锁相环频率合成器

锁相技术课程论文

学院：电子与信息工程

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二ＯＯ九年十二月

锁相环频率合成器

南京信息工程大学电子信息工程专业07（2）班张娟娟20071305078

摘要：本文系统地阐述了锁相环频率合成器的基本工作原理，较深入地分析了锁相环路的组成和工作过程，仔细设计了原理图。为了改善环路的捕获性能，进一步抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由VCO控制电压的不纯而引起的寄生输出以及其他各种杂散噪声，对环路滤波器进行了重点设计，合理选择和计算了环路的参数，进而使得集成锁相环频率合成电路的功能得到了充分发挥，最后对设计进行了分析总结。

关键词：锁相环；频率合成；VCO；环路滤波

0.引言：随着现代电子技术的发展，具有高稳定性和准确度的频率源已经成通信、雷达、仪器仪表、高速计算机及导航系统的主要组成部分。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。随着集成电路制造工艺和无线通信技术的迅速发展,实现全集成、多制式、低成本的无线收发器已成必然趋势。频率合成器作为无线收发器中的核心单元电路,是决定收发器性能好坏的关键因素,也是实现全集成无线收发器的主要难点。

1．锁相环频率合成器的原理

1.1 锁相环原理

锁相环(PLL)是构成频率合成器的核心部件。主要由相位比较器(PD)、压控振荡器(VCO)、环路滤波器(LP)和参考频率源组成。

锁相环是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号反馈控制电路。他的被控制量是相位，被控对象是压控振荡器。如图1所示，如果锁相环路中压控振荡器的输出信号频率发生变化，则输入到相位比较器的信号相位θv(t)和θR(t)必然会不同，使相位比较器输出一个与相位误差成比例的误差电压Vd(t)，经环路滤波器输出一个缓慢变化的直流电压Vc(t)，来控制压控振荡器输出信号的相位，使输入和输出相位差减小，直到两信号之间的相位差等于常数。此时，压控振荡器的输出信号频率和输入信号频率相等，且环路处于锁定状态。1.2 锁相环频率合成器原理

如图2所示，锁相环频率合成器是由参考频率源、参考分频器、相位比较器、环路滤波器、压控振荡器、可变分频器构成。参考分频器对参考频率源进行分频，输出信号作为相位比较器参考信号。

可变分频器对压控振荡器的输出信号进行分频，分频之后返回到相位比较器输入端与参考信号进行比较。当环路处于锁定时有f1=f2，因为f1=fr/M，f2=fo/N，所以有fo=Nfr/M。只要改变可变分频器的分频系数N，就可以输出不同频率的信号。

2 基于CD4046的锁相环频率合成器的设计

2.1 集成锁相环CD4046介绍

单片集成锁相环CD4046采用CMOS电路工艺，特点是电源电压范围宽(3～18 V)，输入阻抗高(约100 MΩ)，动态功耗小。在电源电压VDD=15 V时最高频率可达1.2 MHz，常用在中、低频段。CD4046内部集成了相位比较器Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器以及线性放大器、源跟随器、整形电路等。

相位比较器Ⅰ采用异或门结构，使用时要求输入信号占空比为50％。当两路输入信号的高低电平相异时，输出信号为高电平，反之，输出信号为低电平。相位比较器Ⅰ的捕捉能力和滤波器有关，选择合适的滤波器可以得到较宽的捕捉范围。

相位比较器Ⅱ由一个信号的上升沿控制，他对输入信号的占空比要求不高，允许输入非对称波形，具有很宽的捕捉范围。相位比较器Ⅱ的输出和两路输入信号的频率高低有关，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑"0"，反之则输出逻辑"1"。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态。

压控振荡器需要外接电阻R1，R2和电容C1。R1，C1是充放电元件，电阻R2起到频率补偿作用。VCO的振荡频率不仅和R1，R2以及C1的取值有关，还和电源电压有关，电源电压越高振荡频率越高。

CD4046引脚和外围电路图如图3所示。

2.2 设计实例

本设计中输入为1kHz基准频率方波，输出可实现100kHz～200kHz之间，以1 kHz为步长的所有频率。

可变分频器由8位2进制可预置向下计数器CD40103，本设计使用无源比例积分滤波器，选择阻尼系数ξ为0.707，无阻尼振荡频率为2π*50rad/s，电路如下图所示：

2.3 电路的调试

在调试的过程中需注意R1，R2，C1的选取，选取不同的R1，R2，C1并合理设置可变分频系数N，就可获得不同频率范围的输出信号，同时根据所需情况注意选取合适的滤波器，设置不同的前置分频系数即可改变频率间隔。

该电路由于频率范围和频率间隔可根据具体需要进行调节，且输出信号频率具有高稳定性和准确性，可广泛作为离散信号源来使用，也可用于集成。此外，如用单片机对分频器的置数端进行控制，可更加方便地实现频率的调整。

5.结语

通过对频率合成器的简单设计，我对锁相技术这门课程的理解得到了提高，理论联系实际的能力也得到了提高，为今后在工程实践中灵活应用锁相打下电路基础。但在设计过程中也暴露了一些问题，在选取计算元器件数值时，不能很好地理清思路，说明了自身知识掌握不牢固，需要更努力地学习。

参考文献：

[1]张厥盛郑继禹万心平编著. 锁相技术（第1版）西安：西安电子科技大学出版社，1994