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f r，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θ i为晶振经R分频器分频之后的相位，θ o为VCO输出相位，θ ′ o为VCO经N分频器分频之后的相位，θ e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C １、C 2、R ２组成的二阶滤波器和R ３、Ｃ ３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。
C １、C ２、R ２组成的二阶滤波器的阻抗为：
该环路为三阶环路，在工程上可以进行近似，当满足C １＜C ２／10时，有：
这一传递函数与采用理想积分滤波器的环路闭环传递函数完全相同，所以，采用该滤波器的环路可以近似等效为理想积分二阶环路。
因此可以写出环路的固有频率和阻尼系数分别为：
辅助滤波器的选取以不影响环路带宽和截止频率要低于鉴相频率为度，但应注意C ３实际上包含了VCO变容管的并联电容，所以实际的C ３值要小于理论值。
3 环路中相位噪声和锁定时间的分析
在通信接收机中，频率合成器的相位噪声是影响接收机性能的因素之一。由射频前端频率合成器的相位噪声引起的倒易混频会导致信噪比变差，在进行频率合成器设计时就要考虑使相位噪声达到电路指标，消除因相位噪声变差带来的影响。
3.1 带内噪声的分析
在一般情况下，环路的带内相位噪声由鉴相器、分频器和晶振的噪声决定，而带外相位噪声主要由VCO决定。
［１］张冠百编 锁相与频率合成技术 北京：电子工业出版社，1986
［２］Recommended Minimum Performance Standard for Dual Mode Wideband Sp read Spectrum Cellular Mobile Station TIA／EIA IS 98 A Interim Standard，Apri l，1996 ［３］Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System TIA／EIA IS 95 A，December，1992
［４］卢尔瑞等 移动通信工程 北京：人民邮电出版社，1998年4月
［５］白居宪 低噪声频率合成 西安：西安交通大学出版社，1995年1月
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：
频率合成器课程设计 总结报告 指导教师：曹俊友 组员：李刚、魏虹宇、张朋、蒙荣鸿 专业：电子信息科学与技术092 日期： 2012年1月1日
摘要：本设计是关于锁相环频率合成器的设计，设计主要由电源、自制压控振荡器（VCO）、锁相环频率合成器（PLL）、单片机控制（MCU）显示以及键盘操作五部分组成。电源部分采用稳压芯片获得稳定的3.3V以及5V的电压输出，压控振荡器采用MAX2620芯片外接电感电容并联谐振回路制成，锁相环频率合成器采用ADF4106制成，、采用AT89C52单片机作为系统的控制单元。基本要求：输出频率可改变，输出功率可调整。扩展要求：具有显示功能，具有键盘控制功能。 关键词：锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、环路滤波（LPF）、单片机（MCU） Abstract：This design is about lock cirtle frequency synthesizer design, design mainly by power supply, self-control voltage control oscillation (VCO), and phase lock loop (PLL) frequency synthesizer and single-chip microcomputer control (MCU) display and keyboard five parts. The power supply voltage of the chip made steady 3.3 V and 5 V voltage output, controlled oscillator MAX2620 adopts chip made, lock cirtle frequency synthesizer made by ADF4106, by AT89C52 single chip microcomputer as system, the control unit. Basic requirements: output frequency can change, output power can be adjusted. Expand requirements: display function with the keyboard control function. Key words:Phase lock loop (PLL)、Voltage control oscillation (VCO)、LPF、SCM (MCU)
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
锁相电路（PLL）及其应用 自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的围。 目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。 一、锁相环路的基本工作原理 1．锁相环路的基本组成 锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。 图1 锁相环路的基本组成框图 将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。 在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出
控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。 2．锁相环路的捕捉与跟踪过程 当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。 当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。 捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。 由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ） 鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。 鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路． （1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。 （2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。 （3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。 图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。
前言 频率合成器是现代无线通信设备中一个重要的组成部分，直接影响着无线通信设备的性能。频率合成技术历经了早期的直接合成技术（DS）和锁相合成技术（PLL），发展到如今的直接数字合成技术（DDS）。直接数字合成技术具有分辨率高，转换速度快，相位噪声低等优点，在无线通信中发挥着越来越重要的作用。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。频率合成理论自20世纪30年代提出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形成了目前的4种技术：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术。 本文是以如何设计一个锁相环频率合成器为重点，对频率合成器做了一下概述，主要介绍了锁相环这一部分，同时也对锁相环频率合成器的设计及调试等方面进行了阐述。
