第2章 频率合成器的工作原理与主要部件

1、锁相与频率合成锁相与频率合成第二章第二章.频率合成器的工作原理和主要部件频率合成器的工作原理和主要部件第二章第二章.频率合成器的工作原理和主要部件频率合成器的工作原理和主要部件n1.频率合成技术频率合成技术:n即即:将一个高稳定度和高精度的标准频率将一个高稳定度和高精度的标准频率信号信号(经过加经过加,减减,乘乘,除除)四则运算四则运算,产生同产生同样高稳定度和高精度的大量离散频率的样高稳定度和高精度的大量离散频率的技术技术.第二章第二章.频率合成器的工作原理和主要部件频率合成器的工作原理和主要部件n2.频率合成器频率合成器(频率综合器频率综合器):n即即: 根据频率合成原理所组成的设备或根据

2、频率合成原理所组成的设备或仪器称为频率合成器仪器称为频率合成器.第二章第二章.频率合成器的工作原理和主要部件频率合成器的工作原理和主要部件n3.分类分类:n按其合成的型式分为按其合成的型式分为: 直接频率合成法直接频率合成法 锁相频率合成法锁相频率合成法 直接数字频率合成法直接数字频率合成法2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n2-1-1 2-1-1 直接频率合成法直接频率合成法n直接频率合成法是将基准信号通过脉冲直接频率合成法是将基准信号通过脉冲形成电路形成电路(谐波发生器谐波发生器),产生各

3、次谐波产生各次谐波,再再经过混频经过混频,分频分频,倍频倍频,滤波等进行频率变滤波等进行频率变换和组合换和组合,最后产生大量的所需的离散信最后产生大量的所需的离散信号号.2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n直接频率合成法直接频率合成法n优点优点:频率转换时间短频率转换时间短,可得到任意小数可得到任意小数值的频率增量值的频率增量n缺点缺点:其合成的频率范围将受限制其合成的频率范围将受限制,且采且采用了大量的混频用了大量的混频,分频分频,倍频倍频,滤波等装置滤波等装置,使合成器不仅体积增大使合成器

4、不仅体积增大,成本增高成本增高.而且而且输出的谐波的噪声及寄生频率难以抑制输出的谐波的噪声及寄生频率难以抑制.2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n2-1-2 2-1-2 锁相频率合成法锁相频率合成法n是一种通过晶体振荡器产生的标准信号是一种通过晶体振荡器产生的标准信号, ,在给定的范围内在给定的范围内, ,产生同稳定度的大量的产生同稳定度的大量的离散频率信号离散频率信号. .2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n一一. .脉控锁相法脉控锁相法n脉控锁相式频率合成器是一种锁相电压脉控锁相式频率合成器是一种锁相电压控制振荡器控制振荡

5、器. .2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n优点优点:电路结构简单电路结构简单,可以得到较高的指可以得到较高的指标标.n缺点缺点:对对VCO精度要求较高精度要求较高,要求在要求在 以内以内,如果超过这个范围如果超过这个范围,环路就会锁定环路就会锁定 在邻近的谐波上在邻近的谐波上,造成频道选择困难造成频道选择困难,而而且且 倍频次数越高倍频次数越高,分辨率就越差分辨率就越差,因此因此,此方此方法提供的频道数有限法提供的频道数有限.0.5rf2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n二二.数字锁相法数字锁相法n数字式频率合成器是锁相式频

6、率合成器数字式频率合成器是锁相式频率合成器的一种特例的一种特例,其区别在于锁相环路中插入其区别在于锁相环路中插入变频分频器变频分频器.2-1 2-1 频率合成的方法及其工作原理频率合成的方法及其工作原理n优点优点:此锁相环相当于一个此锁相环相当于一个窄带跟踪滤波窄带跟踪滤波器器,具有良好的具有良好的窄带跟踪特性窄带跟踪特性和和抑制输入抑制输入信号的寄生干扰能力信号的寄生干扰能力,节省了大量的滤波节省了大量的滤波器器.有利于集成化有利于集成化,小型化小型化.而且如果而且如果VCO具有较高的短期频率稳定度具有较高的短期频率稳定度,晶体振荡器晶体振荡器具有较高的长期稳定度具有较高的长期稳定度,即能得

