鎖相技術(shù)第7章頻率合成)

1、鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 1第七章 鎖相頻率合成第一節(jié)第一節(jié) 概述概述1. 概念概念 頻率合成器頻率合成器是將一個(gè)高精確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)是將一個(gè)高精確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率，經(jīng)過混頻、倍頻與分頻等對它進(jìn)行加、參考頻率，經(jīng)過混頻、倍頻與分頻等對它進(jìn)行加、減、乘、除的四則運(yùn)算，最終產(chǎn)生大量的具有同樣減、乘、除的四則運(yùn)算，最終產(chǎn)生大量的具有同樣精確度和穩(wěn)定度精確度和穩(wěn)定度的的頻率源頻率源。2. 應(yīng)用應(yīng)用 頻率合成器在雷達(dá)、通信、遙控遙測、電視廣頻率合成器在雷達(dá)、通信、遙控遙測、電視廣播和電子測量儀器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。播和電子測量儀器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合

2、成器 23. 頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)頻率范圍：頻率合成器的工作頻率范圍。不同的頻率范圍：頻率合成器的工作頻率范圍。不同的用途有不同的頻率范圍。用途有不同的頻率范圍。頻率間隔頻率間隔 ：頻率合成器輸出的相鄰兩個(gè)頻率之：頻率合成器輸出的相鄰兩個(gè)頻率之間的最小間隔。又稱頻率分辨率。間的最小間隔。又稱頻率分辨率。rf頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 ：頻率合成器輸出頻率轉(zhuǎn)換后，：頻率合成器輸出頻率轉(zhuǎn)換后，達(dá)到穩(wěn)定工作所需的時(shí)間。它和采用的的方法有關(guān)。達(dá)到穩(wěn)定工作所需的時(shí)間。它和采用的的方法有關(guān)。st頻率穩(wěn)定度：在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器頻率穩(wěn)定度：在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸

3、出頻率偏離規(guī)定值的量。輸出頻率偏離規(guī)定值的量。和和 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：rfstrsft25工程上可用工程上可用的經(jīng)驗(yàn)公式的經(jīng)驗(yàn)公式鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 34. 頻率合成的方法頻率合成的方法直接頻率合成：直接頻率合成：利用混頻器、倍頻器、分頻器利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器來完成對頻率的四則運(yùn)算。和帶通濾波器來完成對頻率的四則運(yùn)算。雙混頻雙混頻分頻模塊：分頻模塊：其中：其中：iiffff1021優(yōu)缺點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換速度快，但體積大，成本高，優(yōu)缺點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換速度快，但體積大，成本高，輸出信號中有寄生頻率。輸出信號中有寄生頻率。 圖圖7-17-1雙混頻雙混頻- -分頻模塊分頻模塊

4、（二）（二）P153 P164P153 P164圖圖6 61919鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 4鎖相頻率合成的基本框圖鎖相頻率合成的基本框圖. 間接頻率合成間接頻率合成-應(yīng)用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率合成應(yīng)用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率合成環(huán)路鎖定后：環(huán)路鎖定后：NfffodrroNff 參考基準(zhǔn)頻參考基準(zhǔn)頻率，一般由率，一般由晶體振蕩器晶體振蕩器構(gòu)成。構(gòu)成。可編程分頻可編程分頻器，器，N為分為分頻次數(shù)。頻次數(shù)。 和和 有相同的頻率穩(wěn)定度。由于有相同的頻率穩(wěn)定度。由于N是可編程是可編程的，不同的分頻次數(shù)就有不同的頻率輸出，而且相的，不同的分頻次數(shù)就有不同的頻率輸出，而且相鄰的兩個(gè)頻率之間的頻率增量為鄰的兩個(gè)頻率之間

5、的頻率增量為 。ofrfrf比較比較頻率頻率鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 5. 直接數(shù)字頻率合成直接數(shù)字頻率合成 計(jì)算機(jī)或微處理器根據(jù)某種算法或通過查表獲得計(jì)算機(jī)或微處理器根據(jù)某種算法或通過查表獲得所需波形各點(diǎn)的值，經(jīng)過所需波形各點(diǎn)的值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形。轉(zhuǎn)換器輸出波形。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)/微處理器微處理器D/A鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 6第二節(jié)第二節(jié) 變模分頻合成器變模分頻合成器1. 前置分頻前置分頻PLL頻率合成器頻率合成器df環(huán)路鎖定后：環(huán)路鎖定后：VNfffodrroVfNf問題：問題：增加前置分頻器，解決了輸出頻率高于程序分頻增加前置分頻器，解決了輸出頻率高于程序分頻器的工

