6.2 鎖相環(huán)路的應(yīng)用

6.2鎖相環(huán)路的應(yīng)用6.2.1鎖相調(diào)頻/鑒頻電路鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖如圖6.2.1所示。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決在普通的直接調(diào)頻電路中振蕩器的中心頻率穩(wěn)定度較差，而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路其調(diào)頻范圍又太窄的問(wèn)題。圖6.2.1鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖實(shí)現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通帶之外。使壓控振蕩器的中心頻率鎖定在穩(wěn)定度很高的晶振頻率上，而隨著輸入調(diào)制信號(hào)的變化，振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移。這種鎖相環(huán)路稱(chēng)載波跟蹤型鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)調(diào)頻解調(diào)電路原理方框圖如圖6.2.2所示，用鎖相環(huán)路可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。

圖6.2.2鎖相環(huán)調(diào)頻解調(diào)電路原理方框圖如果將環(huán)路的頻帶設(shè)計(jì)得足夠?qū)?，則壓控振蕩器的振蕩頻率跟隨輸入信號(hào)的頻率而變。若壓控振蕩器的電壓頻率變換特性是線性的，則加到壓控振蕩器的電壓，即環(huán)路濾波器輸出電壓的變化規(guī)律必定與調(diào)制信號(hào)的規(guī)律相同。故從環(huán)路濾波器的輸出端，可得到解調(diào)信號(hào)。用鎖相環(huán)進(jìn)行調(diào)頻波解調(diào)是利用鎖相環(huán)的跟蹤特性，這種電路稱(chēng)調(diào)制解調(diào)型鎖相環(huán)路。與普通的鑒頻器相比較，鎖相鑒頻電路可以改善門(mén)限值特性，但改善的程度取決于信號(hào)的調(diào)制度。調(diào)制指數(shù)越高，門(mén)限改善的分貝數(shù)也越大。一般可以改善幾個(gè)分貝，調(diào)制指數(shù)高時(shí)，可改善10dB以上。6.2.2鎖相接收機(jī)電路

采用鎖相接收機(jī)，利用環(huán)路的窄帶跟蹤特性，可以有效接收十分微弱的空間信號(hào)，鎖相接收機(jī)方框圖如圖6.2.3所示。鎖相接收機(jī)在接收空間信號(hào)方面得到廣泛應(yīng)用。在圖6.2.3中，若中頻信號(hào)與本地信號(hào)頻率有偏差，鑒相器的輸出電壓就去調(diào)整壓控振蕩器的頻率，使混頻輸出的中頻信號(hào)的頻率鎖定在本地標(biāo)準(zhǔn)中頻上。由于中頻信號(hào)可以被鎖定，所以中頻放大器的頻帶可以做得很窄，因而使輸出信噪比大大提高，接收微弱信號(hào)的能力加強(qiáng)。由于鎖相接收機(jī)的中頻頻率可以跟蹤接收信號(hào)頻率的漂移，且中頻放大器帶寬又很窄，故又被稱(chēng)做窄帶跟蹤濾波器。圖6.2.3鎖相接收機(jī)方框圖6.2.3基本型單環(huán)頻率合成器電路

基本型單環(huán)頻率合成器電路的方框圖如圖6.2.4所示，環(huán)路中的÷N分頻器可采用可編程分頻器，合成器的輸出頻率為

（6.2.1）式中，fr為環(huán)路鑒相器PD的輸入鑒相頻率，也稱(chēng)之參考頻率。fr是從高穩(wěn)定的晶體振蕩頻率，即基準(zhǔn)頻率fi，經(jīng)參考分頻器分頻（÷R）取得的。這種合成器的頻率分辨率即為參考頻率fr?；拘蛦苇h(huán)鎖相頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。圖6.2.4基本型單環(huán)頻率合成器電路的方框圖6.2.4前置分頻型單環(huán)頻率合成器電路前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖如圖6.2.5所示。目前高速固定分頻器的工作頻率已可達(dá)到幾千兆赫，完全可以適應(yīng)合成器VCO輸出頻率。因此，為了提高合成器的輸出頻率，可以先將輸出頻率fo送入高速固定分頻器進(jìn)行分頻，再把分頻降低以后的頻率送入能適應(yīng)這一工作頻率的可編程分頻器，構(gòu)成前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器。

