综合课程设计
频率合成器的设计与仿真
前言
现代通信系统中，为确保通信的稳定与可靠，对通信设备的频率准确率和稳定度提出了极高的要求. 随着电子技术的发展，要求信号的频率越来越准确和越来越稳定，一般的振荡器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高准确度和高稳定度早已被人们认识，成为各种电子系统的必选部件。但是晶体振荡器的频率变化范围很小，其频率值不高，很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求，在这些应用领域，往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源，这就需要应用频率合成技术来满足这一需求。
本次实验利用SystemView实现通信系统中锁相频率合成器的仿真，并对结果进行了分析。
一、频率合成器简介
频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。用来产生这些频率的部件就成为频率合成器或频率综合器。频率合成器通过一个或多个标准频率产生大量的输出频率，它是通过对标准频率在频域进行加、减、乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路来实现。其主要技术指标包括频率范围、频率间隔、准确度、频率稳定度、频率纯度以及体积、重量、功能和成本。
频率合成器的合成方法有直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快(小于100ns)，但是体积大、功耗大，成本高，目前已基本不被采用。锁相频率合成器通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算，其结构是一种闭环系统。其主要优势在于结构简化、便于集成，且频率纯度高，目前广泛应用于各种电子系统。直接式频率合成器中所固有的那些缺点，在锁相频率合成器中大大减少。
本次实验设计的是锁相频率合成器。
二、锁相环频率合成器原理
2.1 锁相环路设计基础
这一部分首先阐明了锁相环的基本原理及构成，导出了环路的相位模型和基本方程，概述了环路的工作过程， 2.1.1锁相环基本原理
锁相环（PLL ）是一个相位跟踪系统。最基本的锁相环方框图如图1所示。它包括三个基本部件，鉴相器（PD ） 环路滤波器（LF ）和压控振荡器（VCO ）
图１ 锁相环的基本构成
设参考信号
()sin[()]r r r r u t U t t ωθ=+ (1)
式中 Ur 为参考信号的幅度 ωr 为参考信号的载波角频率
θr (t)为参考信号以其载波相位ωr t 为参考时的瞬时相位 若参考信号是未调载波时，则θr (t)= θ1=常数。
设输出信号为 0()cos[()]o o o u t U t t ωθ=+ (2) 式中 U o 为输出信号的振幅,ω0为压控振荡器的自由振荡角频率
θ0 (t)为参考信号以其载波相位ω0t 为参考时的瞬时相位, 在VCO 未受控制 它是常数，受控之后他是时间函数。则两信号之间的瞬时相位差为
0000()(())(())()()e r r r r t t t t t θωθωθωωθθ=+-+=-+- (3)
由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为
(4)
鉴相器是相位比较器，它把输出信号u o (t)和参考信号u r (t)的相位进行比较，
()()e r d t d t dt
dt
θθωω=--
产生对应于两信号相位差θe (t)的误差电压u d (t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压u d (t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压u c (t )的控制，u c (t)使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。
因此，锁相环的工作原理可简述如下：首先，鉴相器把输出信号u o (t)和参考信号u r (t)的相位进行比较，产生一个反应两信号的相位差θe (t)大小的误差电压u d (t)，u d (t)经过环路滤波器的过滤得到控制电压u c (t)。u c (t)调整VCO 的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定。锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即
(5)
此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率ω0[控制电压u c (t)=0时的频率]，其偏移量由式（4）和式（5）得到为
这时输出信号的工作频率已变为
00()(())c c r d t d
t t dt dt
θωθωω+=+= (6) 由此可见，通过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。 2.1.2 基本环路方程
为了建立锁相环路的数学模型，首先建立鉴相器、环路滤波器、压控振荡器的数学模型。
1. 鉴相器
鉴相器(PD)又称相位比较器，它是用来比较两个输出信号之间的相位差 θe (t)。鉴相器输出的误差信号u d (t)是相差θe (t)的函数。
鉴相器按其鉴相特性分为正弦型，三角形和锯齿波形。作为原理分析，通常使用正弦型，较为典型的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接构成。 其模型如图2所示：
()lim 0
e t d t dt
θ→∞=00
()
r d t dt
θωω=-
图２ 正弦鉴相器模型
若以压控振荡器的载波相位ω0t 作为参考，讲输出信号u 0(t)与参考信号u r (t)
变形，有：
0002()cos[()]u t U t t ωθ=+
01()sin[()]sin[()]r r r r r u t U t t U t t ωθωθ=+=+
式中，θ2 (t)= θ0 (t)，
100()()()()r r r t t t t t t θωωθωθ=++=?+
将u 0(t)与u r (t)相乘，滤波2ω0分量，可得：
12()sin[()()]()d d d e u t U t t U t θθθ=-=
式中，U d (t)= K m U r U o /2，K m 为相乘器的相乘系数，单位为[1/V]，U d 越大，在