7、到高质量即能得到高质量的信号输出的信号输出,故在实际中得到广泛的应用故在实际中得到广泛的应用.2-2 2-2 数字鉴相器数字鉴相器2-2 2-2 数字鉴相器数字鉴相器n在锁相式频率合成器中在锁相式频率合成器中,采用的鉴相器种类较采用的鉴相器种类较多多.n一一.鉴相器的分类鉴相器的分类按鉴相特性按鉴相特性:正弦形鉴相器正弦形鉴相器 锯齿形鉴相器锯齿形鉴相器 三角形鉴相器三角形鉴相器按电路性质分为按电路性质分为:模拟鉴相器模拟鉴相器 数字鉴相器数字鉴相器 2-2 2-2 数字鉴相器数字鉴相器n二二.数字鉴相器的基本要求数字鉴相器的基本要求:n(1)具有较大的鉴相灵敏度具有较大的鉴相灵敏度n(2)纹

8、波输出小纹波输出小n(3)鉴相特性线性区域大鉴相特性线性区域大n(4)具有鉴频能力具有鉴频能力dK2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-与非门与非门n1.与非门与非门VRVVVd110011101001dVRVV V2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-与非门与非门n基准信号基准信号VR与与VV比较信号的比较信号的占空比均为占空比均为1:1,其相差均为其相差均为e(1)0e01( )2edmv tV d t ()2meV(1)2e301( )2edmv tV d t (3)2meV2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-与非门与非门n由此由此,可以画出与非门鉴相器的可以画出与非门鉴相

9、器的 关系图关系图( ) dev t2mdVK 2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-异或门异或门dRVVVV2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-异或门异或门2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-异或门异或门从图中可以看出从图中可以看出,异或门输出的波形为输入波形周期的一半异或门输出的波形为输入波形周期的一半(1)0e01( )edmv tV d tmeV2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-异或门异或门(1)2e201( )edmv tV d t (2)meV2-2-1 2-2-1 门鉴相器门鉴相器-异或门异或门mdVK 异或门鉴相器具有三角形鉴相特性异或门鉴相器具有三角形

10、鉴相特性,其鉴相灵敏度是与非门其鉴相灵敏度是与非门鉴相器的两倍鉴相器的两倍,重复频率也扩大一倍重复频率也扩大一倍,从而使输出平均电压纹从而使输出平均电压纹波减小波减小.2-2-22-2-2触发器鉴相器触发器鉴相器-RS-RS触发器触发器一一.RS.RS触发器触发器2-2-2 2-2-2 触发器鉴相器触发器鉴相器-RS-RS触发器触发器2-2-2 2-2-2 触发器鉴相器触发器鉴相器-RS-RS触发器触发器01( )2edmv tV d t2meV02e2mdVK2-2-2 2-2-2 触发器鉴相器触发器鉴相器-JK-JK触发器触发器二二. JK. JK触发器触发器2-2-2 2-2-2 触发器

11、鉴相器触发器鉴相器-JK-JK触发器触发器n其为下降沿触发n当 时02e01( )2edmv tV d t2meV2mdVK2-2-2 2-2-2 触发器鉴相器触发器鉴相器-JK-JK触发器触发器n(1)鉴相器的输出电压鉴相器的输出电压Vd与相位差成线性与相位差成线性关系关系,其线性范围是其线性范围是 .n(2)因为触发器是边沿触发因为触发器是边沿触发,因此与输入因此与输入信号的占空比不相关信号的占空比不相关.n(3)当环路锁定时当环路锁定时,存在恒定的相位差存在恒定的相位差.n(4)电路集成化电路集成化,使用方便使用方便.三三. .触发器鉴相器的特点触发器鉴相器的特点22-2-3 2-2-3

