頻率合成器的設計

1、題目：頻率合成器 基于4046的鎖相環(huán)頻率合成器一、課程設計目的： 1.熟悉期間4046的基本原理和性能。 2.掌握頻率合成器的原理和合成技術。 3.熟悉和掌握所學的各個器件，芯片，以及熟練的應用。 4.理解入鎖和失鎖的概念和原理。 5.融會貫通所學的高頻知識，能夠靈活的應用和設計。 6.理解和熟練分析基本的電路。2、 課程設計題目描述和要求：頻率合成是以一個或少量的高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率作為參考頻率，由此導出多個或大量的輸出頻率，這些輸出的準確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應用于廣

2、播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成。頻率合成器有直接式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器及鎖相頻率合成器三種基本模式，前兩種屬于開環(huán)系統(tǒng)，因此是有頻率轉換時間短，分辨率較高等優(yōu)點，而鎖相頻率合成器是一種閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率轉換時間和分辨率均不如前兩種好，但其結構簡單，成本低。并且輸出頻率的準確度不遜色與前兩種，因此采用鎖相頻率合成。頻率合成器是一個系統(tǒng)，最初產(chǎn)生的一系列頻率為參考頻率的整數(shù)倍，參考頻率通常是固定的。這樣的合成器稱為整數(shù)N頻率合成器。頻率合成器技術也不斷前進，出現(xiàn)也很多新型的頻率合成電路，并在通信電

3、路中得到廣泛應用。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。頻率合成一個或少量的高準確度高穩(wěn)定的標準頻率作為參考頻率,由此導出多個或大量的輸出頻率.這些輸出頻率的準確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一致的,頻率合成器就是用來產(chǎn)生這些頻率的部件. 技術要求：1. 達到輸出為4-10M赫茲。 2.頻率間隔為5K赫茲。3.基于4046芯片的設計。3、 課程設計報告內(nèi)容及原理： 原理框圖如下，鎖相環(huán)路對穩(wěn)定度的參考振動器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的分頻器，通過改變分頻器的分配比N，從而就得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。晶體振蕩器輸出的信號頻率f1，經(jīng)固定分頻后（M分頻）得到基準頻率f1，輸入鎖相環(huán)的相位比較器（PC）。

4、鎖相環(huán)的VCO輸出信號經(jīng)可編程分頻器（N分頻）后輸入到PC的另一端，這兩個信號進行相位比較，當鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1/M=f1=f2/N 故 f2=Nf1 (f1為基準頻率)當N變化時，或者N/M變化時，就可以得到一系列的輸出頻率f2 3.1 鎖相環(huán)路設計基礎 這一部分首先闡明了鎖相環(huán)的基本原理及構成，導出了環(huán)路的相位模型和基本方程，概述了環(huán)路的工作過程， 1.鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)（PLL）是一個相位跟蹤系統(tǒng)。圖1-1顯示了最基本的鎖相環(huán)方框圖。它包括三個基本部件，鑒相器（PD） 環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（vco） 圖1-1 鎖相環(huán)的基本構成設參考信號 （1）式中 ur為參考信號的幅度

5、 r為參考信號的載波角頻率 r(t)為參考信號以其載波相位rt為參考時的瞬時相位 若參考信號是未調(diào)載波時，則r(t)= 1=常數(shù)。則輸出為： （2）式中 Uo為輸出信號的振幅 o為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率 o (t)為參考信號以其載波相位ot為參考時的瞬時相位, 在VCO未受控制前他是常數(shù)，受控之后他是時間函數(shù)。則兩信號之間的瞬時相位差為 （3）由頻率和相位之間的關系可得兩信號之間的瞬時頻差為 （4）鑒相器是相位比較器，他把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應于兩信號相位差e (t)的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以

6、保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。因此，鎖相環(huán)的工作原理可簡述如下：首先鑒相器把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生一個反應兩信號的相位差e (t)大小的誤差電壓ud(t)，ud(t)經(jīng)過環(huán)路濾波器的過濾得到控制電壓uc(t)。uc(t)調(diào)整VCO的頻率向參考信號的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步實現(xiàn)鎖定鎖定后兩信號之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即 （5）此時，輸出信號的頻率已偏離了原來的自由頻率o控制電壓uc(t)=0

