頻率合成講座

1、頻率合成技術(shù)2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽講座哈爾濱工程大學(xué)信通學(xué)院頻率合成器 一.頻率合成器分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo) 1.什么是頻率合成? 頻率合成是利用一個(gè)（或幾個(gè)）高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率,通過(guò)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(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都與基準(zhǔn)頻率相同，而且能在很短的時(shí)間內(nèi)，由某一頻率切換到另一頻率。 2.頻率合成器的分類(lèi) 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(shù)指標(biāo) (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(gè)離散頻率之間的最小間隔稱(chēng)為頻率間隔，又稱(chēng)分辨力。 不同用途的合成器，對(duì)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(shí)也取10Hz、1Hz、0.1Hz。超短波通信則多取50KHz，有時(shí)也取25KHz。 (3)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。 (4)頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度 頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，合成器輸出頻率偏離標(biāo)稱(chēng)值的相對(duì)變化的大小。準(zhǔn)確度是表示實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱(chēng)值的差。二者有密切關(guān)系。 (5)頻譜純度 頻譜純度是指輸出信號(hào)接近正弦波的程度?？梢杂幂敵龆说挠杏眯盘?hào)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(gè)或多個(gè)不同頻率的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)源，經(jīng)過(guò)具有加減乘除運(yùn)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(kāi)關(guān)陣進(jìn)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(gè)基準(zhǔn)源的直接頻率合成器R221133ofNMNMNMf 直接式頻率合成器 基準(zhǔn)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(diǎn) 直接式頻率合成器的頻率跳變一般是通過(guò)控制濾波器、電子開(kāi)關(guān)陣實(shí)現(xiàn)，頻率切換時(shí)間主要受限于選頻電路、電子開(kāi)關(guān)陣的響應(yīng)速度。 優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間比較短，能產(chǎn)生任意小的頻率間隔。

4、 缺點(diǎn)是頻率范圍有限，離散頻率點(diǎn)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(hào)中的寄生頻率成分和相位噪聲顯著加大。 而過(guò)多的濾波器又使設(shè)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(lái)比較輸入信號(hào)的相位和壓控振蕩器(VCO)輸出信號(hào)的相位，其輸出電壓與這兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比。 任何一個(gè)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(shè)輸入信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出信號(hào)電壓分別為 式中，URm為輸入信號(hào)電壓的振幅； R為輸入信號(hào)的角頻率；R(t)為輸 入信號(hào)以其載波相位Rt為參

5、考的瞬時(shí)相位； )(sin)(RRRmRttUtu)(cos)(V0VmVttUtu UVm為壓控振蕩器輸出信號(hào)電壓的振幅；0壓控振蕩器輸出信號(hào)的中心角頻率；V (t)為壓控振蕩器輸出信號(hào)以相位0t為參考的瞬時(shí)相位。 為了便于比較兩信號(hào)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(shí)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(hào)改寫(xiě)為 式中，1(t)=(R-0)t+R(t)稱(chēng)為輸入信號(hào)以相位0t為參考的瞬時(shí)相位。)()(sin)(R0R0RmRtttUtu)(sinR00RmtttU)(sin10RmttU 經(jīng)相乘器，uR(t)與uV(t)相乘后，設(shè)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(guò)。乘法器的輸出可認(rèn)為只有低頻分量。則 e(t)=1(t)- V(t)為鑒相器輸入信號(hào)的瞬時(shí)相差， )()(VRMtutuKu )(cos)(sin)()(V0Vm10RmMVRMttUttUKtutuK)()(2sin21V10VmRmMtttUUK)()(sin21V1VmRmMttUUK)()(sin21)(V1VmRmMdttUUKtu)(sinedtK 結(jié)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(gè)輸入信號(hào)的瞬時(shí)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(xué)模型來(lái)表示。 (3)鑒相器的處理對(duì)象是1(t)和V(t)而不是原信號(hào)本身，這是數(shù)學(xué)模型與原理方框圖的區(qū)別。 輸入為兩正交信號(hào)輸入為兩正交信號(hào) (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(gòu)成的振蕩器，它的特性總可以用瞬時(shí)頻率V(t)與控制電壓uc(t)間的關(guān)系曲線來(lái)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(rèn)為是線性關(guān)系 0是壓控振蕩器控制電壓uc(t)=0時(shí)，壓控 振蕩器的振蕩頻率,也稱(chēng)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(chēng)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(hào)對(duì)鑒相器直接發(fā)生作用的不是瞬時(shí)角頻率,而是瞬時(shí)相位。因此對(duì)鎖相環(huán)路來(lái)說(shuō),壓控振蕩器應(yīng)該以它的輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位作為輸出量。輸出瞬時(shí)相位為 以0t為參考的輸出瞬時(shí)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(lái)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(dá)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(wú)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(wú)源比例積分濾波器 圖9.2.7是無(wú)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(shè)運(yùn)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(dāng)Au11+2時(shí)，則 當(dāng)Au時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為 如果將KF(s)中的s用微分算子p替換，就可寫(xiě)出表示濾波器激勵(lì)和響應(yīng)之間關(guān)系的微分方程。即 從而得環(huán)路濾波器的數(shù)學(xué)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(shí)相位和輸出瞬時(shí)相位的關(guān)系。因此將鎖相環(huán)路的相位模型作為分析