12、 数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器n数字式鉴频鉴相器是一种新型的鉴相电数字式鉴频鉴相器是一种新型的鉴相电路路,它利用输入信号的跳变沿触发工作它利用输入信号的跳变沿触发工作,属于边缘控制数字式鉴频鉴相器属于边缘控制数字式鉴频鉴相器.n它既能鉴相它既能鉴相,又能鉴频又能鉴频.n它只是对两输入信号的跳变沿进行比较它只是对两输入信号的跳变沿进行比较,因此对输入信号的占空比无固定要求因此对输入信号的占空比无固定要求,性性能优越能优越.2-2-3 2-2-3 数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器n数字式鉴频鉴相器分为数字式鉴频鉴相器分为:n电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器一一

13、.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器ST002-由数字比相器由数字比相器,恒压泵电路恒压泵电路,有源比例积分滤波器构成有源比例积分滤波器构成一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n1.数字比相器数字比相器n由由9块与非门电路组成块与非门电路组成波形图波形图 图图5-10 T4044同频鉴相波形同频鉴相波形(a)R与与V同相；同相；(b)R滞后滞后V；(c)R超前超前V一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n结论结论:n(1)此比相器只对输入此比相器只对输入有比相作用有比相作用,而脉冲上升沿不影响输出电而脉冲上升沿不影响输出电平平.即对输入脉冲的宽度无一定要求即对输入脉冲的宽度无一定要求.n(2)

14、由与非门由与非门2,3和和4,5组成的两个组成的两个RS触触发器具有记忆正负相位差的作用发器具有记忆正负相位差的作用,它是此它是此比相器的关键部件比相器的关键部件.而与非门而与非门8具有比相具有比相后的复原作用后的复原作用.一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n2.恒压泵电路恒压泵电路(书书P56)一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n3.鉴频原理鉴频原理n当输入信号基准信号和比较信号的相位当输入信号基准信号和比较信号的相位差超过差超过 ,电路就自动进入到鉴频状态电路就自动进入到鉴频状态.2波形图波形图RVff一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器4.鉴频和鉴相特性鉴频和鉴相特性(1)鉴相

15、特性鉴相特性一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器( )0|1|( )22etmFdmeVVVVd tt 端输出的平均直流电压为端输出的平均直流电压为FV|( )2dmdedVVKdt一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n(2)鉴频特性鉴频特性RVffVRTTnVRVRTfnfT一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器 端输出的平均直流电压为端输出的平均直流电压为FV2201012nFmVV d t 12(2)2mVn 1(1)mVn 一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n同理同理RVff021(1)FmVVn VRRVfTnfT一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n从特性曲线可见从特性曲

16、线可见:鉴频特性曲线呈鉴频特性曲线呈S形状形状,当频差越大当频差越大(即即n越大越大),鉴频输出的控制电鉴频输出的控制电压也越大压也越大,使使VCO的频率变化也越大的频率变化也越大,使使比较信号比较信号fv趋于趋于fR,当当fv=fR时时,鉴频状态鉴频状态自动转入鉴相状态自动转入鉴相状态,然后达到相位的锁定然后达到相位的锁定.故这种数字鉴相器将鉴频与鉴相密切结故这种数字鉴相器将鉴频与鉴相密切结合合,使用方便使用方便.一一.电压型鉴频鉴相器电压型鉴频鉴相器n特点特点:n(1)电路具有鉴频和鉴相的功能电路具有鉴频和鉴相的功能.n(2)电路能够全集成化电路能够全集成化,使用方便使用方便.n(3)鉴相

17、范围宽鉴相范围宽,输出纹波小输出纹波小.n(4)对输入信号方波的占空比无特定要求对输入信号方波的占空比无特定要求.n(5)在环路锁定时在环路锁定时,无静态相位差无静态相位差.n(6)要求输入信号具有较高的信噪比要求输入信号具有较高的信噪比.二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n该鉴相器的基本特点是该鉴相器的基本特点是将相位差的变化将相位差的变化转化为电流的充放电的过程转化为电流的充放电的过程,如图所示如图所示二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n当当 ,开关指向开关指向a点点,电流向低通滤波器电流向低通滤波器充电充电.n当当 ,开关指向开关指向b点点,电流向低通滤波器电流向低通滤波器放电放

