頻率合成講座

1、頻率合成技術2015年全國大學生電子設計競賽講座哈爾濱工程大學信通學院頻率合成器 一.頻率合成器分類及主要技術指標 1.什么是頻率合成? 頻率合成是利用一個（或幾個）高準確度和高穩(wěn)定度的基準頻率,通過一定的變換與處理后,形成一系列等間隔的離散頻率。這些離散頻率的頻率準確度和穩(wěn)定度都與基準頻率相同，而且能在很短的時間內(nèi)，由某一頻率切換到另一頻率。 2.頻率合成器的分類 直接式頻率合成器 鎖相頻率合成器 直接式數(shù)字頻率合成器 3.主要技術指標 (1)工作頻率范圍 最高與最低輸出頻率所確定的頻率范圍。 (2)頻率間隔 每個離散頻率之間的最小間隔稱為頻率間隔，又稱分辨力。 不同用途的合成器，對頻率間隔

2、的要求也不同。短波單邊帶通信的頻率間隔一般為100Hz，有時也取10Hz、1Hz、0.1Hz。超短波通信則多取50KHz，有時也取25KHz。 (3)頻率轉換時間 合成器從某一頻率轉換到另一頻率并達到穩(wěn)定所需的時間。 (4)頻率穩(wěn)定度與準確度 頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定時間內(nèi)，合成器輸出頻率偏離標稱值的相對變化的大小。準確度是表示實際工作頻率與標稱值的差。二者有密切關系。 (5)頻譜純度 頻譜純度是指輸出信號接近正弦波的程度。可以用輸出端的有用信號電平與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。 二. 直接頻率合成器 1.基本原理 采用單個或多個不同頻率的晶體振蕩器作為基準源，經(jīng)過具有加減乘除運算功能的混頻

3、器、倍頻器、分頻器產(chǎn)生所需的新頻率，由具有選頻功能的濾波器和電子開關陣進行頻率選擇，可產(chǎn)生大量的頻率間隔較小的離散頻率系列。 2.單個基準源的直接頻率合成器R221133ofNMNMNMf 直接式頻率合成器 基準頻率是由諧波發(fā)生器提供，發(fā)生器引出了10條諧波輸出線，其頻率分別為09MHz。 改變S1、S2和S3的連接位置，即可得到頻率間隔為100KHz，頻率范圍為10.099.9MHz的離散頻率。 3.直接式頻率合成器的特點 直接式頻率合成器的頻率跳變一般是通過控制濾波器、電子開關陣實現(xiàn)，頻率切換時間主要受限于選頻電路、電子開關陣的響應速度。 優(yōu)點是頻率轉換時間比較短，能產(chǎn)生任意小的頻率間隔。

4、 缺點是頻率范圍有限，離散頻率點不能太多。 由于采用了大量的倍頻器、分頻器，特別是混頻器，使輸出信號中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大。 而過多的濾波器又使設備龐大，成本較高，使其發(fā)展受到了限制。 三.鎖相頻率合成器 1.鎖相環(huán)路基本原理 (1)鑒相器及其相位模型 鑒相器是相位比較器，其功能是用來比較輸入信號的相位和壓控振蕩器(VCO)輸出信號的相位，其輸出電壓與這兩個信號的相位差成正比。 任何一個理想的模擬乘法器都可以作為鑒相器。 鑒相器的相位模型 設輸入信號電壓和壓控振蕩器輸出信號電壓分別為 式中，URm為輸入信號電壓的振幅； R為輸入信號的角頻率；R(t)為輸 入信號以其載波相位Rt為參

5、考的瞬時相位； )(sin)(RRRmRttUtu)(cos)(V0VmVttUtu UVm為壓控振蕩器輸出信號電壓的振幅；0壓控振蕩器輸出信號的中心角頻率；V (t)為壓控振蕩器輸出信號以相位0t為參考的瞬時相位。 為了便于比較兩信號之間的相位差，規(guī)定統(tǒng)一以壓控振蕩器在控制電壓uc(t)=0時的振蕩角頻率0確定的相位0t為參考相位。這樣就可以將輸入信號改寫為 式中，1(t)=(R-0)t+R(t)稱為輸入信號以相位0t為參考的瞬時相位。)()(sin)(R0R0RmRtttUtu)(sinR00RmtttU)(sin10RmttU 經(jīng)相乘器，uR(t)與uV(t)相乘后，設其輸出為 式中，K

