频率合成器的设计与制作

频率合成器的设计与制作

这次课程设计的主要内容是频率合成器的设计与制作，首先了解什么是频率合成器。它有哪几个部分组成，哪些参数对它的技术指标有影响，然后是选择元器件，搭试电路，排版安装，测试数据，分析结果。

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。

频率合成器：通过对频率进行加、减、乘、除的运算，可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。

频率合成的方法很多，大致可分为直接合成法和间接合成法俩种。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。直接合成法的优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。但它也存在一些不可克服的缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于大量的倍频，混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。而间接合成法就是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。频率合成器是从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件。它在信息通信方面得到了广泛的应用，并有新的发展。

频率合成器的核心组成是锁相环路（PLL）。锁相的意义是一种相位负反馈控制系统，它利用相位的稳定来实现频率锁定，即“锁相”。控制电路是利用反馈原理实现对自身的调节与控制。AGC、AFC、PLL 分别对交流信号的三个参数振幅、频率、相位进行自动控制。能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。实现锁相的方法称为“锁相技术”。锁相环路广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

这里首先对锁相环路作一个简单介绍。

9.1 锁相环路的基本组成及工作原理

9.1.1 锁相环路的基本组成

锁相环路的基本组成框图如图9.1.1所示。

锁相环主要由鉴相器（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。

鉴相器（PD）实现相位差——电压的转换。将鉴相器替代AFC 系统中的鉴频器就得到锁相环路的方框图。

鉴相器（鉴相器）（PD）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成，如图1所示。

图1

图9.1.1 锁相环路的基本组成框图

压控振荡器的输出Uo接至鉴相器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于鉴相器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压Ud正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uc(t)作为控制电压。显然，平均值电压uc(t)将随着相位差的变化作相应的变化。而uc(t)加到VCO的控制输入端，从而控制VCO的振荡频率，朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，于是uo(t)与ui(t)的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定值，即二者的相位被“锁定”。容易理解，当相位被锁定后，输入信号频率ωi与输出信号频率ωo必然相等。两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。注意：环路锁定后，相位差不可能为零，否则就没有控制量。

下面通过电路仿真来讨论锁相环路的各部分工作原理。

1．鉴相器（PD）

鉴相器：用来检测输出信号uo(t)与输入信号ui(t)之间的相位差，并转化为误差电压ud(t)。

有两个输入一个是环路的输入信号ui(t)，另一个是VCO的输出信号uo(t)

一个输出是与输入信号ui(t)相位差成比例的误差电压ud(t)

举例：用模拟乘法器来实现鉴相器的功能。

可设输出电压和输入电压分别为

uo(t)=Uomcosωot

ui(t)=Uimsinωit +

ud(t)=K uo(t) ui(t)=K Uomcosωo t Uimsinωit

=1/2 K UomUim[sin(ωo+ωi )t + sin(ωi -ω o)t]

第一项为高步分量，不能通过低通滤波器

则ud(t)= 1/2 K UomUim sin(ωi -ω o )t

令(ωi -ω o )t=θe(t) kd=1/2 K UomUim为鉴相灵敏度。

则ud(t) = kd sinθe(t)

鉴相特性如下图：

θe(t)

由于模拟乘法器构成的鉴相器的ud与θe的关系是正弦型的，所以这种鉴相器又称为正弦型鉴相器。

在实际工作中，θe很小，当θe＜300时

sinθe=θe

则ud(t) = kd θe(t)

鉴相器输出电压ud 与两输入信号之间的相位差θe 有关，且当θe 约在-300到300范围内，ud 和θe 的关系才近似为线性的，

2．环路滤波器（LF ）

环路滤波器是一个低通滤波器，它对环路的正常工作有重大影响，因此它也是锁相环路中的一个基本环节。图9.1.3所示为一简单RC 低通滤波器。

环路滤波器的作用是把鉴相器输出电压中的高频分量及干扰杂波抑制掉，而让鉴相器输出电压中的低频分量或直流分量通过。

图9.1.4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。此类滤波器也称为比例积分滤波器。 C

R2

（a ）

（b ）

比例积分滤波器

（a）无源比例积分滤波器（b）有源比例积分滤波器3．压控振荡器（VCO）

压控振荡器是瞬时角频率受控制电压控制的一种振荡器，实际上是一种电压-频率变换器。压控振荡器的电路形式很多，图所示电路为用变容二极管D1的电容Cj来调节振荡器的频率的电路，这是一种简单的压控振荡器。

Uc

2V

压控振荡器的仿真

压控振荡器振荡频率的变化量∆fv与控制电压∆uC有关，且从总体上看，∆fv与∆uC的关系近似为线性的。

以上说明的是环路滤波器的输出电压是怎样改变压控振荡器角频率（ωv=2πfv）的。在锁相环路中，改变的振荡角频率还要送回到鉴