基于PLL信号发生器的设计说明

1 引言

随着通信技术、数字电视、航空航天和遥控技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率围和输出频率数量的要求也越来越高。为了提高频率的稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它很难产生多个频率信号。而频率合成技术，可以通过对频率进行加、减、乘、除运算，从一个高稳定度和高准确度的标准信号源，产生大量具有同样高稳定度和高准确度的不同频率。频率合成器是从一个参考频率中产生多种频率的器件。基于频率合成器的这以一特点，利用锁相式频率合成技术，可以制作高稳定度、宽频带的正弦波信号发生器。

2 设计要求

利用锁相环技术产生一个失真度小、频率从30MHz到100MHz的可调的正弦波信号。根据频率的不同选择不同步进的标准频率。当信号处于较低频率时，选择步进为1KHz的标准频率，此时它的最小误差不大于0.8%；当信号在较高的频率段时，选择以25 KHz为标准频率，它的最小误差不大于0. 5%。

3方案论证与比较

3.1 压控振荡器方案论证与选择

方案1：采用分立元件构成。利用低噪声场效应管，用单个变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件。

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图3-1 压控振荡电路

电路是电容三点式振荡器，如图3-1所示。该方法实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易灵活控制[1]。

方案2：采用压控振荡器和变容二极管，及一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变压控振荡的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。

综上所述，方案2具有更优良的物性和更简单的电路构成，所以使用方案2作为

本次设计的方案。

3.2 频率合成器的设计方案论证与选择

方案1:采用直接式频率合成器技术,将一个或几个晶体振荡器产生的标准频率通过谐波发生器产生一系列频率,然后再对这些频率进行倍频、分频或混频，获得大量的离散频率。其组成框图如3-2所示。直接式频率合成器频率稳定度高，频率转换时间短，频率间隔小。但系统中需要用大量的混频器、滤波器等，体积大，易产生过多杂散分量，而且成本高、安装调试都比较困难。

图3-2 直接式频率合成

方案

2：采用模拟锁相式频率合成器技术，通过环路分频器降频，将VCO 的频率降低，与参考频率进行鉴相。优点：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器的工作频率不高，频率变化围不大，较容易实现，带带外噪声和锁定时间易于处理，频率稳定度

与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是分频率的提高要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较复杂[2]。

方案3：采用数字锁相环式频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相（FD/PD ）、环路滤波器（LPF ）、可变分频器（÷N ）和压控振荡器（VCO ）组成。组成框图如图5-1所示。利用锁相环，将VCO 的输出频率锁定在所需频率上。此电路可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，采用大规模的集成芯片，与前两种方案相比可以简化频率合成部分的设计，有利于集成化和小型化。频率合成采用大规模集成PLL 芯片BU2614，VCO 选用MC1648；

综上所述，选择方案3即采用大规模PLL 芯片BU2614和其他芯片构成数字锁相环式频率合成器。

4 系统组成

根据要求设计信号发生器，输出信号为正弦波。设计中采用锁相环式的频率合成技术，利用锁相环，使输出的正弦波频率与晶体振荡器的稳定度一样。控制部分采用单片机来完成，利用数码管对频率进行显示并对频率值进行存储。系统框图如图4-1所示

图4-1系统框图

5 锁相环介绍

5.1 锁相环的概念

锁相环是指使高频振荡器的频率与基准频率的整数倍频率一致时所使用的电路。通常基准振荡器都使用晶体振荡器，所以高频振荡的频率稳定度与晶体振荡器相同。

5.2 锁相环基本框图

图5-1是锁相环的基本结构图，由VCO 、相位比较器、基准频率振荡器、环路滤波器所组成的。在这里用r f 表示基准频率振荡器频率，0f 则表示VCO 的频率。当压控振荡器的频率0f 由于某种原因而发生变化时，必然相应地产生相位的变化。相位

图5-1 PLL 的基本结构图

的变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位r f 相比较，使鉴相器输出一个与

相位误差成比例的误差电压分量υC (t)。υC (t)用来控制压控振荡器中的压控元件参数，一般指的是变容二极管，而这压控元件又是VCO 振荡回路的组成部分，结果压控元件电容量的变化将VCO 的输出频率0f 又拉回稳定值来。这样，VCO 的输出频率稳定

度即由参考晶体振荡器所决定。

由频率与相位的关系可知，瞬时频率与瞬时相位的关系是：

ω（t ）= (5.1)

)(t θ= +0θ (5.2)

式中的0θ为初始相位，)(t ω为瞬时频率。

由上面讨论可知加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为：

0ωωω-=∆r (5.3)

γω为参考晶体振荡器的频率，0ω 压控荡频率。

此时的瞬时相位差为

)(t e θ= +0θ (5.4) 当两个振荡器的频率相等时它们的瞬时相位差是一个常数0θ，即：

)(t e θ=0θ (5.5)

Δω（t ）= =0 (5.6)

亦即当两个振荡频率相等时，有相位差，无频率差[3]。

5.3 鉴相器的时序图

当r f 与 0f 的关系为r f >0f 。也就是VCO 振荡频率0f 低于r f 时的状态。此时相位比较器的输出PD ，如图5-2所示，产生正脉冲信号，使VCO 的振荡频率提高的信号。反之，当r f <0f 是产生负脉冲。这一PD 脉波信号经过回路滤波器的积分，便可

图5-2相位/频率比较器的动作

dt

d θ

⎰dt t )(ωdt

t d )

(θ⎰∆

dt t )(ω