锁相技术第7章频率合成

1、锁相技术第7章 锁相频率合成器 1第七章 锁相频率合成第一节第一节 概述概述1. 概念概念 频率合成器频率合成器是将一个高精确度和高稳定度的标准是将一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的精确度和稳定度的频率源频率源。2. 应用应用 频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广频率合成器在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器等方面得到了广泛的应用。播和电子测量仪器等方面得到了广泛的应用。锁相技术第7章 锁相频率合

2、成器 23. 频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的频率范围：频率合成器的工作频率范围。不同的用途有不同的频率范围。用途有不同的频率范围。频率间隔频率间隔 ：频率合成器输出的相邻两个频率之：频率合成器输出的相邻两个频率之间的最小间隔。又称频率分辨率。间的最小间隔。又称频率分辨率。rf频率转换时间频率转换时间 ：频率合成器输出频率转换后，：频率合成器输出频率转换后，达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。达到稳定工作所需的时间。它和采用的的方法有关。st频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器频率稳定度：在规定的时间间隔内，频率合成器输

3、出频率偏离规定值的量。输出频率偏离规定值的量。和和 之间的关系：之间的关系：rfstrsft25工程上可用工程上可用的经验公式的经验公式锁相技术第7章 锁相频率合成器 34. 频率合成的方法频率合成的方法直接频率合成：利用混频器、倍频器、分频器直接频率合成：利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算。和带通滤波器来完成对频率的四则运算。双混频双混频分频模块：分频模块：其中：其中：iiffff1021优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，优缺点：频率转换速度快，但体积大，成本高，输出信号中有寄生频率。输出信号中有寄生频率。 图图7-17-1双混频双混频- -分频模块分频模块

4、（二）（二）P153 P164P153 P164图图6 61919锁相技术第7章 锁相频率合成器 4锁相频率合成的基本框图锁相频率合成的基本框图. 间接频率合成间接频率合成-应用锁相环实现频率合成应用锁相环实现频率合成环路锁定后：环路锁定后：NfffodrroNff 参考基准频参考基准频率，一般由率，一般由晶体振荡器晶体振荡器构成。构成。可编程分频可编程分频器，器，N为分为分频次数。频次数。 和和 有相同的频率稳定度。由于有相同的频率稳定度。由于N是可编程是可编程的，不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相的，不同的分频次数就有不同的频率输出，而且相邻的两个频率之间的频率增量为邻的两个频率之间

5、的频率增量为 。ofrfrf比较比较频率频率锁相技术第7章 锁相频率合成器 5. 直接数字频率合成直接数字频率合成 计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得计算机或微处理器根据某种算法或通过查表获得所需波形各点的值，经过所需波形各点的值，经过D/A转换器输出波形。转换器输出波形。计算机计算机/微处理器微处理器D/A锁相技术第7章 锁相频率合成器 6第二节第二节 变模分频合成器变模分频合成器1. 前置分频前置分频PLL频率合成器频率合成器df环路锁定后：环路锁定后：VNfffodrroVfNf问题：问题：增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频增加前置分频器，解决了输出频率高于程序分频器的工

6、作频率的问题，提高了输出频率范围。器的工作频率的问题，提高了输出频率范围。一、变模分频合成器方法一、变模分频合成器方法锁相技术第7章 锁相频率合成器 7解决的办法：不改变频率分辨率，同时提高输出解决的办法：不改变频率分辨率，同时提高输出频率范围，采用频率范围，采用“变模分频器变模分频器”。输出频率增量为输出频率增量为 ，频率分辨率降低了。，频率分辨率降低了。rVf如果保持原有的频率分辨率如果保持原有的频率分辨率 ，需要使参考频率，需要使参考频率降低为降低为 ，同时又使得，同时又使得 增长了增长了V倍。倍。rfVfrstrrsfVVft2525锁相技术第7章 锁相频率合成器 82. 双模分频双模

7、分频PLL频率合成器频率合成器df模式控制模式控制=H V+1模式控制模式控制=L V 是减法计数的可编是减法计数的可编程分频器，且程分频器，且21NN 21,NN锁相技术第7章 锁相频率合成器 9工作原理：工作原理：21,NN当当 都未计数到零时，模式控制为都未计数到零时，模式控制为“H”，变，变模分频器的分频比为（模分频器的分频比为（V+1），其输出为），其输出为 。) 1(Vfo当当 计数到零时，通过与门使计数到零时，通过与门使 停止工作，同停止工作，同时模式控制为时模式控制为“L”，变模分频器的分频比为，变模分频器的分频比为V，其，其输出为输出为 。此时总共计数了此时总共计数了 个个