同样的θe (t)下，鉴相器的输出就越大。因此，U d 在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。θe (t)= θ1 (t)- θ2 (t)为相乘器输入电压的瞬时相位差。下图是正弦鉴相器的数学模型和鉴相特性。
图3 正弦鉴相器的数学模型
图4 正弦鉴相器的鉴相特性
)
2.环路滤波器
环路滤波器（LF ）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压u d (t)中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。环路滤波器由线性原件电阻、电容、和运算放大器组成。它是一个线性系统。
常用的环路滤波器有RC 积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器三种。下面以介绍有源比例积分滤波器为主。
有源比例积分滤波器
有源比例积分滤波器由运算放大器组成。当运放器开环电压增益A 为有限值时，它的传递函数为
(7)
式中'111222();R AR R C R C ττ=++=
由图5可见，它也具有低通特性与比例作用。相频特性也有超前校正的作用。
图5 有源比例积分滤波器及其特性
3.压控振荡器
压控振荡器（VCO ）是一个电压-频率变换器，再换路政作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压u c (t)的线性的变化，即
(8)
式中ωv (t)是VCO 的瞬时角频率，K 0是线性特性斜率，表示单位控制电压，可使VCO 角频率变化的数值。因此又称为VCO 的控制灵敏度与增益系数，单位为[/rad s v ?].在锁相环路中，VCO 的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，
R
度)0
－42－9(a )
度)
2
1
()1()()1c d U s s F s A
U s s ττ+=
=-'+0()()
v d c t k u t ωω=+
而是瞬时相位，即
12()()()c t t t θθθ=-
(9)
将此式与u o (t )=U o cos ［ω0t +θ2(t )］，比较，可以知ω0t 为参考时的输出瞬时相位为
2()sin ()()
d
d e K t U t F p p
θθ= (10) 由此可见，VCO 在锁相环中起了一次积分作用，因此也称他为环路中的固有积分环节。上式就是压控振荡器相位控制的模型，若对上式进行拉氏变换，可得
到在复频域的表示式为
VCO 的传递函数为 (11)
下图为VCO 的复频域的数学模型。
图6 VCO 的复频域模型
2.1.3 环路相位模型和基本方程
上面分别得到了鉴相器，环路滤波器和压控振荡器的模型，将三个模型连接起来，就可以得到锁相环路的模型。如下图7所示
图7 锁相环路相位模型
复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示。其中（p=d/dt ）是微分算子。由
22()()()c
d
d
c U
s k s
s k U s s
θθ==
上图可以得出锁相环路的基本方程。
(12) (13)
将(9)代入(8)得
(14) 设环路输入一个频率ωr 和相位θr 均为常数的信号，即
式中，ω0是控制电压u c (t)=0时VCO 的固有振荡频率，θr 是参考输入信号的相位。
令
则 (15) 将式(11)代入式（10）可得固有频率输入时的环路基本方程
(16) 在闭环之后的任何时刻存在着如下关系：
瞬时频差=固有频差-控制频差，
记为0()v ωωω?=?-?，即00()()r v r v ωωωωωω-=--- 2.1.4 锁相环工作过程的定性分析
式（12）是锁相环路的基本方程，求解此方程，就可以获得锁相环路的各种性能指标，如锁定、跟踪、捕获、失锁等。但要严格的求解基本方程式往往是比较困难的。式中已认为压控振荡器的控制为线性，但因鉴相特性的非线性，基本方程是非线性方程。又因为压控振荡器的固有积分作用，基本方程至少是一阶非线性微分方程。若在考虑环路滤波器的积分作用，方程可能是高阶的。 1.锁定状态
当在环路作用下，调整控制频差等于固有频差时，瞬间相差θe (t)趋向于一个固定值，并一直保持下去，即满足
(17)
此时认为锁相环路进入锁定状态。 2.跟踪过程
122()()()()sin ()()c d
d e t t t K
t U t F p p
θθθθθ=-=101()()sin ()()()sin ()()e d e e p t p t K U t F p p t K t F p θθθθθ=-=-00()sin[]sin[()r r r r r r r
u t U t U t t ωθωωωθ=+=+-+10100
()()()r r
r t t p t θωωθθωωω=-+=-=?00()sin ()()
e d e p t K U t F p θωθ=?-lim ()0
e t p t θ→∞
=
跟踪是在锁定的前提下，输入参考频率和相位在一定的范围内，以一定的速率发生变化时，输出信号的信号与相位以同样的规律跟随变化，这一过程称为环路的跟踪过程。
3.失锁状态
失锁状态是瞬时频差ωr -ωv 总不为零的状态。这时环路具有频率牵引效应。 4.捕获过程
若环路原本是失锁的，但环路能够通过自身的调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。
2.1.5 锁相环路的线性分析
锁相环路的线性分析的前提是环路同步，线性分析实际上是鉴相器的线性化。虽然压控振荡器也可能是非线性的，但只要恰当的设计与使用就可以做到控制特性线性化。鉴相器在具有三角波和锯齿波鉴相特性是具有较大的线性范围. 而对于正弦型鉴相特性,当|θe |≤π/6时,可把原点附近的特性曲线视为斜率为K d 的直线,如图8所示。因此可得：
(18)
用K d θe (t )取代基本方程式(16)中的
10()()()()e d e p t p t K K F p t θθθ=- (19)
U d sin θe (t )可得到环路的线性基本方程或
10()()()e e p t p t K F t θθθ=- (20)
式中，K=K 0K d 称为环路增益。K 的量纲为频率。式(20)相应的锁相环线性相位模型如下图所示。
图8正弦鉴相器线性化特性曲线 图9 线性化鉴相器的模型
()()
d d c u t K t θ
=
图 10 锁相环的线性相位模型(时域)
2.2频率合成器及其技术指标
频率合成一个或少量的高准确度高稳定的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率.这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件.
