后固然能提高合成器的工作频率，但这是以降低频率分辨力为代价的。

若以减小参考频率fr 的办法来维持原来的频率分辨力，这又将造成转换时间的加长。

最好的办法在不改变频率分辨力的同时提高合成器输出频率的有效方法之一是采用变模分频器，也称吞脉冲技术。

它的工作速度虽不如固定模数的前置分频器那么快，但比可编程分放器要快得多.图4.2.2就是一个采用双模分频器的锁相频率合成器。

0N 1N N N 0A 1A N A图4.2.2 变模分频锁相频率合成器组成框图为保证足够小的信道间隔和比较高的工作频率，可采用吞除脉冲式数字锁相频率合成器。

所谓“吞除脉冲”技术，就是采用高速双模前置分频器，有两个分频模数，当模式控制为高电乎时分频模数为P+1，当模式控制为低电平时分频模数为P 。

双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，它们分别是主计数器N 和吞食计数器A ，通常N计数（分频）器的级数大于 A 计数器的级数，即 N ＞A 。

并进行减法计数。

模式控制信号由两个可编程分频器产生，工作过程如下：双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，它们分别预置在N 和A ，N 、A 计数器同时开始计数，并进行减法计数。

在除A 和除N未计数到零时，模式控制MC为高电平，前置分频比为P+1,双模分频器的输出频率为fo/(P十l)。

在输入A(P十1)周期之后，A计数达到零，将模式控制电平变为低电平，同时通过与门电路封锁A计数器的计数禁止端，使之停止计数，此时，除N分频器还存有N-A。

由于受模式控制低电平的控制。

双模分频器的分频模数变为P，双模分频器的输出频率为f o/P,再经(N-A)P个周期，除N，计数器也计数到零，输出低电平，将两计数器重新赋于它们的预置值N和A，同时对鉴相器输出比相脉冲，并将模式控制信号恢复到高电平。

在一个完整的周期中输入的周期数为N =A(P+1)+(N－A)P=PN+Af o=(PN+A)f N=PNf R+Af R合成频率点间隔为f R。

在这种采用变模分频器的方案中也要用可编程分频器，这时双模分频器的工作频率为合成器的工作频率fo，而两个可编程分频器的工作频率为f O/P或f O/(P十1)。

合成器的频率分辨力仍为参考频率f R，这就在保持分辨力的条件下提高了合成器的工作频率，频率转换时间也没有受到影响。

可见，合成频率点间隔变为fR。

吞脉冲式频率合成器的主要产品有MC145152、MC145156等，内部具有６位吞除计数器．这种ＰＬＬ可编程频率合成器的稳定度和准确度与基准频率相当，无额外误差，在通信领域有广泛的应用。

4.2.2 锁相环路的工作原理锁相环（PLL）是一个相位误差控制系统，利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术。

锁相环通过比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。

在环路开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器末加控制电压时的振荡频率是不同的。

由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，鉴相器输出的误差电压就在某一范围内摆动。

在这种误差电压控制之下，压控振荡器的频率也就在相应的范围之内变化。

若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率上稳定下来(当然只有在一定的条件下才可能这样)。

达到稳定之后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位差不再随时间变化，误差控制电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。

1.环路组成锁相环路的基本组成框图如图4.2.3所示。

它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，其中，PD和LF构成反馈控制器，而VCO就是它的控制对象。

图4.2.3 锁相环路的基本组成框图(1)鉴相器(PD)鉴相器是一相位比较装置，组成框图如图 4.2.4，鉴相器是相位比较装置。

它把输入信号vi(t)和压控振荡器的输出信号vo(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压vd(t)。

若PD为线性鉴相器，输出误差电压ud可表示如下：ud =Kdθe (θe =θR –θV)其中Kd 称为鉴相灵敏度，单位为V/rad 。

图4.2.4 鉴相器的框图可用模拟乘法器来实现鉴相器的功能。

利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图4.2.5所示。

图4.2.5 等效鉴相器设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压uD为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。

即uC（t）为：式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时相位。

令θc（t）= △ωt+θi（t）-θO（t）为两相乘电压的瞬时相位差。

则ud(t)=Kdsinθc(t)这就是相乘器作为鉴相器时的鉴相特性。

可见它是正弦特性。

在锁相环中实际采用的鉴相电路有许多，这里只是把相乘器作为鉴相器的一个通用数学模型，供分析环路之用。

(2)环路滤波器在锁相环路中，环路滤波器实际上就是一个低通滤波器，其作用是滤出除鉴相器输出的误差电压ud中的高频分量和干扰分量，得到控制电压uC ,常用的环路滤波器有RC 低通滤波器、无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器等。

RC 低通滤波器图4.2.6 一阶RC 低通滤波器图4.2.6为一阶RC 低通滤波器，它的作用是将ud 中的高频分量滤掉，得到控制电压uc 。

它的传输函数为ωτωωωj c j R C j t v t v j F +=+==111/1)()()(d c 1式中，τ =RC 为时间常数。

由此绘出一阶低通滤波器的幅频特性如图4.2.7所示：上限截止频率为fH ，通频带fbw =fH 。

图4.2.7一阶RC 低通滤波器幅频特性图4.2.8所示电路为较常用的滤波器，一般R2<< R1，其作用是减少高频信号的衰减，从而提高锁相环路的捕捉和跟踪（频率）范围，但抗高频干扰的性能下降。