6、作頻率的問題，提高了輸出頻率范圍。器的工作頻率的問題，提高了輸出頻率范圍。一、變模分頻合成器方法一、變模分頻合成器方法鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 7解決的辦法：不改變頻率分辨率，同時(shí)提高輸出解決的辦法：不改變頻率分辨率，同時(shí)提高輸出頻率范圍，采用頻率范圍，采用“變模分頻器變模分頻器”。輸出頻率增量為輸出頻率增量為 ，頻率分辨率降低了。，頻率分辨率降低了。rVf如果保持原有的頻率分辨率如果保持原有的頻率分辨率 ，需要使參考頻率，需要使參考頻率降低為降低為 ，同時(shí)又使得，同時(shí)又使得 增長了增長了V倍。倍。rfVfrstrrsfVVft2525鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 82. 雙模分頻雙模

7、分頻PLL頻率合成器頻率合成器df模式控制模式控制=H V+1模式控制模式控制=L V 是減法計(jì)數(shù)的可編是減法計(jì)數(shù)的可編程分頻器，且程分頻器，且21NN 21,NN鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 9工作原理：工作原理：21,NN當(dāng)當(dāng) 都未計(jì)數(shù)到零時(shí)，模式控制為都未計(jì)數(shù)到零時(shí)，模式控制為“H”，變，變模分頻器的分頻比為（模分頻器的分頻比為（V+1），其輸出為），其輸出為 。) 1(Vfo當(dāng)當(dāng) 計(jì)數(shù)到零時(shí)，通過與門使計(jì)數(shù)到零時(shí)，通過與門使 停止工作，同停止工作，同時(shí)模式控制為時(shí)模式控制為“L”，變模分頻器的分頻比為，變模分頻器的分頻比為V，其，其輸出為輸出為 。此時(shí)總共計(jì)數(shù)了此時(shí)總共計(jì)數(shù)了 個(gè)個(gè)

8、周期周期。Vfo2N2N) 1(2VNoT經(jīng)過經(jīng)過 次計(jì)數(shù)后，次計(jì)數(shù)后， 計(jì)數(shù)器為零，計(jì)數(shù)器為零，此時(shí)又此時(shí)又計(jì)數(shù)了計(jì)數(shù)了 個(gè)個(gè) 周期周期。1N)(21NN VNN)(21oT總分頻比：總分頻比：21212)() 1(NVNNNVNVDDffod鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 10環(huán)路鎖定時(shí)：環(huán)路鎖定時(shí)：drff rrofNVNDff)(21例：例：90;1910;1021NNV10001010minD19991910maxD頻率分頻率分辨率為辨率為rf頻率合成器的頻率分辨率為頻率合成器的頻率分辨率為 ，轉(zhuǎn)換時(shí)間不受影響。，轉(zhuǎn)換時(shí)間不受影響。rf總結(jié)：總結(jié)：采用雙模分頻器，使可編程分頻器的工作

9、頻率采用雙模分頻器，使可編程分頻器的工作頻率降低為降低為 或或 。Vfo) 1(Vfo 為頻率粗調(diào)， 為頻率細(xì)調(diào)。1N2N鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 113. 下變頻PLL頻率合成器dfNfffMod標(biāo)準(zhǔn)參標(biāo)準(zhǔn)參考頻率考頻率環(huán)路鎖定時(shí)：環(huán)路鎖定時(shí)：drff MrofNff采用混頻器，使可編程分頻器的工作頻率降低為采用混頻器，使可編程分頻器的工作頻率降低為 。)(Moff 鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 12調(diào)諧時(shí)，只需改變調(diào)諧時(shí)，只需改變N，就可以搜索到頻段內(nèi)所有，就可以搜索到頻段內(nèi)所有的電臺信號。的電臺信號。實(shí)例：調(diào)頻收音機(jī)中實(shí)例：調(diào)頻收音機(jī)中本振信號本振信號的產(chǎn)生的產(chǎn)生 FM波段：波段

10、：88-108MHZ；中頻頻率：；中頻頻率：10.7MHZ；頻段內(nèi)各電臺載頻之間的間隔頻段內(nèi)各電臺載頻之間的間隔 。要求采用。要求采用下變頻下變頻PLL頻率合成器產(chǎn)生本振信號，且混頻頻率頻率合成器產(chǎn)生本振信號，且混頻頻率為為90MHZ。KHz10FM收音機(jī)本振頻率范圍：收音機(jī)本振頻率范圍：98.7-118.7MHZ合成器合成器需產(chǎn)生需產(chǎn)生的信號的信號 頻率頻率范圍。范圍。ofMHzfKHzfMr90;10MrofNff2870870N鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 13 二、集成頻率合成器二、集成頻率合成器 集成頻率合成器區(qū)別于通用單片集成鎖相環(huán)，集成頻率合成器區(qū)別于通用單片集成鎖相環(huán)，通常總

