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1、锁相环频率合成器设计摘要：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，振荡器的频率变化范围小，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。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，是通过对标准频率在频率进行加、减、乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路来实现。锁相环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
2、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。关键词: 频率合成器；锁相环；闭环系统 AbstractKeyword:目录一、 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。
3、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。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
4、。2.1.1锁相环基本原理锁相环（PLL）是一个是输出信号（由振荡器产生的）与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。在同步（成为锁定）状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。如果出现相位误差，一种控制机理作用到振荡器上，使得相位误差再减小到最小。在这样的控制系统中，实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位。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）：参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号待添加的隐藏文字内容3图 锁相环的基本构成设参考信号 (1)式中 Ur为参考信号的幅
5、度 r为参考信号的载波角频率 r(t)为参考信号以其载波相位rt为参考时的瞬时相位 若参考信号是未调载波时，则r(t)= 1=常数。设输出信号为 (2) 式中 Uo为输出信号的振幅,0为压控振荡器的自由振荡角频率0 (t)为参考信号以其载波相位0t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 (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uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差e(t)的误差电压ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，以
6、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uc(t)的控制，uc(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uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生一个反应两信号的相位差e (t)大小的误差电压ud(t)，ud(t)经过环路滤波器的过滤得到控制电压uc(t)。uc(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0控制电压uc(t
7、)=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 (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e (t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e (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：
