頻率合成器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)論文

1、 通信電子線路課程設(shè)計(jì) 頻率合成器 系、部： 電 氣 與 信 息 工 程 系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 俞 斌 職稱 講 師 專 業(yè)： 電 子 信 息 工 程 班 級(jí)： 電 子 1001 班 完成時(shí)間： 2012年12月12號(hào) 摘 要在通信領(lǐng)域中，鎖相環(huán)頻率合成器起著越來(lái)越重要的角色。此論文是一篇介紹基于PROTEL的鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計(jì)的有關(guān)文章。頻率合成器是一個(gè)系統(tǒng)，最初產(chǎn)生的一系列頻率為參考頻率的整數(shù)倍，參考頻率通常是固定的。這樣的合成器稱為整數(shù)N頻率合成器。頻率合成器技術(shù)也不斷前進(jìn)，出現(xiàn)也很多新型的頻率合成電路，并在通信電路中得到廣泛應(yīng)用。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。頻率

2、合成一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率,由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率.這些輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一致的,頻率合成器就是用來(lái)產(chǎn)生這些頻率的部件.關(guān)鍵詞 PROTEL ；鎖相環(huán) ；頻率合成器 ；鑒相器ABSTRACT In the field of communications, phase-locked loop frequency synthesizer is playing an increasingly important role. This paper is an introduction of the design of PROTEL PLL-based

3、frequency Synthesis is a system, initially the frequency of a series of reference for the entire frequency several times, the reference frequency is usually fixed. This synthesizer called integer N Synthesis. Synthesis technology is constantly advancing, there are a lot of new frequency synthesizer

4、circuit, and in the communications circuits are widely used. synthesizer .Phase-locked loop is componented by the phase detector, loop filter and VCO. Synthesis is that one or a small number of high-accuracy high-stability frequencys standard as a reference frequency, which derived more than a large

5、 number of output frequencys. The accuracy and stability of these output frequencys is consistented with the reference frequency, the frequency synthesizer is used to generate these frequency.Key words protel; phase-locked loop ;frequency synthesizer ;phase detector 目 錄 一、 頻率合成器簡(jiǎn)介···&

6、#183;·····································4 1.1 頻率合成器的技術(shù)指標(biāo)·········

7、83;·······················41.2 頻率合成器的類型························&#

8、183;············51.3 鎖相頻率合成器···································&#

9、183;···6 二、 鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)····································82.1 鎖相環(huán)的工作原理······

10、;······························82.2 鎖相環(huán)的構(gòu)成··················

11、······················82.3 鑒相器··························

12、3;···················9 2.4 環(huán)路濾波器·····························

13、;·············92.5 壓控振蕩器···································&

14、#183;······10三、 集成芯片介紹·········································&#

15、183;·123.1 集成反向器··········································123.3 同步計(jì)數(shù)器··

16、3;·······································133.4 集成鎖相環(huán)·········

17、;·································14四、 鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計(jì)··············&

18、#183;··················164.1 設(shè)計(jì)總框圖·····························&#

19、183;············164.2 頻率源部分···································

20、83;······164.3 分頻器部分·········································

21、3;174.4 環(huán)路濾波器部分······································18五、 電路板制作與仿真調(diào)試·······

22、···························205.2 電路原理圖·····················&

23、#183;····················205.2 電路仿真調(diào)試···························&

24、#183;············20參考文獻(xiàn)····································&

25、#183;················22致謝································

26、83;························23附錄一、 電路PCB圖·······················&#

27、183;················24附錄二、 元件清單·······························

28、83;···········25一、 頻率合成器簡(jiǎn)介 頻率合成器是用高精度晶體振蕩器作為基準(zhǔn)，通過(guò)合成技術(shù)能產(chǎn)生一系列具有一定頻率間隔的高清度頻率源，分直接合成和鎖相環(huán)合成兩種。1.1頻率合成器極其技術(shù)指標(biāo) 1. 頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍，也可用覆蓋系數(shù)k=fomin/fomax表示（k又稱之為波段系數(shù)）。如果覆蓋系數(shù)k>23時(shí)，整個(gè)頻段可化為幾個(gè)分波段。在頻率合成器中，分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。