18、电.RVRV此鉴相器接入环路且环路锁定时此鉴相器接入环路且环路锁定时( )( )( )0eRVttt二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n充放电电流相等充放电电流相等,即即|-I|=I,这时这时,鉴相器鉴相器经过低通滤波器后输出稳定的直流电压经过低通滤波器后输出稳定的直流电压.n此鉴相器的主要优点是环路稳定此鉴相器的主要优点是环路稳定,无静态无静态相差的存在相差的存在.二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n数字式电流鉴相器数字式电流鉴相器整个电路由数字比整个电路由数字比相器相器,电流开关电流开关,积分积分滤波网络三部分组滤波网络三部分组成成.n其中集成块其中集成块T1,T2与与F构成数字比

19、相器构成数字比相器.nD1,D2,BG1,BG2构成构成电路开关电路开关.nBG1为充电电流开关为充电电流开关.nBG2为放电电流开关为放电电流开关.二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器nC1,C2和和R构成积构成积分滤波网络分滤波网络.n场效应管场效应管BG3为源为源极输出器极输出器,误差电误差电压从源极输出压从源极输出,加加到压控振荡器上去到压控振荡器上去控制控制VCO频率的频率的变化变化.二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n数字比相器对两个输入信号进行比相数字比相器对两个输入信号进行比相,比相后电流开关比相后电流开关在在A点产生充电或放电电流点产生充电或放电电流I(t).nI(t)

20、的宽度反映了两个输入信号的相位差值的宽度反映了两个输入信号的相位差值.nI(t)的极性反映了两个输入信号的相位差的正或负值的极性反映了两个输入信号的相位差的正或负值.0()() ()AVjIjZ j二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n电流的平均值应为电流的平均值应为n直流分量即为时间的函数直流分量即为时间的函数.0( )2meIIt0()()2meIIjj二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器n设积分网络C1,C2,R的阻抗为2121()1Rj CZ jj CRj C12121221()1()jCCR CCCCjjRC二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器代入拉氏变换代入拉氏变换0()()

21、 ()AVjIjZ j12121 221( )( )12()mAepIVpp Rpp 12( )11( )21mAeI RVppppp 11RC22R C12二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器12( )11( )21mAeI RVppppp 11pp-理想积分滤波器的传递函数理想积分滤波器的传递函数211p-RC积分滤波器的传递函数积分滤波器的传递函数由此可知电流型鉴相器的积分滤波网络可以等效为一理想由此可知电流型鉴相器的积分滤波网络可以等效为一理想二二.电流型鉴频鉴相器电流型鉴频鉴相器积分滤波器与积分滤波器与RC积分滤波器的串联积分滤波器的串联,其作用是使环路具有其作用是使环路具有理想二

22、阶环的特点理想二阶环的特点,并加强了对纹波和噪声的进一步的并加强了对纹波和噪声的进一步的滤除滤除,有利于提高环路的性能有利于提高环路的性能.n(1)环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特点环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特点.n(2)不仅具有鉴相功能不仅具有鉴相功能,还具有鉴频功能还具有鉴频功能.n(3)鉴相范围宽鉴相范围宽,捕捉带等于同步带捕捉带等于同步带n(4)输出纹波小输出纹波小n(5)电路便于集成电路便于集成,调试方便调试方便,性能可靠性能可靠.2-3 2-3 压控振荡器压控振荡器2-3 2-3 压控振荡器压控振荡器n(1)有一定的压控灵敏度有一定的压控灵敏度K0n(2)控制特性的线性

23、好控制特性的线性好n(3)频率覆盖范围大频率覆盖范围大n(4)输出幅值的平稳度好输出幅值的平稳度好n(5)开环的相位噪声低开环的相位噪声低,频谱纯度高频谱纯度高n(6)频率的稳定度高频率的稳定度高(短期和长期短期和长期)2-3 2-3 压控振荡器压控振荡器n二二.压控振荡器的分类压控振荡器的分类:n(1)LC压控振荡器压控振荡器n(3)RC压控振荡器压控振荡器n(4)晶体压控振荡器晶体压控振荡器(VCXO)2-3 2-3 压控振荡器压控振荡器n其中其中:可产生很高的频率可产生很高的频率(几几百百KHz几百几百MHz),但是控制线性比较差但是控制线性比较差,频率稳定度频率稳定度较较VCXO差差.