7、時的頻率，其偏移量由式（4）和式（5）得到為 這時輸出信號的工作頻率已變?yōu)?（6）由此可見，通過過鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相差。3.2 基本環(huán)路方程 為了建立鎖相環(huán)路的數(shù)學模型，首先建立鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器的數(shù)學模型。 3.2.1. 鑒相器 鑒相器(PD)又稱相位比較器，它是用來比較兩個輸出信號之間的相位差e (t)。鑒相器輸出的誤差信號ud(t)是相差e (t)的函數(shù)。 鑒相器按其鑒相特性分為正弦型，三角形和鋸齒波形。作為原理分析，通常使用正弦型，較為典型的正弦鑒相器可用模擬乘法器與低通濾波器的串接構成。下圖是正

8、弦鑒相器的數(shù)學模型和鑒相特性。 圖1-2 正弦鑒相器的數(shù)學模型 圖1-3 正弦鑒相器的鑒相特性 3.2.2 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器（LF）是一個線性低通濾波器，用來濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起到?jīng)Q定性作用。環(huán)路濾波器由線性原件電阻、電容、和運算放大器組成。它是一個線性系統(tǒng)。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源積分濾波器三種。下面以介紹有源比例積分濾波器為主有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器由運算放大器組成。當運放器開環(huán)電壓增益A為有限值時，他的傳遞函數(shù)為（7）式中 1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。由圖1-4可見，它也具有

9、低通特性與比例作用。相頻特性也有超前校正的作用。圖1-4 有源比例積分濾波器及其特性3.3壓控振蕩器 壓控振蕩器（VCO）是一個電壓-頻率變換器，再換路政作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應隨輸入控制電壓uc(t)的線性的變化，即 （8）式中v(t)是VCO的瞬時角頻率，K0是線性特性斜率，表示單位控制電壓，可使VCO角頻率變化的數(shù)值。因此又稱為VCO的控制靈敏度與增益系數(shù)，單位為rad/s*v.在鎖相環(huán)路中，VCO的輸出對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率，而是瞬時相位，即 （9）將此式與uo(t)=Uocos0t+2(t)，比較，可以知0t為參考時的輸出瞬時相位為10）由此可見，VCO在鎖相環(huán)中起了一

10、次積分作用，因此也稱他為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。上式就是壓控振蕩器相位控制的模型，若對上式進行拉氏變換，可得到在復頻域的表示式為 （11） VCO 的傳遞函數(shù)為 下圖為VCO的復頻域的數(shù)學模型。 3.3.1 環(huán)路相位模型和基本方程上面分別得到了鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的模型，將三個模型連接起來，就可以得到鎖相環(huán)路的模型。如下圖1-5所示圖1-5 鎖相環(huán)路相位模型復時域分析時可用一個傳輸算子F(p)來表示。其中（p=d/dt）是微分算子。由上圖可以得出鎖相環(huán)路的基本方程。 (12) (13) 將（9）代入（8）得 （14） 設環(huán)路輸入一個頻率r和相位r均為常數(shù)的信號，即 式中，0是控制電壓u

11、c(t)=0時VCO的固有振蕩頻率，r是參考輸入信號的相位。令 則 （15）將式（11）代入式（10）可得固有頻率輸入時的環(huán)路基本方程 (16) 在閉環(huán)之后的任何時刻存在著如下關系：瞬時頻差=固有頻差-控制頻差，記為即 3.4 鎖相環(huán)工作過程的定性分析 式（12）是鎖相環(huán)路的基本方程，求解此方程，就可以獲得鎖相環(huán)路的各種性能指標，如鎖定、跟蹤、捕獲、失鎖等。但要嚴格的求解基本方程式往往是比較困難的。式中已認為壓控振蕩器的控制為線性，但因鑒相特性的非線性，基本方程是非線性方程。又因為壓控振蕩器的固有積分作用，基本方程至少是一階非線性微分方程。若在考慮環(huán)路濾波器的積分作用，幾班方程可能是高階的。3