29、2 頻率間隔（頻率分辨率） 頻率合成器的輸出是不連續(xù)的。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔，就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器，對(duì)頻率間隔要求是不同的。對(duì)短波單邊帶通信來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在多取頻率間隔為100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz。對(duì)超短波通信來(lái)說(shuō)，頻率間隔多取50kHz、25kHz等。 3 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換多到另一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。它與采用頻率合成方法有密切關(guān)系。 4 準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值，即頻率誤差。而頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小

30、。 5 頻譜純度 頻譜純度是指輸出信號(hào)接近正弦波的程度，可用輸出端的有用信號(hào)電平與個(gè)寄生頻率分量總電平之比的分貝數(shù)表示。影響頻率合成器頻譜純度的主要因素主要有兩個(gè)，一是相位噪聲，而是寄生干擾。1.2頻率合成器的類型頻率合成器一般可分為直接式、間接式（鎖相式）、直接數(shù)字式。 頻率合成理論大約是在30年代中期提出來(lái)。最初產(chǎn)生并進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的是直接頻率合成技術(shù)。 六十年代末七十年代初，相位反饋控制理論和模擬鎖相技術(shù)的在頻率合成領(lǐng)域里的應(yīng)用，引發(fā)了頻率合成技術(shù)發(fā)展史上的一次革命，相干間接合成理論就是這場(chǎng)革命的直接產(chǎn)物。隨后數(shù)字化的鎖相環(huán)路部件如數(shù)字鑒相器、數(shù)字可編程分頻器等的出現(xiàn)及其在鎖相頻率合成技術(shù)

31、中的應(yīng)用標(biāo)志著數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)得以形成。由于不斷吸引和利用如吞脈沖計(jì)數(shù)器、小數(shù)分頻器、多模分頻器等數(shù)字技術(shù)發(fā)展的新成果，數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)已日益成熟。直接數(shù)字頻率合成(DDS)的出現(xiàn)導(dǎo)致了頻率合成領(lǐng)域的第二次革命。七十年代初，J.Tierney等人發(fā)表了關(guān)于直接數(shù)字頻率合成的研究成果，第一次提出了DDS的概念。由于直接數(shù)字頻率合成器(DDFS)具有相對(duì)帶寬很寬、頻率捷變速度很快、頻率分辨率很高、輸出相位連續(xù)、可輸出寬帶的正交信號(hào)、可編程和全數(shù)字化便于集成等優(yōu)越性能，因此在短短的二十多年時(shí)間里得到了飛速的發(fā)展，DDS的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。由于直接數(shù)字頻率合成器(DDFS)具有相對(duì)帶寬很寬、頻

32、率捷變速度很快、頻率分辨率很高、輸出相位連續(xù)、可輸出寬帶的正交信號(hào)、可編程和全數(shù)字化便于集成等優(yōu)越性能，因此在短短的二十多年時(shí)間里得到了飛速的發(fā)展，DDS的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 1 直接式頻率合成器（DS） 這是最早出現(xiàn)最先使用的一種頻率合成器。它是由一個(gè)或多個(gè)晶體振蕩器經(jīng)過(guò)開關(guān)轉(zhuǎn)換、分頻、倍頻、混頻、濾波得到所需要的頻率。雖然提出的時(shí)間早，最初的方案也顯得十分落后，但由于直接模擬合成具有頻率捷變速度快，相位噪聲低的主要優(yōu)點(diǎn)而使之在頻率合成領(lǐng)域占有重要的地位。 2 間接式頻率合成器（IS） 間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器。直接式頻率合成器中所固有的

33、那些缺點(diǎn),如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等,在鎖相頻率合成器中就大大減少了。 3 直接數(shù)字式頻率合成器（DDS） 直接數(shù)字式頻率合成器是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種器件,它采用全數(shù)字技術(shù),是將先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)理論和方法引入信號(hào)合成的一項(xiàng)新技術(shù)。它與傳統(tǒng)頻率合成器相比，具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、工作頻率范圍廣而且具有很強(qiáng)的調(diào)制性能等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛用于通信，雷達(dá)、導(dǎo)航和儀器儀表等領(lǐng)域。1.3鎖相頻率合成器 基本的鎖相頻率合成器如圖下所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后,相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的,即 圖1.1 鎖相頻率合成器框圖VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到···&#