24、频率控制范围最宽频率控制范围最宽,可达可达100%,线性度线性度也较好也较好,但是频率稳定度比较差但是频率稳定度比较差,工作频率低工作频率低(几十几十KHz几十几十MHz).频率稳定度极高频率稳定度极高,但频率覆盖范围小但频率覆盖范围小,只能在万分之几到千分之几内变化只能在万分之几到千分之几内变化,压控灵敏度较低压控灵敏度较低.2-3 2-3 压控振荡器压控振荡器n主要有两种主要有两种:n1.直接改变振荡回路的元件直接改变振荡回路的元件(如如C,L,R)的的数值数值.n2.控制多谐振荡器中定时元件的充放电控制多谐振荡器中定时元件的充放电的电流和电压的电流和电压.2-3-1 2-3-1 集成集成

25、压控振荡器压控振荡器n一一.所谓所谓,是指采用具有是指采用具有特性的器件构成的自激振荡电特性的器件构成的自激振荡电路路,这种振荡器的振荡回路的两个端点与这种振荡器的振荡回路的两个端点与负阻器件相连接负阻器件相连接.0NVRI具体的电路如图具体的电路如图2-29所示所示2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡器n1.BG1BG5是为各级晶体管可设立的直流偏置电路2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡器n2.BG6BG8是组成是组成负阻压控振荡器负阻压控振荡器的主的主要部件要部件.nBG8使振荡电流使振荡电流I0为恒定值为恒定值,相当于恒流相当于恒流源源.66cNcVRI 下

26、面推导负阻关系下面推导负阻关系2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡器n3.BG9可维持振荡幅度的稳定可维持振荡幅度的稳定.2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡器n4.为了得到正弦信号输出为了得到正弦信号输出,只要只要AGC输入输入短加入适当的负偏压短加入适当的负偏压,使振荡幅度减小使振荡幅度减小,经过经过BG10,BG11放大后放大后,使差分对管使差分对管BG12,BG13处于放大状态而不处于开关处于放大状态而不处于开关状态状态,由射极跟随器由射极跟随器BG14输出后输出后,就可得就可得到正弦波的输出到正弦波的输出.2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡

27、器n三三.负载负载VCO的参数的参数n1.负阻负阻VCO的振荡频率的振荡频率(设计振荡回路的设计振荡回路的依据依据)12025300fLCMHzLHCpF2-3-1 2-3-1 集成集成压控振荡器压控振荡器n实践证明实践证明:n此此VCO质量指标优于质量指标优于LC压控振荡器压控振荡器.n其频率稳定度其频率稳定度 ,相位噪相位噪声低声低,输出幅度大且平坦输出幅度大且平坦,调整方便调整方便,重量重量轻轻,体积小体积小.可靠性高等优点可靠性高等优点.56(1010 )/s2-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器n在单片集成锁相环中常使用这种在单片集成锁相环中常使用这种VCO

28、.如图如图2-31(p69)NMOS的的G极加高电压导通极加高电压导通PMOS的的G极加低电压导通极加低电压导通1.初始时刻初始时刻,或非门或非门A,B输出为输出为A=1,B=0则则SW1中中:P1导通导通,N1截截止止. SW2中中:N2导通导通,P2截止截止.CT以恒流源以恒流源I0012TssIPCNVA=1B=02-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器且有且有0CTThTTVVICCtt即即00TCTTThCVC VtII充其中 为门E输入转移电压电压. (一般为4V) ThV当当 达到门达到门E的的转移电压时转移电压时,则输则输出出E=0,D=1,A=0(即即