圖6.2.5前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖圖6.2.5中，÷M即為高速前置分頻器，環(huán)路鎖定時(shí)輸出頻率fo為（6.2.2）因?yàn)镸為固定分頻數(shù)，改變可編程分頻器N時(shí)，就可以改變輸出合成頻率。顯然，合成器的輸出頻率分辨率為（6.2.3）前置分頻型單環(huán)合成器的輸出頻率取決于高速固定前置分頻器的最高工作頻率，目前的前置分頻器工作頻率已達(dá)幾千MHz，因此合成器VCO的輸出頻率也可以做到幾千MHz。但是，這種合成器的頻率分辨率卻被前置分頻器的固定分頻比M降低了M倍，這是一個(gè)缺點(diǎn)。6.2.5下變頻型單環(huán)頻率合成器電路將混頻器和低通濾波器代替原高速前置固定分頻器插入鎖相環(huán)路中，就組成了下變頻型單環(huán)頻率合成器，如圖6.2.6所示，其中低通濾波器取混頻的差值（即下變頻）。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，由圖6.2.6中可知輸出頻率關(guān)系為（6.2.4）式中，fL為頻率較高的高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)頻率，式（6.2.4）表示提高fL的頻率可以提高輸出頻率fo。圖6.2.6下變頻型單環(huán)頻率合成器電路方框圖由式（6.2.4）可以看出下變頻型單環(huán)頻率合成器的輸出頻率分辨率仍為fr，因此可以解決提高合成器輸出頻率和不降低頻率分辨率的矛盾。另外，從式（6.2.4）中也可以看出，下變頻型鎖相頻率合成器只是用混頻器將Nfr搬移到fL兩邊的頻率上。下變頻型鎖相頻率合成器的環(huán)路分析和環(huán)路參數(shù)的計(jì)算與基本單環(huán)頻率合成器相同。然而，由于混頻器和濾波器插入鎖相環(huán)路，這不僅使整個(gè)鎖相環(huán)路的電路復(fù)雜化，而且低通濾波器的參數(shù)還會(huì)使環(huán)路性能變壞，更主要的是混頻器對(duì)合成器輸出頻譜質(zhì)量將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這是值得注意的問(wèn)題。6.2.6雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器電路

雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖如圖6.2.7所示。變模前置分頻器是在不改變頻率分辨率的同時(shí)，又能提高合成器輸出頻率的一種有效方法。圖6.2.7雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖圖6.2.7中，÷為高速雙模前置分頻器，分頻模數(shù)為P+1或P，P為正整數(shù)。A為脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器。M為主可編程計(jì)數(shù)器，MC為模數(shù)控制邏輯電路。分頻計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)，MC輸出低電平，前置分頻器在低電平邏輯控制下按P+1模式計(jì)數(shù)，A和M計(jì)數(shù)器則接收前置分頻器的輸出脈沖同時(shí)計(jì)數(shù)。前置分頻器按P+1模式工作時(shí)，它就每次比固定÷P分頻多計(jì)數(shù)一個(gè)脈沖，或者稱(chēng)做多吞掉一個(gè)脈沖。在一個(gè)循環(huán)中將吞掉多少個(gè)脈沖，由脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器A來(lái)記錄。當(dāng)A計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)以后，A計(jì)數(shù)器就停止計(jì)數(shù)，并通知模數(shù)控制邏輯電路MC輸出高電平，前置分頻器在高電平邏輯控制下按P模式計(jì)數(shù)。M計(jì)數(shù)器則繼續(xù)接收前置分頻器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到M計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)以后，便輸出一個(gè)分頻脈沖到鑒相器PD。同時(shí)M計(jì)數(shù)器還通知模數(shù)控制邏輯電路恢復(fù)低電平輸出，促使前置分頻器也恢復(fù)P+1模式計(jì)數(shù)，從而就完成了一個(gè)計(jì)數(shù)周期。前置分頻器恢復(fù)P+1模式計(jì)數(shù)以后，第二個(gè)新的計(jì)數(shù)循環(huán)也就開(kāi)始了。上述分頻過(guò)程中，前置分頻器先以P+1模式計(jì)數(shù)A次，也即多吞掉A個(gè)脈沖，然后再以P模式計(jì)數(shù)（MA）次，完成一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。這種分頻方式稱(chēng)為吞脈沖分頻，其分頻比N可以用下式表示，即（6.2.5）A計(jì)數(shù)器對(duì)前置分頻器吞掉的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制（通過(guò)MC），所以A計(jì)數(shù)器又稱(chēng)為脈沖吞咽計(jì)數(shù)器。由上述分析可知，A計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量必須小于計(jì)數(shù)器M的容量，即A＜M。由雙模前置分頻器、計(jì)數(shù)器A、M及模數(shù)控制邏輯電路MC一起組成了吞脈沖程序分頻器，完成吞脈沖分頻方式。合成器輸出頻率關(guān)系為（6.2.6）由式（6.2.6）可知，輸出頻率fo的頻率分辨率fo=fr。因此，雙模前置分頻型單環(huán)合成器采用吞脈沖分頻技術(shù)以后，將保持合成器輸出頻率分辨率不變。雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器采用吞脈沖計(jì)數(shù)分頻技術(shù)以后，合成器中只有雙模前置分頻器工作在合成器VCO輸出的最高工作頻率上，而計(jì)數(shù)器A和M均工作在比VCO輸出頻率低P倍的頻率上。因此，吞脈沖程序分頻器的工作頻率取決于雙模前置分頻器的工作頻率，而比一般的可編程程序分頻器的工作頻率有很大的提高。因而可以實(shí)現(xiàn)合成器輸出頻率高的要求。雙模前置分頻器只有兩個(gè)計(jì)數(shù)工作模式，只要求一個(gè)模數(shù)控制信號(hào)控制，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的換模計(jì)數(shù)工作，而不需要采用類(lèi)似可編程分頻器那樣復(fù)雜的預(yù)置操作，因而其工作頻率可以做得像固定分頻器那樣高。雙模前置分頻器很好地解決了固定前置分頻器提高fo和降低fo的矛盾。6.2.7小數(shù)分頻頻率合成器電路小數(shù)分頻頻率合成器電路方框圖如圖6.2.8所示。為了能提高頻率分辨率，又不降低參考頻率，在小數(shù)分頻頻率合成器電路中設(shè)計(jì)可編程分頻器提供小數(shù)的分頻比，每次改變某頻率位小數(shù)實(shí)現(xiàn)輸出頻率切換，這樣就可以在不降低參考頻率的情況下提高輸出頻率分辨率。利用雙模分頻原理可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。例如：若要實(shí)現(xiàn)m=10.5的小數(shù)分頻，可以先除一次10，再除一次11，交替進(jìn)行。這樣一個(gè)循環(huán)為兩次，總的分頻比為圖6.2.8小數(shù)分頻頻率合成器電路方框圖小數(shù)分頻比m有如下關(guān)系：（6.2.7）式中，P是一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的分頻次數(shù)，取決于小數(shù)部分的數(shù)值；Q是在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)刪除的脈沖個(gè)數(shù)，Q=FP，Q是最小的正整數(shù)值。F為小數(shù)部分?jǐn)?shù)值；N為整數(shù)部分?jǐn)?shù)值，N=A。在小數(shù)分頻鎖相環(huán)中，鑒相器的每次比相都產(chǎn)生相位誤差。而且，每比相一次，相差就增加一次，這樣類(lèi)推得到的相位差隨時(shí)間的變化呈下降階梯狀，這時(shí)鑒相器的輸出電壓也呈下降階梯狀波形，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后加到VCO上，就會(huì)使VCO產(chǎn)生附加調(diào)制，造成VCO輸出信號(hào)相位抖動(dòng)。6.2.8多環(huán)鎖相頻率合成器電路單環(huán)鎖相頻率合成器的組成比較簡(jiǎn)單，但是當(dāng)可變分頻比較大時(shí)，輸出噪聲也較大，而且要求頻率分辨率小于1kHz時(shí)，單環(huán)鎖相頻率合成器難以實(shí)現(xiàn)。采用多環(huán)鎖相頻率合成器電路可以克服這些缺點(diǎn)，多環(huán)鎖相頻率合成器電路是在不降低參考頻率的情況下，提高輸出頻率分辨率的一種方法。一個(gè)雙環(huán)式鎖相頻率合成器電路方框圖如圖6.2.9所示。圖中采用了兩個(gè)鎖相環(huán)路和一個(gè)混頻（取和頻）濾波電路。可以推證，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)頻率合成器輸出頻率為

（6.2.8）圖6.2.9雙環(huán)式鎖相頻率合成器電路方框圖圖6.2.9中標(biāo)出了某通信接收機(jī)頻率合成器的頻率值?？梢?jiàn)，當(dāng)基準(zhǔn)頻率fr1=1kHz,fr=100kHz，而且兩個(gè)÷N2分頻器具有相同的分頻比范圍并在任何時(shí)候取相同數(shù)值，即它們同步方式工作時(shí)，頻率合成器輸出頻率fo為73～101.1MHz，頻率間隔為100Hz。這種雙環(huán)式鎖相頻率合成器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、同步方式好、輸出噪聲較小的優(yōu)點(diǎn)；但為了降低噪聲，要求采用環(huán)形混頻器及窄帶機(jī)械濾波器，因而工藝結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。圖6.2.10三環(huán)鎖相頻率合成器電路方框圖一個(gè)三環(huán)鎖相頻率合成器電路如圖6.2.10所示。圖6.2.10中A環(huán)輸出fa經(jīng)后置固定分頻器M分頻后為fA，所以有（6.2.9）fA的分辨率比單環(huán)分頻率提高了M倍。由于固定分頻器M后置，所以fA一般是比較低的。因此，A環(huán)是輸出頻率較低的高分辨率環(huán)，又稱(chēng)低位環(huán)。B環(huán)的，可使它工作在所需求的合成器輸出頻率范圍。因此，B環(huán)又稱(chēng)為高位環(huán)，C環(huán)標(biāo)為混頻相加環(huán)。