6、M為乘法器的系數(shù)，單位1/V。 因環(huán)路中有環(huán)路濾波器，它只允許低頻分量通過。乘法器的輸出可認為只有低頻分量。則 e(t)=1(t)- V(t)為鑒相器輸入信號的瞬時相差， )()(VRMtutuKu )(cos)(sin)()(V0Vm10RmMVRMttUttUKtutuK)()(2sin21V10VmRmMtttUUK)()(sin21V1VmRmMttUUK)()(sin21)(V1VmRmMdttUUKtu)(sinedtK 結論： (1)乘法器作為鑒相器,在輸入特定條件下的鑒相特性是正弦特性,如圖9.2.2所示 ； (2)鑒相器的作用是將兩個輸入信號的瞬時相位差e(t)變?yōu)檩敵鲭妷簎

7、d(t),其作用可以用圖9.2.3所示數(shù)學模型來表示。 (3)鑒相器的處理對象是1(t)和V(t)而不是原信號本身，這是數(shù)學模型與原理方框圖的區(qū)別。 輸入為兩正交信號輸入為兩正交信號 (2) 壓控振蕩器(VCO)及其相位模型 壓控振蕩器的振蕩頻率V(t)受電壓uc(t)控制，所以它是一種電壓-頻率變換器。 不論以何種振蕩電路和何種控制方式構成的振蕩器，它的特性總可以用瞬時頻率V(t)與控制電壓uc(t)間的關系曲線來表示。 從壓控振蕩器的調(diào)頻特性曲線可以看出, 在一定范圍內(nèi),可近似認為是線性關系 0是壓控振蕩器控制電壓uc(t)=0時，壓控 振蕩器的振蕩頻率,也稱為壓控振蕩器的固有 振蕩頻率。

8、 KV是壓控振蕩器調(diào)頻特性的直線部分的斜 率,通常稱為壓控靈敏度(rad/sV)。 )()(cV0VtuKt 壓控振蕩器的相位模型 鎖相環(huán)路中,壓控振蕩器的輸出作用在鑒相器上。由鑒相特性可知,壓控振蕩器輸出電壓信號對鑒相器直接發(fā)生作用的不是瞬時角頻率,而是瞬時相位。因此對鎖相環(huán)路來說,壓控振蕩器應該以它的輸出信號的瞬時相位作為輸出量。輸出瞬時相位為 以0t為參考的輸出瞬時相位為 即V(t)正比于控制電壓uc(t)的積分。 可知，壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中的作用是積分環(huán)節(jié)，若用微分算子p=d/dt表示，則上式可表示為ttttuKttt0cV00Vd)(d)(tttut0cVd)()()()(cVVt

9、upKt (3) 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器為低通濾波器，用來濾除相位比較器輸出的高頻部分，并抑制噪聲，以保證環(huán)路達到要求的性能，并提高環(huán)路的穩(wěn)定性。 常用的環(huán)路濾波器有RC濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。 環(huán)路濾波器及傳輸函數(shù) RC濾波器 圖9.2.6是一階RC低通濾波器， 其傳輸函數(shù)為 =RC 1111)/(1)/(1)()()(dcFssRCsCRsCsususK 無源比例積分濾波器 圖9.2.7是無源比例積分濾波器。 其傳輸函數(shù)為 1=R1C,2=R2C。 有源比例積分濾波器 圖9.2.8是有源比例積分濾波器。 設運算放大器差模輸入電阻 RidR1，則其傳輸函數(shù)為 1=R1

10、C,2=R2C)(11)/(1)/(1)()()(212212dcFsssCRRsCRsususK)(1)1 ()(21u12uFAssAsK 當Au11+2時，則 當Au時，上式可簡化為 如果將KF(s)中的s用微分算子p替換，就可寫出表示濾波器激勵和響應之間關系的微分方程。即 從而得環(huán)路濾波器的數(shù)學模型 如圖9.2.9所示。1u2uF1)1()(sAsAsK12F1)(sssK)()()(dFctupKtu (4)鎖相環(huán)路的相位模型和基本方程 鎖相環(huán)路的相位模型 鎖相環(huán)路實質上是一個傳輸相位的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 鎖相環(huán)路討論的是輸入瞬時相位和輸出瞬時相位的關系。因此將鎖相環(huán)路的相位模型作為分析

11、基礎。 (2)鎖相環(huán)路的基本方程)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 環(huán)路頻率的動態(tài)平衡關系 將相位控制方程對時間微分,令p=d/dt,故可得 也可寫成 pe(t)是壓控振蕩器振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的數(shù)值 ，稱瞬時角頻差； KdKVKF(p)sine(t)是壓控振蕩器在控制電壓uc(t)作用下的振蕩角頻率 偏離 的數(shù)值 ，稱為控制角頻差； p1(t)是輸入信號角頻率 偏離 的數(shù)值 ，稱為輸入固有角頻差。 環(huán)路閉合后的任何時刻，瞬時角頻差和控制角頻差之代數(shù)和恒等于輸入固有角頻差。 )(sin)()()(eFVd1etpKKKtptp)()(sin)()(1e