1． 频率范围
频率范围是指频率合成器输出的最低频率f omin 和最高频率f omax 之间的变化范围,也可用覆盖系数k=f omax /f omin 表示（k 又称之为波段系数）。如果覆盖系数k>2~3时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。
2． 频率间隔（频率分辨率）
频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。
3． 频率转换时间
频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。
4． 准确度与频率稳定度
频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。
2.3锁相环频率合成器工作原理
锁相频率合成的基本方法是：锁相环路对高稳定度的参考振荡器锁定，环内串接可编程的程序分频器，通过编程改变程序分频器的分频比N ，从而就得到N 被
参考频率的稳定输出。按上述方式构成的单环锁相频率合成器是锁相频率合成器的基本单元。锁相频率合成器基本框图如图所示：
图11 锁相环频率合成器原理图
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准(参考)输入信号时, 环路滤波器的输出为零(或为某一固定值) 。这时, 压控振荡器按其固有频率f V 进行自由振荡。当有频率为R f 的参考信号输入时, R u 和V u 同时加到鉴相。如果R f 和f V 相差不大, 鉴相器对R u 和V u 进行鉴相的结果, 输出一个与R u 和V u 的相位差成正比的误差电压d u , 再经过环路滤波器滤去d u 中的高频成分, 输出一个控制电压c u , c u 将使压控振荡器的频率f V (和相位)发生变化, 朝着参考输入信号的频率靠拢, 最后使f V = R f 。压控振荡器的输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间只有一个固定的稳态相位差, 而没有频差存在。相差不再随时间变化, 误差电压为一固定值, 这时环路就进入“锁定”状态。 此时有: R f = d f
d f 是VCO 输出频率0f 经N 次分频后得到的, R f 是 参考频率osc f 经过R 分频得到的, 即：
R f = osc f /R
d f = 0f /N
所以, 输出频率
0f =N ×R f =
N
R
×osc f 这就可以实现按增量R f 来改变输出频率, 实现频率合成, 当然R f 也是可以通
过选择不同的R 来改变的。
三、SystemView 环境下的频率合成器模型建立
3.1仿真模型建立
根据锁相环环路特性选择SyetemView 函数库提供的理想乘法器作为鉴相器; 频率调制器模块作为VCO 以及分频模块和低通滤波器建立仿真模型,如下图所示：
图12 锁相环频率合成器仿真模型
为了节省时间，参考振荡器直接采用了频率较低的10Hz 正弦波信号（图符0），而没有采用由一个较高的参考振荡器经过分频R 得到R f 的方法.锁相环的鉴相器使用了乘法器型的相位检测器（图符1），在滤波器前端加入了一个100Hz 的采样图符（图符3）以减少系统仿真时的运行时间. 环路低通滤波器使用了一个8 极点的贝塞尔低通滤波器（图符4），带宽为5Hz . 图符8是采样保持器，用于采样后返回系统采样率. 锁相环的VCO 用了一个FM 图符代替（图符2），其载波频率设置为195Hz ，增益为20Hz/V . 分频器使用通信图符库中的N 倍分频器（图符7），若分频比取N=20，则锁相环的输出0f 应该锁定在200Hz (0f =N R f =20×10)上. 滤波器后面加了一个传递函数为H(s)的线性系统（图符14），用于建立闭环响应的控制极点. 由于0f =200Hz ，FM 载波频率设置为195Hz ，所以闭环响应极点在5Hz 处。
因此可设置H(s)=
21 25
s+
，本次试验系统的采样率设置为1000Hz。采样点为16000点。
3.2 实验结果分析
图符10的输出信号功率谱图如图3.2.1所示，在200Hz有较高的能量峰值,说明输出信号被锁定在200Hz上了.若将N改为19，则输出信号的频率应该在190Hz，如图3.2.2所示,仿真的结果在190Hz处的频谱有峰值.若改变N为其它值，则输出信号的频谱将变为10Hz的整数倍.但事实上由于锁相环的锁定范围限制（与滤波器带宽和VCO的载波最大变化范围有关）,只能输出VCO载波频率附近的几个整数倍的频率.
图13 N=20 时频率合成器输出信号的功率谱
图14 N=19 时频率合成器输出信号的功率谱
3.3仿真过程中需要注意的问题
1．合理设置采样率以及采样点数, 采样点数只能是整数。
2．SystemView要求截止频率必须大于系统采样频率的百分之一, 反复调试, 使低通滤波器的截止频率在鉴相器输出的频率差和频率和之间找到合适的点。
3．要体现锁相环路跟踪特性, 必须满足下面3个必要条件:
(1) 参考信号的频率必须在同步带内;
(2) 锁相环路参考输入端的最大频率界要必须小于失步带;
(3) 参考频率的变化ω
?必须小于2
n
ω,如果其中某一条件不满足, 则锁相环路随时会失去跟踪状态。
四、结束语
通过上述仿真结果可知，利用SystemView软件可以方便、快速地进行通信系统的仿真。通过学习使用SystemView软件我去网上以及图书馆找到软件的学习资料来完善对该软件的认识以及应用。同时在这两周中的学习使我对数字信号处理、高频等几门课程有了进一步的了解，使我加强了动手、思考和解决实际问题的能力。
在设计过程中，暴露出了自己的许多不足，自主解决问题的能力十分欠缺，这在以后得需要我进一步的加强。同时通过这次课程设计让我认识到了团队合作的重要性，并积累了团队合作的一些经验，弥补了自己的一些不足之处，这对以后的工作和解决实际问题都有了很好的帮助。我感觉本次课程设计我的收获还是颇多的。
五、参考文献
[1] 张厥盛. 锁相技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，2000.
[2] 曾兴雯.陈健等. 高频电路原理与分析[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，2006.
[3] 武建华. 数字通信系统的SystemView仿真与分析[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001
[4] 任艳玲.利用SystemView对锁相环频率合成器的仿真[J].试验科学与技术,2007, 03 - 0012 – 03.
[5] 康丽生.SystemView 实现通信系统中锁相环电路的仿真[J].河南科学,2006, 04- 0536- 03.
综合课程设计 频率合成器的设计与仿真