29、A由由1翻转为翻转为0)同理同理E=0,C=0,B=1(即即B由由0翻转为翻转为1) 此时此时,SW1中中:N1导通导通,P1截截止止.SW2中中:P2导通导通,N2截截止止.CTVA=0B=12-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器n由于由于E门和门和C门具有相同的转移电压门具有相同的转移电压2ThV0212TThC VttTI放充振荡周期振荡周期04TThC VTI2-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器n振荡频率振荡频率n可见可见, 受受 控制控制,而而 受受 控制控制所以所以 与与 有关有关.001416VTThTIIfTC VCVf0I

30、0I( )cV tVf( )cV t2-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器n如图如图2-32为单为单片集成电路的片集成电路的5G4046压控压控振荡器具体电振荡器具体电路图路图.nBG1,R1组成的电路将组成的电路将控制电压控制电压 转换为转换为恒流源恒流源 .n当禁止输入端为当禁止输入端为1时时,BG4截止截止,电流源切电流源切断断,可使可使VCO停止工作停止工作.n当当 的导通电阻时的导通电阻时 ( )cv t0I11RBG012( )2cGSDDThv tVVVIRR21RR2-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器(1)( )cThv t

31、VBG1截止截止0min22DDThVVIR维持压控振荡器的最低振荡频率(2)( )cDDv tV0max1212DDGSDDThDDGSVVVVVVIRRR21RR2-3-3 2-3-3 电流控制型压控振荡器电流控制型压控振荡器n一般情况下,振荡频率与控制电压的关系为012( )2161616cGSDDThVTTTIv tVVVfCRCR C常数常数n如图2-4, 可变程序分频器位于VCO和鉴相器之间,其作用有两个:f0n1.将VCO的频率调整到基准信号fr的附近,以便在鉴相器中使VCO频率f0经N分频后的比较信号fv与fr进行比相,利用两者的误差信号再去改变VCO的频率,当环路锁定时.VC

32、O的频率f0=Nfr.n2.改变频率合成器,即当分频比N改变时, 也随之变化,于是误差信号将去改变VCO频率,使VCO的频率由原来的从而达到改变频率合成器的工作频率.0VffN011022rrfN ffN fn二.基本要求:n1.可变分频的分频数N一般而言,N越小,电路越简单;N越大,电路越复杂.n2.最高工作频率在分频比范围内的任意分频比上所能达到的最高频率.n3.功率消耗(功耗)n程序分频器的功耗往往使是频率合成器中耗电最大的部分,因此.降低功耗是必要的.n主要措施:简化逻辑电路. 减少高速逻辑电路的个数 采用CMOS电路n4.相位抖动n由于噪声的影响,每次转换的时刻常发生变化,因而脉冲通

33、过触发器或门电路以后,器边沿(上升沿或下降沿)发生了抖动.n主要措施:提高脉冲边沿的斜率 对输出脉冲进行选通n5.稳定性和可靠性 n一.分频比可变的十进制计数器n1.T216引脚功能及真值表nLD-预置指令输入端(低电平有效)nCr-计数器置零输入端(低电平有效)nCp-计数脉冲输入端(上升沿有效)nPT-电路保持控制输入端(低电平有效)计数时P=T=1CrQAQBQCQDOCnA,B,C,D-预置码输入端nQA, QB, QC, QD-计数器输出端nOC -计数器进位输出端QD QC QB QA最低位最低位最高位最高位CrQAQBQCQDOCn例:九置定6-即计数器为“3”状态.n计数器处于

34、9状态时(即1001状态时,进位输出端OC有一个进位脉冲输出).n9置定6从预置编码表时,可见,此时计数器处于“3”状态, QDQCQBQA=0011n即QD=QC=0, QB=QA=1n由此可见,“九置定法”计数器的状态为9-N状态.高位高位低位低位n所以, “九置定法”又称“九置定N”n例:九置定6-即计数器预置为“3”状态.n(9-6=3)n二.九读出法程序分频器的工作原理(N为所需的分频数)n(1)分频比N=6时,则计数器预置处于3状态.(即0011状态)n(2)此时当Cr=Cp=P=T=1Cp端输入6个脉冲,则计数器变为9状态(即1001),此时,Oc由0-1,输出一个QDQCQBQ