12、FVdetptpKKKtp 0R00VVR0)()(tt)(VR0t)(Vt00V)(t0R00R0 鎖相環(huán)路的基本方程的含意： e(t)是鑒相器的輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的瞬時相位差； KdKV KF(p)/psine(t)稱控制相位差，它是e(t)通過鑒相器、環(huán)路濾波器逐級處理而得到的相位控制量； 相位控制方程描述了環(huán)路相位的動態(tài)平衡關系，即在任何時刻，環(huán)路的瞬時相位差e(t)和控制相位差之代數(shù)和等于輸入信號以相位0t為參考的瞬時相位。)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 2.鎖相環(huán)路的主要特點 良好的跟蹤特性 良好的窄帶濾波特性 鎖定狀態(tài)無剩余頻差

13、 易于集成化 3.鎖相環(huán)路的應用 (1)鎖相倍頻電路 (2)鎖相分頻電路 (3)鎖相混頻電路 (4)鎖相調(diào)頻電路 濾波器為窄帶濾波 (5)鎖相調(diào)頻解調(diào)電路 (6)鎖相調(diào)相解調(diào)電路 (7)窄帶跟蹤接收機(鎖相接收機) 它是一個窄帶跟蹤鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路中的環(huán)路濾波器其帶寬很窄，只允許調(diào)頻波的中心頻率通過實現(xiàn)頻率跟蹤，而不允許調(diào)頻波的調(diào)制信號通過。調(diào)頻波中的調(diào)制信號是中頻放大器輸出信號經(jīng)鑒頻器解調(diào)得到的。 一般鎖相接收機的環(huán)路帶寬都做得很窄。因而，環(huán)路的捕捉帶也很小。對于中心頻率在大范圍內(nèi)變化的輸入信號，單靠環(huán)路自身進行捕捉往往是困難的。因此，鎖相接收機都附有捕捉裝置用來擴大環(huán)路的捕捉范圍。 4.

14、 鎖相頻率合成器 鎖相頻率合成器由基準頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分組成。 (1)典型的鎖相頻率合成器 壓控振蕩器的輸出信號先通過程序分頻器進行N次分頻后再送給鑒相器與參考輸入信號進行比較，當環(huán)路鎖定后，輸出頻率 。而程序分頻器的分頻比N由輸入的數(shù)字信號控制。 RoNff 圖9.3.4所示是利用中規(guī)模鎖相環(huán)頻率合成器MC145106與低通濾波器、壓控振蕩器組成的頻率合成器。MC145106內(nèi)部集成有鑒相器、參考分頻器(R)、程序分頻器(N)和構成晶體振蕩器的放大器。 外接晶體(10.24MHz)與放大器組成振蕩頻率為10.24MHz的晶體振蕩器。 Rf MC145106組成頻率合成器 參考分頻器是

15、由一個2電路和29/210電路組成，由FS(6)端控制。若FS=“1”，參考分頻比為210，則fR=10kHz。若FS=“0”，參考分頻比為211，則fR=5kHz。 程序分頻器(N計數(shù)器)其分頻比N為3511， 輸出頻率為15kHz2555kHz,頻率間隔為5kHz。 (2)帶高速前置分頻器的鎖相頻率合成器 為什么要在程序分頻器N前增加高速前置分頻器? 由于鎖相頻率合成器的程序分頻器允許工作的上限頻率有限。若要求合成器的最高輸出頻率大于程序分頻器的允許上限工作頻率時，通常可采用在程序分頻器前增加高速前置分頻器M，如圖9.3.5所示。其輸出頻率為 ，最高輸岀頻率增大M倍。 RoMNff 缺點

16、： 因前置程序分頻器的引入，最高輸岀頻率增大M倍,也使輸出頻率間隔增大了M倍。對要求頻率間隔較小的合成器不太適用。 從表面上看這個缺點可以用降低fR來解決,但是過低的fR將會要求鎖相環(huán)路的帶寬很小，使環(huán)路建立時間變長，抑制壓控振蕩器的噪聲能力變差。 這種合成器常用于頻率分辨力要求不高、輸出頻率很高的場合。 對于要求輸出頻率很高,頻率分辨力要求也很高的頻率合成器,必須采用另外的方法解決。例如,雙模前置分頻器或采用混頻等措施。 (3)雙模前置分頻鎖相頻率合成器（吞脈沖鎖相頻率合成器） 為了解決高的VCO輸出頻率和低速程序分頻器的矛盾，并保證合適的頻率間隔，可采用雙模前置分頻的鎖相頻率合成器，又稱為