34、183;·············1.1所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍,即 ·················1.2轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于鎖相環(huán)的非線性性能,精確的表達(dá)式目前還難以導(dǎo)出,工程上常用的經(jīng)驗(yàn)公式為········

35、······1.3轉(zhuǎn)換時(shí)間大約等于25個(gè)參考頻率的周期。分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。例如fr=10Hz,則fs=2.5s,這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。 固定分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻比,超高速器件的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器,則可大大提高VCO的工作頻率。前置分頻器的分頻比為M,則可得·················&#

36、183;·1.4混頻后用低通濾波器取出差頻分量,分頻器輸出頻率為··············1.5 因此·············1.62、 鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)2.1 鎖相環(huán)路的基本組成 鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)（PLL）通常由鑒相器（PD)、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成的閉合環(huán)路，與 A

37、FC電路相比，其差別僅次于鑒相器取代了鑒頻器。鑒相器是相位比較部件，它能夠檢出兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位誤差，輸出反映相位誤差的電壓Ud(t)。環(huán)路低通濾波器用來(lái)消除誤差信號(hào)中的高頻分量及噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控于環(huán)路濾波器輸出電壓Uc(t),及其振蕩頻率受Uc(t)的控制。鎖相環(huán)路的基本組成框圖如下: 圖2.1 鎖相環(huán)路的基本組成框圖 2.2 鑒相器（PD） 鑒相器(PD)又稱相位比較器，它是用來(lái)比較兩個(gè)輸出信號(hào)之間的相位差e (t)。并e(t)轉(zhuǎn)化為電壓Vd()輸出，Vd(t)稱為誤差電壓，通常Vd(t)為一直流量或一低頻交流量。鑒相器輸出的誤差信號(hào)ud(t)是相差e (t)的函

38、數(shù)。 鑒相器按其鑒相特性分為正弦型，三角形和鋸齒波形。作為原理分析，通常使用正弦型，較為典型的正弦鑒相器可用模擬乘法器與低通濾波器的串接構(gòu)成。下圖是正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型和鑒相特性。 圖2.2 正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型 圖2.3正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型和鑒相特性 2.3 環(huán)路濾波器（LF） LF為一低通濾波電路，其作用是濾除因PD的非線性而在Vd(t)中產(chǎn)生的無(wú)用的組合頻率分量及干擾，產(chǎn)生一個(gè)只反映e(t) 大小的控制信號(hào)Vc(t)。它除了有低通濾波的作用外，還可借助于合理的選擇各元件參數(shù)來(lái)校正環(huán)路的功能。對(duì)環(huán)路的捕捉、穩(wěn)定，噪聲的濾除，環(huán)路帶寬等等都有關(guān)系，是濾波器件。按照反饋控制原理，如果由于某種原

39、因使VCO的頻率發(fā)生變化使得與輸入頻率不相等，這必將使Vo(t)與Vi（t）的相位差e(t) ，發(fā)生變化，該相位差經(jīng)過(guò)PD轉(zhuǎn)換成誤差電壓Vd(t),此誤差電壓經(jīng)LF濾波后得到Vc(t),由Vc(t)去改變VCO的振蕩頻率使趨近于輸入信號(hào)的頻率，最后達(dá)到相等。環(huán)路達(dá)到最后的這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)，當(dāng)然由于控制信號(hào)正比于相位差，即 Vd(t)e(t)·····················

40、·······2.1 因此在鎖定狀態(tài)，e(t) 不可能為0，換言之在鎖定狀態(tài)Vo(t)與Vi(t)仍存在相位差。2.4 壓控振蕩器（VCO） 壓控振蕩器是一個(gè)電壓頻率變換裝置，它的的振蕩角頻率應(yīng)隨輸入控制電壓Uc(t)的變化而變化。一般情況下，壓控振蕩器的控制特性是非線性的，如下圖所示，圖中是未加控制電壓Uc(t)時(shí)壓控振蕩器固有振蕩角頻率。不過(guò)，在Uc(t)=0附近有限范圍內(nèi)控制特性近似呈線性，因此可近似用線性方程來(lái)表示，即 ········&