8、周期周期。Vfo2N2N) 1(2VNoT经过经过 次计数后，次计数后， 计数器为零，计数器为零，此时又此时又计数了计数了 个个 周期周期。1N)(21NN VNN)(21oT总分频比：总分频比：21212)() 1(NVNNNVNVDDffod锁相技术第7章 锁相频率合成器 10环路锁定时：环路锁定时：drff rrofNVNDff)(21例：例：90;1910;1021NNV10001010minD19991910maxD频率分频率分辨率为辨率为rf频率合成器的频率分辨率为频率合成器的频率分辨率为 ，转换时间不受影响。，转换时间不受影响。rf总结：总结：采用双模分频器，使可编程分频器的工作

9、频率采用双模分频器，使可编程分频器的工作频率降低为降低为 或或 。Vfo) 1(Vfo 为频率粗调， 为频率细调。1N2N锁相技术第7章 锁相频率合成器 113. 下变频PLL频率合成器dfNfffMod标准参标准参考频率考频率环路锁定时：环路锁定时：drff MrofNff采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为采用混频器，使可编程分频器的工作频率降低为 。)(Moff 锁相技术第7章 锁相频率合成器 12调谐时，只需改变调谐时，只需改变N，就可以搜索到频段内所有，就可以搜索到频段内所有的电台信号。的电台信号。实例：调频收音机中实例：调频收音机中本振信号本振信号的产生的产生 FM波段：波段

10、：88-108MHZ；中频频率：；中频频率：10.7MHZ；频段内各电台载频之间的间隔频段内各电台载频之间的间隔 。要求采用。要求采用下变频下变频PLL频率合成器产生本振信号，且混频频率频率合成器产生本振信号，且混频频率为为90MHZ。KHz10FM收音机本振频率范围：收音机本振频率范围：98.7-118.7MHZ合成器合成器需产生需产生的信号的信号 频率频率范围。范围。ofMHzfKHzfMr90;10MrofNff2870870N锁相技术第7章 锁相频率合成器 13 二、集成频率合成器二、集成频率合成器 集成频率合成器区别于通用单片集成锁相环，集成频率合成器区别于通用单片集成锁相环，通常总

11、是把频率合成器中性质相同通常总是把频率合成器中性质相同( (或相近或相近) )的的参参考振荡器、参考分频器、数字鉴相器、程序分频考振荡器、参考分频器、数字鉴相器、程序分频器、各种逻辑控制电路以及高速双模或多模前置器、各种逻辑控制电路以及高速双模或多模前置分频器分频器等部件集成在一个或几个单片中（等部件集成在一个或几个单片中（VCOVCO不在不在其中其中），以构成集成频率合成器的电路系统。），以构成集成频率合成器的电路系统。介绍几种典型的集成频率合成器的工作原理及应用。介绍几种典型的集成频率合成器的工作原理及应用。锁相技术第7章 锁相频率合成器 141、中规模集成频率合成器、中规模集成频率合成器

12、MC145106方框图方框图外接外接VCO外接外接晶体晶体外接外接LF选择参考选择参考分频比分频比选择程序选择程序分频比分频比失锁输出失锁输出低电平低电平锁相技术第7章 锁相频率合成器 15特点及功能：特点及功能： 外接外接VCO、晶体及、晶体及LF构成频率合成器。构成频率合成器。 采用参考分频器获得参考频率采用参考分频器获得参考频率 ，程控分频器，程控分频器获得比较频率获得比较频率 ，频率合成器的输出频率为，频率合成器的输出频率为 的的整数倍。整数倍。rfdfrf 程序分频器的分频系数可以由机械开关、电子程序分频器的分频系数可以由机械开关、电子开关或微处理器进行预置。开关或微处理器进行预置。

13、 8脚为频率锁定指示。脚为频率锁定指示。锁相技术第7章 锁相频率合成器 162、大规模集成频率合成器、大规模集成频率合成器MC145152-1可编程的参可编程的参考分频比考分频比程控分频程控分频比的粗调比的粗调程控分频程控分频比的细调比的细调锁相技术第7章 锁相频率合成器 17三、多环频率合成器1. 后置分频器的后置分频器的PLL频率合成器频率合成器ofofMfNMffroo 合成器有较高的频率分辨率合成器有较高的频率分辨率 ，参考频率，参考频率 也也高，转换时间高，转换时间 小。小。Mfrrfst问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。问题：输出频率低于环路的工作频率，有时难以实现。