12、.4.1 鎖定狀態(tài)當在環(huán)路作用下，調(diào)整控制頻差等于固有頻差時，瞬間相差e(t)趨向于一個固定值，并一直保持下去，即滿足 7）此時認為鎖相環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。3.4.2 跟蹤過程跟蹤是在鎖定的前提下，輸入?yún)⒖碱l率和相位在一定的范圍內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時，輸出信號的信號與相位以同樣的規(guī)律跟隨變化，這一過程稱為環(huán)路的跟蹤過程。1. 失鎖狀態(tài)失鎖狀態(tài)是瞬時頻差r-v總不為零的狀態(tài)。這時環(huán)路具有頻率牽引效應。2. 捕獲過程若環(huán)路原本是失鎖的，但環(huán)路能夠通過自身的調(diào)節(jié)由失鎖進入鎖定的過程稱為捕捉過程。3.5 鎖相環(huán)路的線性分析： 鎖相環(huán)路的線性分析的前提是環(huán)路同步，線性分析實際上是鑒相器的線性化。雖然壓

13、控振蕩器也可能是非線性的，但只要恰當?shù)脑O計與使用就可以做到控制特性線性化。鑒相器在具有三角波和鋸齒波鑒相特性是具有較大的線性范圍. 而對于正弦型鑒相特性,當e6時,可把原點附近的特性曲線視為斜率為Kd的直線,如圖821所示。因此,式(821)可寫成（18）用Kde(t)取代基本方程式(835)中的 （19）Udsine(t)可得到環(huán)路的線性基本方程或（20）式中，K=K0Kd稱為環(huán)路增益。K的量綱為頻率。式相應的鎖相環(huán)線性相位模型如圖下所示。 1-6正弦鑒相器線性化特性曲線 圖1-7 線性化鑒相器的模型 圖 2-7 鎖相環(huán)的線性相位模型(時域)四 頻率合成器及其技術指標頻率合成一個或少量的高準

14、確度高穩(wěn)定的標準頻率作為參考頻率,由此導出多個或大量的輸出頻率.這些輸出頻率的準確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一致的,頻率合成器就是用來產(chǎn)生這些頻率的部件.（1）頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍,也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。如果覆蓋系數(shù)k23時,整個頻段可以劃分為幾個分波段。在頻率合成器中,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。 （2）頻率間隔（頻率分辨率） 頻率合成器的輸出是不連續(xù)的。兩個相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器,對頻率間隔的要求是不相

15、同的。（3）頻率轉換時間 頻率轉換時間是指頻率合成器從某一個頻率轉換到另一個頻率,并達到穩(wěn)定所需要的時間。它與采用的頻率合成方法有密切的關系。（4）準確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值,即頻率誤差。而頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi),頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小。 4.1頻率合成器的類型： 頻率合成器可分為直接式頻率合成器,間接式（或鎖相）頻率合成器和直接式數(shù)字頻率合成器。下面介紹鎖相環(huán)頻率合成器為主。（1）直接式頻率合成器（DS） 直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號源。這種頻率合成器原理簡單,易于實現(xiàn)。其合成方法大致可分為兩種基

16、本類型:一種是所謂非相關合成方法;另一種稱為相關合成方法。 （2）間接式頻率合成器（IS） 間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應用最廣的頻率合成器,也是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。 直接式頻率合成器中所固有的那些缺點,如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等,在鎖相頻率合成器中就大大減少了?；镜逆i相頻率合成器如圖下所示。當鎖相環(huán)鎖定后,相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的,即圖 2-1 基本鎖相環(huán)頻率合成器基本組成VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍,即轉換時間取決于鎖相環(huán)的非線性性能,精確的表達式目前還難以導出,工程上常用的經(jīng)驗公式為轉換時間大約等于2

17、5個參考頻率的周期。分辨率與轉換時間成反比。例如fr=10Hz,則fs=2.5s,這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。 固定分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻比,超高速器件的上限頻率可達千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器,則可大大提高VCO的工作頻率,如圖833所示。前置分頻器的分頻比為M,則可得混頻后用低通濾波器取出差頻分量,分頻器輸出頻率為因此（3）直接數(shù)字式頻率合成器（DDS） 直接數(shù)字式頻率合成器是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件,它采用全數(shù)字技術,具有分辨率高、頻率轉換時間短、相位噪聲低等特點,并具有很強的調(diào)制功能和其它功能。 4.2設計方法： （一）、振蕩源的設計用CMO