前言 现代通信系统中，为确保通信的稳定与可靠，对通信设备的频率准确率和稳定度提出了极高的要求. 随着电子技术的发展，要求信号的频率越来越准确和越来越稳定，一般的振荡器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高准确度和高稳定度早已被人们认识，成为各种电子系统的必选部件。但是晶体振荡器的频率变化范围很小，其频率值不高，很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求，在这些应用领域，往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源，这就需要应用频率合成技术来满足这一需求。 本次实验利用SystemView实现通信系统中锁相频率合成器的仿真，并对结果进行了分析。 一、频率合成器简介 频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。用来产生这些频率的部件就成为频率合成器或频率综合器。频率合成器通过一个或多个标准频率产生大量的输出频率，它是通过对标准频率在频域进行加、减、乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路来实现。其主要技术指标包括频率范围、频率间隔、准确度、频率稳定度、频率纯度以及体积、重量、功能和成本。 频率合成器的合成方法有直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快(小于100ns)，但是体积大、功耗大，成本高，目前已基本不被采用。锁相频率合成器通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算，其结构是一种闭环系统。其主要优势在于结构简化、便于集成，且频率纯度高，目前广泛应用于各种电子系统。直接式频率合成器中所固有的那些缺点，在锁相频率合成器中大大减少。 本次实验设计的是锁相频率合成器。
锁相环的原理 2007-01-23 00:24 1．锁相环的基本组成 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的 输入信号与部的振荡信号同步，利用锁相环 路就可以实现这个目的。 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路部振荡信号的频率和相位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成u D（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。 2．锁相环的工作原理 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： （8-4-1） （8-4-2） 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压u D为： 用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C （t）。即u C（t）为： （8-4-3） 式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：
锁相环（PLL）频率合成调谐器 调谐器俗称高频头，是对接收来的高频电视信号进行放大（选频放大）并通过内部的变频器把所接收到的各频道电视信号，变为一固定频率的图像中频（38MHz）和伴音中频以利于后续电路（声表面滤波器、中放等）对信号进行处理。 调谐器（高频头）原理： 高频放大：把接收来的高频电视信号进行选频放大。 本机振荡器：产生始终高于高频电视信号图像载频38MHz的等幅载波，送往混频器。 混频器：把高频放大器送来的电视信号和本机振荡器送来的本振等幅波，进行混频产生38MHz的差拍信号（即所接收的中频电视信号）输出送往预中放及声表面滤波器。 结论：简单的说：只要改变本机振荡器的频率即可达到选台的目的） 一、电压合成调谐器：早期彩色电视接收机大部分均采用电压合成高频调谐器，其调谐器的选台及波段切换均由CPU输出的控制电压来实现（L、H、U波段切换电压及调谐选台电压），其中调谐选台电压用来控制选频回路和本振回路的谐振频率，调谐选台电压的任何变化都将导致本机振荡器频率偏移，选台不准确、频偏、频漂。为了保证本机振荡器频率频率稳定，必须加上AFT系统。由于AFT系统中中放限幅调谐回路和移相网络一般由LC谐振回路构成，这个谐振回路是不稳定的，这就造成了高频调谐器本机振荡器频率不稳，也极易造成频偏、频漂。
二、频率合成调谐器 1、频率合成的基本含义：是指用若干个单一频率的正弦波合成多个新的频率分量的方法（频率合成调谐器的本振频率是由晶振分频合成的）。 频率合成的方法有很多种。下图为混频式频率合成器方框图 以上图中除了三个基频外还有其“和频”及“差频”输出（还有各个频率的高次谐波输出）。 输出信号的频率稳定性由基准信号频率稳定性决定，而且输出信号频率误差等于各基准信号误差之和，因此要想减少误差除了要提高基准信号稳定度之外还应减少基准信号的个数。 2、锁相环频率合成器： 其方框图类似于彩色电视接收机中的副载波恢复电路，只是在输入回路插入了一个基准信号分频器（代替色同步信号输入）而在反馈支路插入一个可编程分频器（代替900移相）。当环路锁定时存在如下关系： ∵ fk=f0 / K 式中：fvco为压控振荡器输出信号频率。 fn=fvco / N f0 为晶振基准频率。 fk=fn K为分频系数。 ∴ fvco=N?fo / K N为可变分频器的分频系数（分频比） 彩色电视机幅载波恢复电路
第16卷 第6期V ol.16 N o.6重庆工学院学报 Journal of Chongqing Institute of T echnology 2002年12月 Dec.2002 文章编号:1671—0924(2002)06—0045—05 频率合成技术及其实现 Ξ 张 建 斌 (常州技术师范学院电信系,江苏常州 213001) 摘要:综述了两种频率合成技术的原理、特点、工程设计应注意的问题及各种实现方法。关键 词:频率合成;锁相环;直接数字频率合成;FPG A ;DSP 中图分类号:T N925+16 文献标识码:A 0 引言 高性能频率源是通信、广播、雷达、电子侦察和对抗、精密测量仪器的重要组成部分。现代通信技术的飞速发展对频率源提出了越来越高的要求。性能卓越的频率源均通过频率合成技术来实现。频率合成技术是指将一个高稳定度和高精确度的标准频率经过一定变换,产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术。按频率合成技术的发展过程,可将频率合成的方法按其型式分为三大类:直接式频率合成器、锁相式频率合成器和直接数字式频率合成器。在直接式频率合成器中,基准信号直接经过混频、分频、倍频、滤波等频率变换,最后产生大量离散频 率的信号。这种方法虽然频率转换时间短、并能产生任意 小数值的频率间隔,但由于其频率范围有限,而更重要的是由于其中采用了大量的混频、分频、倍频、滤波等电路,使频率合成器不仅带来了庞大的体积和重量,耗电多、成本高,而且输出的谐波、噪声及寄生频率多且难以抑制,因而现在已很少使用。 1 频率合成器的原理 1.1 锁相频率合成器[1] 锁相频率合成器基于锁相环(P LL )进行工作,其基本组成如图1所示 : 图1 P LL 的基本组成 图1中,f r 为标准频率,发射系统中为晶体振荡器产生的标准频率信号,接收系统中为收到的标准频率信号。 f 0为锁相环路输出信号的频率。当环路锁定时,则有f 0=Nf r 。因此,通过频率选择开关改变分频比N ,可使压控振 荡器的输出信号频率被控制在不同的频道上,其频道间隔即频率分辨率为f r 。这便是锁相频率合成器的基本工作原理,图1所示也称为单环频率合成器。图1的单环频率合成器存在一些缺陷,以致于难于同时满足合成器在频带宽 度、频率分辨率和频率转换时间等多方面的性能要求。因此,实际常采用多环频率合成器、双模分频频率合成器或小数分频频率合成器等方法来解决这些矛盾。 1.2 直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis ———DDS )1. 2.1 DDS 的基本原理 直接数字式频率合成技术是根据周期信号的波形特点(一个周期内不同的相位处对应不同的电压幅度)、 Nyquist 取样定律及数字计算技术,把一系列事先对模拟周 Ξ收稿日期:2002-09-03 作者简介:张建斌(1966-),男(汉族),陕西人,副教授,主要从事频率合成、无线通信研究.