14、图图7-97-9后置分频器的后置分频器的 PLLPLL合成器合成器锁相技术第7章 锁相频率合成器 18应用举例：将工频为50 的电源变为60ZHZHZrZrHMNffNMHf60/65500时，得、，当取解：如上图所示，设计一后置分频器的PLL合成器ZHZH锁相技术第7章 锁相频率合成器 19Boff 2. 三环锁相频率合成器三环锁相频率合成器A环低位环环低位环MfNfrAAB环高位环环高位环rBBfNfC环相加环环相加环BAofff参考参考频率频率锁相技术第7章 锁相频率合成器 20工作原理分析：工作原理分析：100;100MKHZfr396351;399300BANNA环：环：KHZKHZ

15、MfNfrAA)399300(100100)399300(B环：环：MHZKHZfNfrBB)6 .391 .35(100)396351(C环：环：MHZfffBAo)999.394 .35(讨论：讨论：频率分辨率：频率分辨率：A环环1K（细调）（细调）,B环环100K（粗调）。（粗调）。频率转换时间：频率转换时间：mSKHZftrs25. 01002525实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。实现了高分辨率，高参考频率，转换时间不变。锁相技术第7章 锁相频率合成器 21第三节第三节 小数分频合成器小数分频合成器分频原理：利用整数分频器实现小数分频分频原理：利用整数分频器实现小数分频若：若

16、：N=10.5 对输入频率进行对输入频率进行10分频和分频和11分频交替进行，其分频交替进行，其结果相当于结果相当于10.5分频。分频。推广：推广：3 . 5FN10)3675(10次分频中进次分频中进行行7次次5分频，分频，3次次6分频。分频。35.27FN100)35286527(100) 1()100(FNFN100次分频中进次分频中进行行65次次27分频，分频，35次次28分频。分频。锁相技术第7章 锁相频率合成器 22 第四节技术指标与设计第四节技术指标与设计一、一、 主要技术指标主要技术指标1. 1. 频率范围频率范围频率范围是指频率合成器输出最低频率fomin和最高频率fomax

17、之间的变化范围，也可用频率覆盖系数表示，即 (7-19)minmaxooffk 锁相技术第7章 锁相频率合成器 232. 频率间隔 频率合成器的输出频率是不连续的，以点频方式出现，两相邻点频之间的间隔称为频率间隔，又称为频率分辨率。在锁相频率合成中，整数分频的频率间隔由参考频率fr决定，而小数分频的频率间隔由分频系数N.F中小数.F决定。由频率范围与频率间隔可以确定频率合成器的工作频率点数(波道数)。锁相技术第7章 锁相频率合成器 243. 3. 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度是指一定时间间隔内，频率合成器输出频率的相对变化，通常分为长期、短期与瞬时频率稳定度。长期频率稳定度是指年或月时间范

18、围内频率的相对变化，主要由晶体参考振荡器中晶体的老化特性引起。锁相技术第7章 锁相频率合成器 254. 频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器输出频率从一个工作频点转换到另一个工作频点并稳定工作所需要的时间。对于锁相频率合成，转换时间主要取决于环路的捕获时间，由频率捕获时间与相位捕获时间所构成。环路采用鉴频鉴相器(FPD),频率捕获时间极短，可不考虑，而相位捕获时间大约为参考频率信号周期(1/fr)的25倍左右。因此，锁相频率合成器中，频率转换时间ts为锁相技术第7章 锁相频率合成器 265. 频谱纯度 频谱纯度是指频率合成器输出频率信号接近正弦波的程度锁相技术第7章 锁相频率合成器 27二

19、、频率合成器实例例1.用MC145106构成的单环锁相频率合成器（民用电台民用电台）设计要求：设计要求：电台为同频单工工作方式电台为同频单工工作方式各信道之间的频率间隔为各信道之间的频率间隔为5KHZ电台发射状态产生电台发射状态产生主振载波主振载波，26.965-27.405MHZ。电台接收状态产生电台接收状态产生第一本机振荡信号第一本机振荡信号 和和第二本机振第二本机振荡信号荡信号 。1Lf2Lf1Lf混频混频1混频混频22Lf第一中频第一中频10.695MHZ第二中频第二中频455KHZ26.96527.405MHZ混频混频1、2采用低采用低本振方本振方式式MHZfL710.16270.1

20、61MHZfL24.102锁相技术第7章 锁相频率合成器 28ofMf电路实现电路实现： （MC145106）rfdf频率分辨率：频率分辨率：KHZMHZfr52224.1010频率合成器的发射和接收状态由频率合成器的发射和接收状态由R/T端控制，对应端控制，对应不同的分频系数不同的分频系数 。RTNNN;锁相技术第7章 锁相频率合成器 29发射状态：发射状态：锁定时：锁定时：rMofNffMrofNffMHZKHZNMHZT6 .255)405.27965.26(361273TN接收状态：接收状态：MHZfL24.102（参考频率直接得到）（参考频率直接得到） 由由 和合成器输出频率混频后获得，此时环和合成器输出频率混频后获得，此时