18、S與非門和1M晶體組成1MHz振蕩器，如圖14。圖中Rf 使F1工作于線性放大區(qū)。晶體的等效電感，C1、C2構成諧振回路。C1、C2可利用器件的分布電容不另接。F1、F2、F3使用CD4049。（二）、N分頻的設計方案一：用一片74LS191作分頻器組成頻率合成器。191構成N等分頻器，將上述191組成的分頻器代入圖15中的1/N分頻器，就組成頻率合成器。方案二：單片CD4522頻率合成器構成1-9kHz變化。CD4522是可預置數(shù)的二一十進制1/N減計數(shù)器。其引腳見附錄。其中D1-D4是預置端，Q1Q4是計數(shù)器輸出端，其余控制端的功能如下：PE（3）=1時，D1D4值置進計數(shù)器EN（4）=0

19、，且CP（6）時，計數(shù)器（Q1Q4）減計數(shù)；CF（13）=1且計數(shù)器（Q1Q4）減到0時，QC(12)=1 Cr(10) =1時，計數(shù)器清零。 單片4522分頻器，撥盤開關為BCD碼開關，如當數(shù)據(jù)窗口顯示3時則A和1，2相連；當顯示5時，則A和14相連，其余類推。4個100K電阻用來保證當撥盤開關為某腳不和A相連，也就是懸空時，為低電平。工作過程是這樣的：設撥盤開關撥到N，當某時刻PE（3）=1， 則N置到IC內(nèi)的計數(shù)器中，下一個CP來時，計數(shù)器減計數(shù)變?yōu)镹-1，一直到第N個CP來時，計數(shù)器為0。這時由于CF（13）=1，所以QC（12）=1，也即PE（3）=1又恢復到開始狀態(tài)，開始一個新的循

20、環(huán)。很顯然，每來個N個CP，QC（12）就會出現(xiàn)一個高電平，也就是QC（12）應是CP的N分頻信號。用改圖電路代替上圖中4017部分，組成19KHz頻率合成器（3） 、集成鎖相環(huán)頻率合成器：CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。圖2是CD4046的引腳排列，采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如下：圖 2 1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平

21、時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。 6、7腳外接振蕩電容。 8、16腳電源的負端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。 11、12腳外接振蕩電阻。 13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號輸入端。 15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。 集成鎖相頻率合成器是一種專用鎖相電路。它是發(fā)展很快、采用新工藝多的專用集成電路。它將參考分頻器、參考振蕩器、數(shù)字鑒相器、各種邏輯控制電路等部件集成在一個或幾個單元中,以構成集成頻率合成器的電路系統(tǒng) 合成器的設計電路 圖1-1 pll頻率合成器的設計 圖示為用4046組成的頻率合成器電路。其中，晶振Jt與74LS04組成晶體振蕩器，提供了

22、1M赫茲的基準頻率；用74LS90組成了M分頻電路，改變開關S的位置，即改變分頻比M，同時也改變了頻率間隔fr/M;用74LS191組成可置數(shù)的N分頻電路，改變數(shù)據(jù)輸入端，即可改變分頻比或波道數(shù)。 （1）器件的選取鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片CD4046。晶振選用1 MHz的溫補晶體，他的頻率穩(wěn)定度較高，可達10-8。N分頻器采用74LS191器件；M分頻器采用了74LS90；晶振Jt與74LS04組成了晶體振蕩器。 仿真結果：5、 結束語： 本文用鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片CD4046及其外圍電路設計了410 MHz步進5 kHz的頻率合成器，該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩(wěn)定度，大大促進了數(shù)字鎖相頻率合成器集成化程度的提高和體積的縮小，滿足了通信設備的高集成度和超小型化的要求，特別適合某些特殊場合的應用。通過本次實驗，使自己對鎖相環(huán)的工作原理及其應用有了較深的理解，鎖相環(huán)應用愈廣，鎖相環(huán)是在無線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種