锁相频率合成器的设计 引言： 锁相频率合成器是基于锁相环路的同步原理，有一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器，合成出许多离散频率。即将某一基准频率经过锁相环的作用产生需要的频率。 一． 设计任务和技术指标 1. 工作频率范围：300kHz —700kHz 2. 电源电压：Vcc=5V 3. 通过原理图确定电路，并画出电路图 4. 计算元件参数选取电路元件（R1，R2，C1及环路滤波器的配置） 5. 组装连接电路，并测试选取元件的正确性 6. 调试并测量电路相关参数（测量相关频率点，输出波形，频率转换时间t c ） 7. 总结并撰写实验报告 二． 设计方案 原理框图如下： 由上图可知，晶体振荡器的频率f i 经过M 固定分频后得步进参考频率f REF ，将f REF 信号作为鉴相器的基准与N 分频器的输出进行比较，鉴相器的输出U d 正比于两路输入信号的相位差，U d 经环路滤波得到一个平均电压U c ，U c 控制VCO 频率f 0的变化，使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小，直到鉴相器的输出为零或某一直流电平。锁定后的频率为f i /M=f 0/N=f REF 即f 0=(N/M)f i =Nf REF 。当预置分频数N 变化时，输出信号频率f 0随着发生变化。 三． 电路原理与设计 （一） 晶体振荡器的设计 用2.5M 晶体和非门组成2.5MHz 振荡器。如下图所示： （二） M 分频电路
分频器选用74LS163，M=100 （三）锁相环的设计 CD4046压控振荡电路图如下： 数字锁相环CD4046有两个鉴相器、一个VCO、一个源极跟随器（本实验未用）和一个齐纳二极管组成。鉴相器有两个共用的输入端PCA IN和PCB IN，输入端PCA IN既可以与大信号直接匹配，又可间接与小信号相接。
四川师范大学本科毕业设计 基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现 学生姓名 院系名称 专业名称 班级级班 学号 指导教师 完成时间年月日
基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现 电子信息工程专业 学生姓名指导老师 摘要随着通信信息技术的快速发展，信号产生的方式多种多样，然而数字式锁相环频率合成器在信号产生技术中扮演了越来越重要的作用，数字式锁相环频率合成器在频率频率稳定度和频谱纯度上，频率输出个数上有着巨大的优势，是其他器件所不能代替的！因此在军用和民用雷达领域，各种导航器以及通信领域广泛运用！ 基于此，本人设计了一个由晶体振荡器和分频器，锁相环路（鉴相器，低通滤波器，压控振荡器）组成的数字式锁相环频率合成器，晶体振荡器的作用是产生一个固定的频率，然后通过分频器得到一个基准频率，锁相环路对基准频率进行频率合成，到最后，合成后的频率经过放大器，使不同的频率的幅度稳定在一定的范围内，这样的话不会是信号不会随着输出频率的变化而减少！ 数字式锁相环频率合成器是开环系统的，频率转换时间很短，分辨率也较高，结构相对简单，成本也不高，输出的频率在稳定度和精准度上也有很大的优势。但是，由于毕业在即时间紧张，本人经验有些不足，希望老师和同学们帮助与指导。 关键词：锁相环频率合成晶体振荡器分频器锁相环路
The Design and Implementation of Digital Pll Frequency S ynthesizer Abstract With the rapid development of communication technology, signal way is varied, but in signal digital phase locked loop frequency synthesizer technology plays an increasingly important role, digital phase locked loop frequency synthesizer on the frequency stability and frequency spectrum purity, frequency output factor has a huge advantage, is cannot replace by other device! So in the field of military and civilian radar, navigator, and widely used communication field. Based on this, I designed a by the crystal oscillator and a frequency divider, phase locked loop (phase discriminator, low-pass filter, a voltage controlled oscillator) consisting of digital phase locked loop frequency synthesizer, the effect of crystal oscillator is a fixed frequency, then a reference frequency is obtained by frequency divider, phase locked loop frequency synthesis was carried out on the fundamental frequency, in the end, after the synthesis of frequency through the amplifier, the size of the different frequency stability in a certain range, so not the signals are not as the change of output frequency and less! Digital phase locked loop frequency synthesizer is the open loop system, frequency conversion time is short, the resolution is higher also, structure is relatively simple, the cost is not high, the output frequency of the in stability and precision also has a great advantage. However, due to the graduation of time is tight, I experience some shortage, hope the teacher and the students help and guidance. Key words: Phase-locked loop Frequency synthesis Crystal oscillator Divider Phase locked loop
锁相环频率合成技术及其应用 在当今的调频广播发送技术中，为了适应对发射机输出频率稳定度和频率准确度的严格要求，以及方便更换发射机频率的需要，在固态调频发射机中普遍使用了锁相技术和频率合成技术。锁相环频率合成器成为固态调频发射机重要的组成部分。 锁相环频率合成器的优点在于其能提供频率稳定度很高的输出信号，能很好地抑制寄生分量，避免大量使用滤波器，因而有利于集成化和小型化。而频率合成器中的程序分频器的分频比可以使用微机进行控制，易于实现发射机频率的更换及其频率显示的程控和遥控，促进全固态调频发射机的数字化、集成化和微机控制化。 将一个标准频率（如晶振参考源），经过加、减、乘、除运算，变成具有同一稳定度和准确度的多个所需频率的技术，称为频率合成技术。 控制振荡器，使其输出信号和一个参考信号之间保持确定关系的技术，称为锁相技术。把由基准频率获得不同频率信号的组件或仪器，称为“频率合成器”。 频率合成的方法很多，但大致可分成两大类：直接合成法和间接合成法。 固态调频发射机中的频率合成器采用间接合成法。间接合成法一般可用一个受控源（例如压控振荡器）、参考源和控制回路组成一个系统来实现。即用一个频率源，通过分频产生参考频率，然后用锁相环（控制回路），把压控振荡器的频率锁定在某一频率上，由压控振荡器间接产生出所需要的频率输出。 1锁相环基本工作原理 一个基本的锁相环路由以下3个部件组成：压控振荡器（VCO）、鉴相器（PD）和环路滤波器（LF），如图1所示。 当锁相环开始工作时，输入参考信号的频率f i与压控振荡器的固有振荡频率f 0总是不相同的，即f i≠f 0，这一固有频率差△f=f i-f 0必然引起它们之间的相位差不断变化，并不断跨越2π角。