1 总体方案设计 实现频率合成的方法有多种，可用直接合成，锁相环式，而锁相环式的实现方法又有多种，例如可变晶振，也可变分频系数M，还可以用单片机来实现等等。下面列出了几种用锁相法实现频率合成的方案。 1.1方案一 图1.1 方案一原理框图 如图1.1所示，在VCO的输出端和鉴相器的输入端之间的反馈回路中加入了一个÷N的可变分频器。高稳定度的参考振荡器信号fR经R次分频后，得到频率为fr的参考脉冲信号。同时，压控振荡器的输出经N次分频后，得到频率为fd的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴频鉴相器进行频率或相位比较。当环路处于锁定状态时，输出信号频率：fo=N*fd。只要改变分频比N，即可实现输出不同频率的fo，从而实现由fr合成fo的目的。其输出频率点间隔Δf＝fr。 1.2方案二
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。
全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日 摘要：锁相环是一种相位负反馈系统，它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展，全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此，本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究，并用VHDL语言编程，利用FPGA仿真。 为解决软件无线电应用扩展到射频，即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题，本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一，它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础，还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。 关键词：全数字锁相环；锁定时间；锁定精度；PID控制；自动变模控制；数控振荡器；时间数字转换器；数字环路滤波器；FPGA； Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言 锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展，但是其应用领域也在不断扩大，随着高新科技的发展，使得它的性能需要不断地改进和提高，因此，锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3]，以适应不同场合的需求。
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
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）
问题: 什么是锁相环（PLL）？锁相环的工作原理是什么？锁相环电路对硬件电路连接有什么要求？ 解答: 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。PLL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步的时钟信号，对于基于PXI总线的产品，则通过将所有板卡的时钟于PXI内置的10MHz背板时钟同步来实现锁相环同步的。关于更多的不同仪器的锁相环技术，请点击下面相关的连接。 锁相环原理及锁相环原理图 1．锁相环的基本组成 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 （t）电压信号输出，该信号经低通滤位差，并将检测出的相位差信号转换成u D 波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u （t），对振荡器输出信号的频率实施 C 控制。 2．锁相环的工作原理 （8-4-1） （8-4-2）
第48卷第1期（总第187期） 2019年3月 火控雷达技术 Fire Control Ｒadar Technology Vol.48No.1（Series 187） Mar.2019 收稿日期：2018-10-24作者简介：饶睿楠（1977－），男，高级工程师。研究方向为频率综合器及微波电路技术。 24GHz 射频前端频率合成器设计 饶睿楠 王 栋 余铁军 唐 尧 （西安电子工程研究所西安710100） 摘要：随着微波射频集成电路集成度越来越高， 24GHz 频段的高集成雷达收发芯片逐渐大规模使用。其中英飞凌科技公司的24GHz 锗硅工艺高集成单片雷达解决方案就是其中具有代表性的一种，被大量应用在液位或物料检测、照明控制、汽车防撞、安防系统。FMCW 为此种应用最多采用的信号调制方式。本文采用锁相环频率合成方案，产生系统所需的FMCW 调制信号。关键词：24GHz 射频前端；FMCW ；频率综合器BGT24AT2ADF4159中图分类号：TN95文献标志码：A 文章编号：1008－8652（2019）01－066－04 引用格式：饶睿楠，王栋，余铁军，唐尧．24GHz 射频前端频率合成器设计［ J ］．火控雷达技术，2019，48（1）：66－69． DOI ：10．19472/j．cnki．1008－8652．2019．01．014 Design of a Frequency Synthesizer for 24GHz ＲF Front Ends Ｒao Ｒuinan ，Wang Dong ，Yu Tiejun ，Tang Yao （Xi'an Electronic Engineering Ｒesearch Institute ，Xi'an 710100） Abstract ：With the increasing integration of microwave and radio-frequency integrated circuits ，highly integrated radar transceiver chips in 24GHz band have gradually found large-scale applications．Among those chips ，Infineon's 24GHz SiGe monolithic radar solution is a typical one．It has found wide applications in liquid （or material ）detec-tion ，lighting control ，automotive collision avoidance ，and security systems．FMCW is the most widely used signal modulation method in these applications．This paper uses PLL frequency synthesis scheme to generate FMCW mod-ulation signals required by the system． Keywords ：24GHz ＲF front end ；FMCW ；frequency synthesizer ；BGT24AT2；ADF4159 0引言 24GHz 频段雷达大量用于液位检测、照明控制、汽车防撞、安防等领域。近年来由于微波集成电路的高速发展，单芯片电路集成度越来越高，出现了一大批高集成、多功能的射频微波集成电路，以前需要几片或十几片芯片的电路被集成在一片集成电路之中。英飞凌公司推出的基于锗硅工艺的高集成单片雷达解决方案就是其中对具代表性的产品之一。FMCW 信号调制方式被广泛的应用于此类产品。本文采用英飞凌公司BGT24AT2单片信号源芯片与ADI 公司ADF4159锁相环芯片构成24GHz 射频前端频率合成器部分，产生了24GHz 24．2GHz FM-CW 发射信号。 1BGT24AT2锗硅24GHz MMIC 信号源芯片基本指标 BGT24AT2是一款低噪声24GHz ISM 波段多功能信号源。内部集成24GHzVCO 和分频器。3路独立的ＲF 输出可分别输出+10dBm 的信号，通过SPI 可对输出信号功率进行控制。发射信号的快速脉冲和相位反向可通过单独的输入引脚或通用的SPI 控制接口进行控制。片内集成输出功率及温度传感器，可对芯片工作情况进行监控。芯片工作的环境温度为－40? 125?，满足汽车级环境应用要求。封装为32脚VQFN 封装，单3．3V 电源供电，节省了大量板上空间。其原理框图如图1所示。
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：