11、基礎(chǔ)。 (2)鎖相環(huán)路的基本方程)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 環(huán)路頻率的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系 將相位控制方程對(duì)時(shí)間微分,令p=d/dt,故可得 也可寫(xiě)成 pe(t)是壓控振蕩器振蕩角頻率偏離輸入信號(hào)角頻率的數(shù)值 ，稱(chēng)瞬時(shí)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(chēng)為控制角頻差； p1(t)是輸入信號(hào)角頻率 偏離 的數(shù)值 ，稱(chēng)為輸入固有角頻差。 環(huán)路閉合后的任何時(shí)刻，瞬時(shí)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(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差； KdKV KF(p)/psine(t)稱(chēng)控制相位差，它是e(t)通過(guò)鑒相器、環(huán)路濾波器逐級(jí)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(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，即在任何時(shí)刻，環(huán)路的瞬時(shí)相位差e(t)和控制相位差之代數(shù)和等于輸入信號(hào)以相位0t為參考的瞬時(shí)相位。)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 2.鎖相環(huán)路的主要特點(diǎn) 良好的跟蹤特性 良好的窄帶濾波特性 鎖定狀態(tài)無(wú)剩余頻差

13、 易于集成化 3.鎖相環(huán)路的應(yīng)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(jī)(鎖相接收機(jī)) 它是一個(gè)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(guò)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，而不允許調(diào)頻波的調(diào)制信號(hào)通過(guò)。調(diào)頻波中的調(diào)制信號(hào)是中頻放大器輸出信號(hào)經(jīng)鑒頻器解調(diào)得到的。 一般鎖相接收機(jī)的環(huán)路帶寬都做得很窄。因而，環(huán)路的捕捉帶也很小。對(duì)于中心頻率在大范圍內(nèi)變化的輸入信號(hào)，單靠環(huán)路自身進(jìn)行捕捉往往是困難的。因此，鎖相接收機(jī)都附有捕捉裝置用來(lái)擴(kuò)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(zhǔn)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(hào)先通過(guò)程序分頻器進(jìn)行N次分頻后再送給鑒相器與參考輸入信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)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(hào)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(gòu)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(gè)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(jì)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(shí)，通?？刹捎迷诔绦蚍诸l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(diǎn)

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(duì)要求頻率間隔較小的合成器不太適用。 從表面上看這個(gè)缺點(diǎn)可以用降低fR來(lái)解決,但是過(guò)低的fR將會(huì)要求鎖相環(huán)路的帶寬很小，使環(huán)路建立時(shí)間變長(zhǎng)，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(chǎng)合。 對(duì)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(chēng)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(jì)數(shù)器A、程序計(jì)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(hào)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(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器均為減法計(jì)數(shù)器。開(kāi)始工作時(shí)，要先進(jìn)行預(yù)置。 總分頻比： 先預(yù)置A計(jì)數(shù)器為A，N計(jì)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(shí)每輸入(P+1)個(gè)壓控振蕩VCO脈沖，雙模分頻器輸出一個(gè)脈沖，該脈沖同時(shí)送到A計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。當(dāng)雙模分頻器輸出A個(gè)脈沖,也就是VCO輸入(P+1)A個(gè)脈沖時(shí)

18、，A計(jì)數(shù)器減為0，由控制邏輯產(chǎn)生換模信號(hào)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(shí)， A計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)， N計(jì)數(shù)器繼續(xù)從(N-A)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。當(dāng)VCO再送入(N-A)P個(gè)脈沖后，N計(jì)數(shù)器也減到0。這時(shí),N計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一輸出脈沖給鑒相器進(jìn)行鑒相。與此同時(shí)控制邏輯的換模信號(hào)MC變?yōu)椤?”,又開(kāi)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(jì)數(shù)器、N計(jì)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(zhuān)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(dāng)混頻器工作于下變頻狀態(tài)時(shí)，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(shí)，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(diǎn)：較高輸岀頻率情況下,滿足頻率間隔小,多信道的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：增加本振源,且混頻使寄生分量增多,信號(hào)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(shí), 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(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 MC145106方框圖 MC145106引出端排列圖 民用波段收發(fā)信機(jī)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(shí)，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(yīng)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