由于鉴相器特性是以相位差2π为周期的，因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率f 0趋向于参考信号的频率f i，直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等，并满足一定条件，环路就在这个频率上稳定下来。两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数，这时环路就进入“锁定”状态。 当环路已处于锁定状态时，如果输入参考信号的频率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。而环路不处于锁定和跟踪状态，这个动态过程称为“失锁”过程。 从上述分析可知，鉴相器有两个主要功能：一个是频率牵引，另一个是相位锁定。 2锁相环频率合成器工作原理 锁相环路总是有可编程分频器加在压控振荡器VCO和鉴相器PD之间。在锁相环路中加入可编程分频器可以起到两个很关键的作用：首先是不改变输入参考频率就可以改变压控振荡器VCO的输出频率，为实际应用提供了方便；其次是提高输出频率的分辨率和降低鉴相器的参考频率，进一步提高输出频率的精确度和稳定度。 但是，在目前的技术条件下，可编程分频器的最高工作频率约30MHz。而调频广播频段为87～108MHz，显然，工作频率太高而不能直接使用可编程分频器。在这种情况下，通常在可编程分频器前端加入一个前置固定分频模数为M的ECL分频器，如图2所示。ECL固定分频器的工作频率可高达几GHz。当环路锁定时，这种频率合成器的输出频率为f o=N（Mf i）
基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路 频率合成器组成： 频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO电路直接产生。如图3-4所示。 在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO），在射频电路中起着非常重要的作用。本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop）来实现。 2.锁相环： 它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域 3.锁相环基本原理： 锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO）：振
荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。 1、压控振荡器的输出经过采集并分频； 2、和基准信号同时输入鉴相器； 3、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压； 4、控制VCO，使它的频率改变； 5、这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R分频器、N分频器、压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。 锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R分频器和N分频器完成参数配置后。晶振产生的参考频率（Fref）经R分频后输入到鉴相器，同时VCO的输出频率（Fout）也经N分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式输出，并通过LFP滤波，加到VCO的调制端，从而控制VCO的输出频率，使鉴相器两输入端的输入频率相等。 锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见，只要合理设置数值N和R，就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片 锁相环的基准频率为13MHz，通过内部固定数字频率分频器生成5KHz或6.25KHz的参考频率。VCO振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后，与基准频率进行相位比较，产生误差控制信号，去控制VCO，改变VCO的振荡频率，从而使VCO输出的频率满足要求。如图3-5所示。 N=F VCO/F R N：分频次数 F VCO：VCO振荡频率
基于MC145152+MC12022+MC1648L+LM358 的锁相环电路 一、MC145152（鉴相器） MC145152－2 芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。它是MC145152－1 芯片的改进型。主要具有下列主要特征： （1）它与双模（P／（P＋1））分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC 为低电平时，双模分频器用（P＋1）去除；当MC 为高电平时，双模分频器用模数P 去除。 （2）它有 A 计数器和N 计数器两个计数器。它们与双模（P／（P＋1））分频器提供了总分频值（NP＋A）。其中，A、N 计数器可预置。N 的取值范围为3～1023，A 的取值范围为0～63。A 计数器计数期间，MC 为低电平；N 计数器计数（N－A）期间，MC 为高电平。 （3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。 （4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。设置方法通过改变RA0、RA1、RA2的不同电平，接下来会讲到。 （5）它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV 用来输出鉴相误差信号，LD 用来输出相位锁定信号。 MC145152－2 的供电电压为3．0 V～9．0 V，采用28 脚双列封装形式。MC145152－2的原理框图如图1 所示 MC145152－2 的工作原理：参考振荡器信号经R 分频 器分频后形成fR 信号。压控振荡器信号经双模P/(P＋ 1)分频器分频，再经A、N 计数器分频器后形成fV 信 号，fV＝fVCO/(NP＋A)。fR 信号和fV 信号在鉴相器中 鉴相，输出的误差信号（φR、φV）经低通滤波器形成 直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。 当整个环路锁定后，fV＝fR 且同相，fVCO＝（NP＋A） fV＝（NP＋A）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和 准确度的任意频率。原理框图如右图：
PLL(Phase Locked Loop)锁相环 锁相环的基本组成 PLL(Phase Locked Loop)：为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。PLL用于振荡器中的反馈技术。 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PL L,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phas e Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Control led Oscillator）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图所示。 PLL原理框图 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。 锁相环的工作原理 锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。P LL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。 通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件 板卡的不同而不同。对于基于PCI总线的产品（M系列数据采集卡，PCI数字化仪等），所有的同步都是通过RTSI总线上的时钟和触发线来实现的；这时，其中一块版板卡会作为主卡并且输出其内部时钟，通过RTSI线，其他从板卡就可以获得这个用于同