11、是把頻率合成器中性質(zhì)相同通常總是把頻率合成器中性質(zhì)相同( (或相近或相近) )的的參參考振蕩器、參考分頻器、數(shù)字鑒相器、程序分頻考振蕩器、參考分頻器、數(shù)字鑒相器、程序分頻器、各種邏輯控制電路以及高速雙模或多模前置器、各種邏輯控制電路以及高速雙模或多模前置分頻器分頻器等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單片中（等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單片中（VCOVCO不在不在其中其中），以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。），以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。介紹幾種典型的集成頻率合成器的工作原理及應(yīng)用。介紹幾種典型的集成頻率合成器的工作原理及應(yīng)用。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 141、中規(guī)模集成頻率合成器、中規(guī)模集成頻率合成器

12、MC145106方框圖方框圖外接外接VCO外接外接晶體晶體外接外接LF選擇參考選擇參考分頻比分頻比選擇程序選擇程序分頻比分頻比失鎖輸出失鎖輸出低電平低電平鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 15特點(diǎn)及功能：特點(diǎn)及功能： 外接外接VCO、晶體及、晶體及LF構(gòu)成頻率合成器。構(gòu)成頻率合成器。 采用參考分頻器獲得參考頻率采用參考分頻器獲得參考頻率 ，程控分頻器，程控分頻器獲得比較頻率獲得比較頻率 ，頻率合成器的輸出頻率為，頻率合成器的輸出頻率為 的的整數(shù)倍。整數(shù)倍。rfdfrf 程序分頻器的分頻系數(shù)可以由機(jī)械開關(guān)、電子程序分頻器的分頻系數(shù)可以由機(jī)械開關(guān)、電子開關(guān)或微處理器進(jìn)行預(yù)置。開關(guān)或微處理器進(jìn)行預(yù)置。

13、 8腳為頻率鎖定指示。腳為頻率鎖定指示。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 162、大規(guī)模集成頻率合成器、大規(guī)模集成頻率合成器MC145152-1可編程的參可編程的參考分頻比考分頻比程控分頻程控分頻比的粗調(diào)比的粗調(diào)程控分頻程控分頻比的細(xì)調(diào)比的細(xì)調(diào)鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 17三、多環(huán)頻率合成器1. 后置分頻器的后置分頻器的PLL頻率合成器頻率合成器ofofMfNMffroo 合成器有較高的頻率分辨率合成器有較高的頻率分辨率 ，參考頻率，參考頻率 也也高，轉(zhuǎn)換時(shí)間高，轉(zhuǎn)換時(shí)間 小。小。Mfrrfst問題：輸出頻率低于環(huán)路的工作頻率，有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。問題：輸出頻率低于環(huán)路的工作頻率，有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。

14、圖圖7-97-9后置分頻器的后置分頻器的 PLLPLL合成器合成器鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 18應(yīng)用舉例：將工頻為50 的電源變?yōu)?0ZHZHZrZrHMNffNMHf60/65500時(shí)，得、，當(dāng)取解：如上圖所示，設(shè)計(jì)一后置分頻器的PLL合成器ZHZH鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 19Boff 2. 三環(huán)鎖相頻率合成器三環(huán)鎖相頻率合成器A環(huán)低位環(huán)環(huán)低位環(huán)MfNfrAAB環(huán)高位環(huán)環(huán)高位環(huán)rBBfNfC環(huán)相加環(huán)環(huán)相加環(huán)BAofff參考參考頻率頻率鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 20工作原理分析：工作原理分析：100;100MKHZfr396351;399300BANNA環(huán)：環(huán)：KHZKHZ

15、MfNfrAA)399300(100100)399300(B環(huán)：環(huán)：MHZKHZfNfrBB)6 .391 .35(100)396351(C環(huán)：環(huán)：MHZfffBAo)999.394 .35(討論：討論：頻率分辨率：頻率分辨率：A環(huán)環(huán)1K（細(xì)調(diào)）（細(xì)調(diào)）,B環(huán)環(huán)100K（粗調(diào)）。（粗調(diào)）。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：mSKHZftrs25. 01002525實(shí)現(xiàn)了高分辨率，高參考頻率，轉(zhuǎn)換時(shí)間不變。實(shí)現(xiàn)了高分辨率，高參考頻率，轉(zhuǎn)換時(shí)間不變。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 21第三節(jié)第三節(jié) 小數(shù)分頻合成器小數(shù)分頻合成器分頻原理：利用整數(shù)分頻器實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻分頻原理：利用整數(shù)分頻器實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻若：若