41、#183;··············2.2 式中，為控制靈敏度，或?yàn)樵鲆嫦禂?shù)，單位為rad/(s·V)，它表示單位控制電壓所引起振蕩角頻率的變化量。 圖2.4 振蕩角頻率隨電壓控制曲線 2.5 鎖相環(huán)的工作原理 圖2.5 鎖相環(huán)工作原理框圖設(shè)參考信號(hào) ················&#

42、183;··2.3 式中 ur為參考信號(hào)的幅度 r為參考信號(hào)的載波角頻率 r(t)為參考信號(hào)以其載波相位rt為參考時(shí)的瞬時(shí)相位 若參考信號(hào)是未調(diào)載波時(shí)，則r(t)= 1=常數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)為 ·····················2.4式中 Uo為輸出信號(hào)的振幅 o為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率 o (t)為參考信號(hào)以其載波相位ot為參考時(shí)的瞬時(shí)相位, 在VCO未受控

43、制前他是常數(shù)，受控之后他是時(shí)間函數(shù)。則兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差為 ·····2.5 由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為 ··············2.6 鑒相器是相位比較器，他把輸出信號(hào)uo(t)和參考信號(hào)ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差e (t)的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩

44、器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號(hào)的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來(lái)越小，直至頻差消除而被鎖定。因此，鎖相環(huán)的工作原理可簡(jiǎn)述如下：首先鑒相器把輸出信號(hào)uo(t)和參考信號(hào)ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)反應(yīng)兩信號(hào)的相位差e (t)大小的誤差電壓ud(t)，ud(t)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器的過(guò)濾得到控制電壓uc(t)。uc(t)調(diào)整VCO的頻率向參考信號(hào)的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定鎖定后兩信號(hào)之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即 ········2.7此時(shí)，輸出信號(hào)的頻

45、率已偏離了原來(lái)的自由頻率o控制電壓uc(t)=0時(shí)的頻率，其偏移量由式（4）和式（5）得到為 ··················2.8 這時(shí)輸出信號(hào)的工作頻率已變?yōu)?···········2.9 由此可見(jiàn)，通過(guò)過(guò)鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)與參考信號(hào)同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相

46、差。3、 芯片介紹 本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了同步計(jì)數(shù)器74LS161、集成觸發(fā)器74LS74、集成反向器74LS04、集成鎖相環(huán)CD4046這四款芯片。3.1 同步計(jì)數(shù)器74LS161 74LS161是四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，它能同步并行預(yù)置數(shù)，異步清零，具有清零、置數(shù)、計(jì)數(shù)和保持四種功能，且具有信號(hào)輸出端，可串接計(jì)數(shù)使用。它的引腳及邏輯功能表見(jiàn)下圖。 圖3.1 74LS161引腳圖 圖3.2 74LS161邏輯功能 3.2 集成觸發(fā)器74LS74 74LS74芯片是雙D集成觸發(fā)器，它采用維持阻塞結(jié)構(gòu)，是上升邊沿出發(fā)的邊沿觸發(fā)器，即在CP脈沖上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器的次態(tài)取決于CP脈沖的上升來(lái)到之前

47、D的狀態(tài)，即Qn+1=D.由于電路具有維持阻塞作用，所以在CP=1期間，D端狀態(tài)變換不會(huì)影響觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。它的引腳功能見(jiàn)下圖。 圖3.3 74LS74引腳圖 3.3 集成反向器74LS04 74LS04芯片是六個(gè)獨(dú)立的反相器（6個(gè)非門）。供電電壓是5V，電壓范圍在4.755.25V內(nèi)可以正常工作。門數(shù)6，每門輸入輸出均為TTL電平，低電平輸出電流-0.4mA，高電平輸出電流8mA。每路從輸入倒相到輸出是有一定延時(shí)的。引腳圖如下： 圖3.4 74LS04引腳圖3.4 集成鎖相環(huán)CD4046 CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路,其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(為3V-18V),輸入阻抗高(約100M),動(dòng)態(tài)功耗小,在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W,屬微功耗器件. 鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)Ui與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的 分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud。這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩相位