17、吞脈沖鎖相頻率合成器。 吞脈沖可變分頻器的原理 吞脈沖可變分頻器是由高速的雙模前置分頻器、吞脈沖計數(shù)器A、程序計數(shù)器N和模式控制邏輯電路組成。 雙模前置分頻的分頻比受控制邏輯電路的換模信號MC控制，MC為低電平“0”，分頻比為P+1 。MC為高電平“1”，分頻比為P。 A計數(shù)器和N計數(shù)器均為減法計數(shù)器。開始工作時，要先進行預置。 總分頻比： 先預置A計數(shù)器為A，N計數(shù)器為N，控制邏輯MC為“0”，雙模分頻器分頻比為P+1。此時每輸入(P+1)個壓控振蕩VCO脈沖，雙模分頻器輸出一個脈沖，該脈沖同時送到A計數(shù)器和N計數(shù)器進行減法計數(shù)。當雙模分頻器輸出A個脈沖,也就是VCO輸入(P+1)A個脈沖時

18、，A計數(shù)器減為0，由控制邏輯產(chǎn)生換模信號MC為“1”，使雙模分頻器分頻比為P。VCO輸入脈沖繼續(xù)輸入時， A計數(shù)器停止計數(shù)， N計數(shù)器繼續(xù)從(N-A)進行減法計數(shù)。當VCO再送入(N-A)P個脈沖后，N計數(shù)器也減到0。這時,N計數(shù)器產(chǎn)生一輸出脈沖給鑒相器進行鑒相。與此同時控制邏輯的換模信號MC變?yōu)椤?”,又開始新的工作周期。 ANPPNPAN) 1() 1(T 雙模前置分頻器組成的鎖相頻率合成器 圖9.3.7所示是用雙模前置分頻器組成的鎖相頻率合成原理圖。 鎖相環(huán)路是由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和可控程序分頻器組成?？煽爻绦蚍诸l器是由雙模前置分頻器、A計數(shù)器、N計數(shù)器和控制邏輯電路組成，其

19、總分頻比為 。 APNNT虛線框內(nèi)的各組成部分,是適用于雙模前置分頻器的專用集成鎖相頻率合成器 RRTo)(fAPNfNf (4)采用混頻器的鎖相頻率合成器 當混頻器工作于下變頻狀態(tài)時，采用前置混頻的方法可以降低鎖相頻率合成器中程序分頻器的輸入工作頻率。圖9.3.8所示是釆用前置混頻器的鎖相頻率合成器的組成框圖。 在鎖相環(huán)路鎖定時，滿足fR=(fo-fL)/N，則壓控振蕩器輸岀頻率為fo=fL+NfR ，其頻率間隔為fR。 優(yōu)點：較高輸岀頻率情況下,滿足頻率間隔小,多信道的應用。 缺點：增加本振源,且混頻使寄生分量增多,信號頻譜純度下降。 (5)多環(huán)鎖相頻率合成器 單環(huán)鎖相頻率合成器要減小頻率

20、間隔, 就需要降低參考頻率。在要求輸岀頻率較高時, 可變分頻器就需要有較高的可變分頻比, 高的分頻比, 輸出噪聲大, 也使頻率間隔的減小受到限制。 R11fNf R22fNf 100)100(R21ofNNf 5.集成鎖相頻率合成器 (1)MC145106集成鎖相環(huán)頻率合成器 MC145106是單片中規(guī)模集成的CMOS鎖相環(huán)頻率合成器，在民用波段和FM收發(fā)信機等領域得到廣泛應用。 MC145106方框圖 MC145106引出端排列圖 民用波段收發(fā)信機頻率合成器 (2) MC145151-2集成鎖相環(huán)頻率合成器 MC145151-2是一種并行碼輸入編程的大規(guī)模集成鎖相環(huán)頻率合成器。在外電路若要增加前置分頻器時，只能用單模前置分頻器。下圖給出了MC145151-2的外形圖和引出端排列圖。 MC145151-2外形圖與引出端排列圖 MC145151-2原理方框圖 圖9.3.15是MC145151-2的典型應用電路之一，參考分頻地址是101,參考分頻比為2048。晶體振蕩頻率為2.048MHz,經(jīng)參考分頻器