16、：N=10.5 對輸入頻率進(jìn)行對輸入頻率進(jìn)行10分頻和分頻和11分頻交替進(jìn)行，其分頻交替進(jìn)行，其結(jié)果相當(dāng)于結(jié)果相當(dāng)于10.5分頻。分頻。推廣：推廣：3 . 5FN10)3675(10次分頻中進(jìn)次分頻中進(jìn)行行7次次5分頻，分頻，3次次6分頻。分頻。35.27FN100)35286527(100) 1()100(FNFN100次分頻中進(jìn)次分頻中進(jìn)行行65次次27分頻，分頻，35次次28分頻。分頻。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 22 第四節(jié)技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)第四節(jié)技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)一、一、 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)1. 1. 頻率范圍頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率fomin和最高頻率fomax

17、之間的變化范圍，也可用頻率覆蓋系數(shù)表示，即 (7-19)minmaxooffk 鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 232. 頻率間隔 頻率合成器的輸出頻率是不連續(xù)的，以點(diǎn)頻方式出現(xiàn)，兩相鄰點(diǎn)頻之間的間隔稱為頻率間隔，又稱為頻率分辨率。在鎖相頻率合成中，整數(shù)分頻的頻率間隔由參考頻率fr決定，而小數(shù)分頻的頻率間隔由分頻系數(shù)N.F中小數(shù).F決定。由頻率范圍與頻率間隔可以確定頻率合成器的工作頻率點(diǎn)數(shù)(波道數(shù))。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 243. 3. 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是指一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率的相對變化，通常分為長期、短期與瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度。長期頻率穩(wěn)定度是指年或月時(shí)間范

18、圍內(nèi)頻率的相對變化，主要由晶體參考振蕩器中晶體的老化特性引起。鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 254. 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器輸出頻率從一個(gè)工作頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)工作頻點(diǎn)并穩(wěn)定工作所需要的時(shí)間。對于鎖相頻率合成，轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于環(huán)路的捕獲時(shí)間，由頻率捕獲時(shí)間與相位捕獲時(shí)間所構(gòu)成。環(huán)路采用鑒頻鑒相器(FPD),頻率捕獲時(shí)間極短，可不考慮，而相位捕獲時(shí)間大約為參考頻率信號周期(1/fr)的25倍左右。因此，鎖相頻率合成器中，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間ts為鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 265. 頻譜純度 頻譜純度是指頻率合成器輸出頻率信號接近正弦波的程度鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 27二

19、、頻率合成器實(shí)例例1.用MC145106構(gòu)成的單環(huán)鎖相頻率合成器（民用電臺民用電臺）設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：電臺為同頻單工工作方式電臺為同頻單工工作方式各信道之間的頻率間隔為各信道之間的頻率間隔為5KHZ電臺發(fā)射狀態(tài)產(chǎn)生電臺發(fā)射狀態(tài)產(chǎn)生主振載波主振載波，26.965-27.405MHZ。電臺接收狀態(tài)產(chǎn)生電臺接收狀態(tài)產(chǎn)生第一本機(jī)振蕩信號第一本機(jī)振蕩信號 和和第二本機(jī)振第二本機(jī)振蕩信號蕩信號 。1Lf2Lf1Lf混頻混頻1混頻混頻22Lf第一中頻第一中頻10.695MHZ第二中頻第二中頻455KHZ26.96527.405MHZ混頻混頻1、2采用低采用低本振方本振方式式MHZfL710.16270.1

20、61MHZfL24.102鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 28ofMf電路實(shí)現(xiàn)電路實(shí)現(xiàn)： （MC145106）rfdf頻率分辨率：頻率分辨率：KHZMHZfr52224.1010頻率合成器的發(fā)射和接收狀態(tài)由頻率合成器的發(fā)射和接收狀態(tài)由R/T端控制，對應(yīng)端控制，對應(yīng)不同的分頻系數(shù)不同的分頻系數(shù) 。RTNNN;鎖相技術(shù)第7章 鎖相頻率合成器 29發(fā)射狀態(tài)：發(fā)射狀態(tài)：鎖定時(shí)：鎖定時(shí)：rMofNffMrofNffMHZKHZNMHZT6 .255)405.27965.26(361273TN接收狀態(tài)：接收狀態(tài)：MHZfL24.102（參考頻率直接得到）（參考頻率直接得到） 由由 和合成器輸出頻率混頻后獲得，此時(shí)環(huán)和合成器輸出頻率混頻后獲得，此時(shí)