基于锁相环的频率合成电路设计 0 引言 锁相环简称PLL，是实现相位自动控制的一门技术，早期是为了解决接收机的同步接收问题而开发的，后来应用在电视机的扫描电路中。由于锁相技术的发展，该技术已逐渐应用到通信、导航、雷达、计算机到家用电器的各个领域。自从20 世纪70年代起，随着集成电路的发展，开始出现集成的锁相环器件、通用和专用集成单片锁相环，使锁相环逐渐变成一个低成本、使用简便的多功能器件。如今，PLL 技术主要应用在调制解调、频率合成、彩电色幅载波提取、雷达、FM立体声解码等各个领域。随着数字技术的发展，还出现了各种数字PLL器件，它们在数字通信中的载波同步、位同步、相干解调等方面起着重要的作用。随着现代电子技术的飞快发展，具有高稳定性和准确度的频率源已经成为科研生产的重要组成部分。高性能的频率源可通过频率合成技术获得。随着大规模集成电路的发展，锁相式频率合成技术占有越来越重要的地位。由一个或几个高稳定度、高准确度的参考频率源通过数字锁相频率合成技术可获得高品质的离散频率源。 1 锁相环及频率合成器的原理 1．1 锁相环原理 PLL是一种反馈控制电路，其特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因PLL可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以PLL通常用于闭环跟踪电路。PLL在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相同时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是PLL名称的由来。PLL通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，PLL组成的原理框图如图1所示。 PLL中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2所示。
锁相环的发展历史、运用和芯片介绍 摘要：本文分三个部分，主要介绍了锁相环的发展历程，以及频率合成器在现代数字电路系统中的运用，最后，介绍了两块锁相环芯片：集成锁相环芯片Si4133和微波集成锁相环芯片ADF4106。让我们对锁相技术有比较好的认识和理解。 关键字：锁相环频率合成器锁相环芯片 引言：在当今数字电路高速发展的时代，集成电路的规模越来越大，集成的环路器件、通用和专用集成单片PLL，使锁相环逐渐变成了一个低成本、使用简便的多功能器件，使它在更广泛的领域里获得了应用。所以，无论是哪一方面的电路设计，都离不开锁相技术，了解其基本的知识，能对我们理解电路有更好的帮助。 正文： （一）锁相环路的发展历史 锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动反馈控制技术。 锁相技术是实现相位自动控制的一门科学，是专门研究系统相位关系的新技术。从30年代发展开始，至今已逐步渗透到各个领域，早期是为了解决接收机的同步接收问题，后来应用在了电视机的扫描电路中，特别是空间技术的出现，极大推动了锁相技术的发展。近来，锁相技术的应用范围已大大拓宽了，在通信、导航、雷达、计算机直
至家用电器。与此同时，锁相技术的结构也从基本的两阶发展到了三阶甚至高阶，从单环发展到了复合强，其中鉴频鉴相器之所构成的锁相环路因其具有易于集成、锁定速度快、锁定范围宽等优点，成为如今广泛应用的一种结构。 对锁相原理的数学理论描述方面，可追溯到20世纪30年代。1932年，在已经建立的同步控制理论基础上，Bellescize提出了同步检波理论，第一次公开发表了对锁相环路(PLL)的数学描述。众所周知，同步检波的关键技术是要产生一个本振信号，该信号要与从接收端送载检波器的输入载波信号频率相同，否则检波器的输出信号会产生很大的误差，即接收端无法恢复出发送端所发送送信号。而一般的自动频率控制技术中，由于有固有的频率误差而无法满足上述要求。而要保持两个振荡信号频率相等，则必然要使这两个信号相位位差保持恒定，反之亦然，这种现象称之为频率同步或相位锁定，也是锁相技术最基本的概念和理论基础。但当时，这一理论并未得到普遍重视，直到1947年，锁相技术才第一次得到实际的应用，被运用在电视机的水平扫描线的同步装置中。50年代，杰费和里希廷第一次发表了有关PLL线性理论分析的论文，解决了PLL最佳化设计的问题。60年代，维特比研究了无噪声PLL的非线性理论问题，发表了相干通信原理的论文，70年代，Lindsy和Charles在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶PLL的非线经理论分析，直到目前，各国学者仍在对锁相理论和运用进行着广泛而深入的研究。由于技术上的复杂性和较高的生产成本，早期PLL的应用领域主要是在航天、精密测量仪器等方面。
基于单片机的锁相环频率合成器设计毕业设计 目录 摘要 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。Abstract ..................................................................................................... 错误！未定义书签。1绪论 .. (1) 1.1 设计背景及意义 (3) 1.2 锁相环频率合成器综述 (3) 2基于单片机的锁相环频率合成器方案设计与论证 (4) 2.1 课题研究的内容与要求 (4) 2.2 方案的设计与选择 (4) 2.3 设计原理 (5) 2.3.1 锁相环基本原理 (6) 2.3.2 锁相频率合成器的基本原理 (8) 3 基于单片机的锁相环频率合成器设计方案 (10) 3.1 硬件系统的设计 (10) 3.1.1 74HC4046 (10) 3.1.2 CD4522 (15) 3.1.3 LCD1602 (16) 3.1.4 AT89C51单片机 (18) 3.2 软件系统设计 (22) 3.2.1 软件系统主程序流程图 (22) 3.2.2 键盘扫描流程图 (23) 3.2.3 脉冲计数流程图 (24) 4 电路仿真 (25) 4.1 仿真软件介绍 (25) 4.1.1 proteus (25) 4.1.2 Keil编译软件 (26) 4.2 硬件电路仿真 (27) 4.2.1 锁相环模块 (27) 4.2.2 4522分频器模块 (28) 4.2.3 单片机模块 (29) 4.2.4 显示及按键模块 (30) 结论 (31) 致谢 (32) 参考文献 (33) 附录 (34) 附录A High Speed Digital Hybrid PLL Frequency Synthesizer (34) Abstract (34)
锁相环频率合成器的原理与设计 2.1 锁相环的基本原理和基本公式 对于现代移动通信中的移动台来说，频率合成器是由锁相环路(PLL)构成的。锁相环是一种相位负反馈系统，它利用环路的窄带跟踪与同步特性 将鉴相器一端VCO的输出相位与另一端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能，同时可以得到和参考源相同的频率稳定度。一个典型的频率合成器原理框图如图1所示。设晶振的输出频率为fr，VCO输出频率为fo，则它们满足公式： (1) 其中R和N分别为参考分频器和主分频器的分频比，在外部设置并行或串行数据控制分频比，就可以产生出所需要的频率信号。用锁相环构成的频率合成器具有频率稳定度高、相位噪声小、电路简单易集成、易编程等特点。 随着大规模集成电路的应用，参考分频器、鉴相器和主分频器以及进行程序控制的寄存器能够集成在一块芯片中，如图1中虚线框所示，这样整个电路就仅由一个PLL芯片、一片晶振、一片VCO以及环路滤波器等分立元件组成，大大减小了体积，也降低了设计难度。 下面对锁相环同步状态下的线性性能进行分析。 锁相环是传递相位的闭环系统，只要研究环路的相位数学模型或其基本方程就可以获得环路的完整性能。根据图1所示，设θi为晶振经R分频器分频之后的相位，θo为VCO输出相位，θ’o为VCO经N分频器分频之后的相位，θe为鉴相器的输出相位，环路的基本函数可以表示为： (1)闭环传递函数：
2.2 锁相环的设计 (1)鉴相器 在目前应用的小型频率合成器电路中，广泛采用电流泵型数字式鉴频鉴相器，其输出为数字的电流信号I(t)，I(t)的宽度反映了两输入信号的相位差值，极性则反映了两输入信号的相位差的正负。在鉴相器之后的环路滤波器将电流信号转变为电压，控制VCO的变化。它具有以下特点： ①环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特性。 ②输出纹波小。 ③具有鉴频鉴相的功能，鉴相范围宽，捕捉带等于同步带。 ④便于集成，调整方便，性能可靠。 (2)环路滤波器 环路滤波器有无源和有源两种形式，考虑到体积与噪声等因素，在手机中一般采用无源三阶环路滤波器。具体电路如图2所示。 该滤波器是由C1、C2、R2组成的二阶滤波器和R3、C3组成的辅助滤波器所合成，可以将电流泵鉴相器输出的鉴相电流转换成控制电压。辅助滤波器的作用是抑制 鉴相频率的输出纹波，而对整个滤波器的极点没有影响，所以在推算环路方程时，可以不做考虑。
锁相环频率合成器的仿真设计 1任务 设计一个具有输出jhhug 频率等于N/M输入频率功能的锁相环频率合成电路，并用Proteus 完成仿真。电路示意图如下图所示。 2基本要求 分别用地址开关控制M分频和N分频，当输入信号频率10kHz时，使输出信号频率能在1kHz—200kHz范围内步进变化，步进值为0.5kHz和5kHz。 3提高要求 分别用“加”、“减”按钮开关控制M分频和N分频，当输入信号频率10kHz时，使输出信号频率能在1kHz—200kHz范围内步进变化，步进值为0.5kHz和5kHz。 RC有源滤波器的仿真设计 1任务 设计一组RC有源滤波器电路，它们分别为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、和全通滤波器，并用Proteus完成仿真。 2基本要求 二阶低通滤波器：截止频率f0=1kH z±10%，通带增益<3，Q<10； 二阶高通滤波器：截止频率f0=100H z±10%，通带增益<3，Q<10； 二阶带通滤波器：中心频率f0=3kH z±10%，通带增益<5，Q<10； 二阶带阻滤波器：中心频率f0=50H z±10%，Q<10； 一阶全通滤波器：频率f0=1kH z±10%，通带增益=1，相移=90°； 3提高要求 分别将上述电路进行组合，使之成为一些实用的电路。并综合出调整电路参数改变性能指标的方法。
图1 系统示意图 信号合成电路的仿真设计与制作 1任务 设计制作一个具有产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和三角波功能的电路。系统示意图如图1所示： 2基本要求 2.1方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为1kHz 和3kHz 与5kHz 的正弦波信号，这三种信号应具有确定的相位关系；产生的信号波形无明显失真；幅度峰峰值分别为6V 与2V 和1.2V； 2.2制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的1kHz 和3kHz 正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。 图2利用基波和3次谐波合成的近似方波 2.3再用5kHz 的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波，波形幅度为5V； 2.4根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的1kHz、3kHz、5kHz 各个正弦信号，合成一个近似的三角波形，波形幅度为5V； 3提高要求 合成波形的幅度与直流电平能数字设置和数控步进可调，步进值为0.5V 和0.05V； 1KHz 正弦波
通信专业课程设计——基于锁相环的频率合成器的设计 设 计 报 告 姓名：曾明 班级：通信工程2班 学号：2008550725 指导老师：粟建新
目录 一、设计和制作任务 (3) 二、主要技术指标 (3) 三、确定电路组成方案 (3) 四、设计方法 (4) （一）、振荡源的设计 (4) （二）、N分频的设计 (4) （三）、1KHZ标准信号源设计（即M分频的设计） (5) 五、锁相环参数设计 (6) 六、电路板制作 (7) 七、调试步骤 (8) 八、实验小结 (8) 九、心得体会 (9) 十、参考文献 (9) 附录：各芯片的管脚图 (10)
锁相环CD4046设计频率合成器 内容摘要： 频率合成是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。在通信、雷达、测控、仪器表等电子系统中有广泛的应用， 频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。并且输出频率的准确度不逊色与前两种，因此采用锁相频率合成。 关键词：频率合成器CD4046 一、设计和制作任务 1．确定电路形式，画出电路图。 2．计算电路元件参数并选取元件。 3．组装焊接电路。 4．调试并测量电路性能。 5．写出课程设计报告书 二、主要技术指标 1．频率步进 1kHz 2．频率稳定度f ≤1KHz 3．电源电压 Vcc=5V 三、确定电路组成方案 原理框图如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，通过改变分频器的分配比N，从而就得到N倍参考频率的稳定输出。 晶体振荡器输出的信号频率f1， 经固定分频后（M分频）得到 基准频率f1’，输入锁相环的相 位比较器（PC）。锁相环的VCO
摘要 在现代电子技术的设计与开发过程中，特别是在通信、雷达、航空、航天以及仪器仪表等领域,都需要进一步提高一系列高精度、高稳定度的频率源的频率精度。这样，一般的振荡器已经无法满足各种应用的发展要求，而晶体振荡器的性能虽然比较好,但其频率单一，或只能在极小的范围内进行微调。 锁相环是一个相位误差控制系统。它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相。 本课题给出一种以单片集成PLL芯片74HC4046为核心，并通过AT89C51 单片机对74HC4046进行控制来实现锁相频率合成器的设计方法，设计一个由单片机、定时计数器及单片集成锁相环路组成的可编程控制频率合成器。本文在介绍了74HC4046芯片的内部功能结构的基础上，探讨了锁相频率合成器的基本原理和工作特性,给出了74HC4046的锁相频率合成器的硬件电路结构和软件程序设计方法。该设计经仿真测试证明,锁相效果良好,结构精简，性能可靠。 关键词:74HC4046； AT89C51；频率合成器
Abstract In the design and development process of modern electronic technology, especially in communication, radar, aviation, aerospace, instrumentation and other fields, are needed to further improve the precision offrequency frequency source is a series of high precision, high stability. In this way, the oscillator has beenunable to meet the development requirements of various applications, while the performance of crystaloscillator is good, but the single frequency, or only in the context of minimal fine-tuning. Phase locked loop is a phase error control system. It compares the input signal and the output signal of the oscillator phase difference, thereby generating an error control signal to adjust the frequency of the oscillator, in order to achieve thesame frequency and phase with the signal input. This topic is to design a composed of single-chip, timing counter and monolithic integrated PLL Programmable control frequency synthesizer, so the design process will involve a phase locked loop, frequency synthesizer and the microcontroller knowledge. This paper presents a monolithic integrated PLL chip 74HC4046 as the core, and through the AT89C51 MCU to control 74HC4046 to realize the design method of PLL frequency synthesizer. In this paper the basicfunctional structure of chip of 74HC4046, discusses the basic principle and working characteristics of PLL frequency synthesizer, the hardware structure andsoftware design method of PLL Frequency Synthesizer Based on 74HC4046 is given. The design of the simulation test, the lock-in effect is good, simple structure, reliable performance. Key words:74HC4046; AT89C51; frequency synthesizer