35、AOcn(3)n当Cp端再输入一个脉冲时,计数器再进入0000状态(0状态), Oc由1-0,n当Cp端再输入九个脉冲(共10个脉冲),计数器又处于“9”状态,此时Oc由0-1, Oc又输出一个进位脉冲.n结论: 由此可见:T216计数器采用九置定N计数过程:先从预置状态开始计数,当计到9状态时,输出一个进位脉冲,以后再输入一个脉冲时,计数器才是0,然后再输入9个脉冲(9状态时),又输出一个进位脉冲.n即:实现先进位后置零,先计满预置数,再按十进制计数.n例:九置定6(此时计数器的状态为9-6=3)n先输入6个脉冲-Oc输出一个进位脉冲.n以后是每输入10个脉冲-Oc才输出一个进位脉冲.n对于

36、九置定N中,9-N称为补数.n所以,九置定是以9的补数进行预置定的.n2.九读出法程序分频器的工作原理nP73(图2-34)n以三级T216组成的九读出法程序分频器进行说明.n此程序分频器的分频可在000999之间任意改变,现在我们以分频比为567为例进行说明.个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数T2165 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n使LD=0,Cr=1,预置n按照九置定法,Y=9-N (N为所需的分频数)nY为预先放在计数器中的十进制数(即计数器的状态)即补数.n对于分频比为567时:n个位 C1: N=7,Y=9-N=9-7=2 即0 0 1 0状

37、态n十位 C2: N=6,Y=9-6=9-3=3 即0 0 1 1状态n百位 C3: N=5,Y=9-5=9-5=4 即0 1 0 0状态5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计QDQCQBQAn此预置数由预置输入端输入8421码,经译码送入C1,C2,C3中.n当预置结束以后,使Cr=T=P=LD=1,即可开始计数.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n计数脉冲由A端输入(A中初始状态为0010)(2)当A端输入7个脉冲后,C1呈1001

38、(9状态);即由原先的0010(2)状态变为1001(9状态);vC1的Oc端为1,即为0-1;v当A再输入一个脉冲后,C1变为0000状态(0状态); C1的Oc端为1-0, 从而使M6输出由0-1,产生一个正跳变 , 计数器C2加1(原先状态为0011,加1后为0100);v此时,C1输入端A共输入7+1=8个脉冲,以后计数器C1按固定的十进制计数.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数T216001010017M65 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位

39、C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n如果A端(A中这时状态为0000)(0状态)再输入9个脉冲(即A端输入8+9=17个脉冲),C1又呈1001(9状态); 即由原先的0000(0)状态变为1001(9状态);vC1的Oc端又由0-1v当A再输入一个脉冲后,C1又变为0000状态(0状态); C1的Oc端为1-0,经M6使C2又输入一个进位脉冲;v此时,C1输入端A共输入17+1=18个脉冲.v九读出法是先进位后计数!7 + 11+9+9C1计满计满7个个0010-1001再来一个脉冲再来一个脉冲C1:1001-0000C1向向C2输出一个进位输出一个进位10个

40、脉冲中是第一个个脉冲中是第一个脉冲向脉冲向C2进位进位,这就是这就是前面所说的前面所说的10105 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n同理,当A端共输入7+1+5*10=58个脉冲时,C2呈现1001(9状态);n实际上此时十位C2计数器输入6个脉冲.当A端再输入10个脉冲, C2的Oc端为1-0,经M7与或非门作用(M7输出由0-1),使C3(百位计数器)输入一个进位脉冲,此时,A端共输入58+10=68个脉冲.个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数T216上面分析可见:百位C3计数器初始状态为9-5=

41、4状态(0100),n当A输入68个脉冲后,C3由4状态-5状态;n当A端再送入400个脉冲时,C3就变为9状态,C1,C2变为0状态,此时A端共送入400+68=468个脉冲;如果A端再送入90个脉冲时,则C2,C3均为9状态,C1为0状态.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n如果A端再送入9个脉冲时,则C1,C2,C3为9状态.n此时,A端共送入468+90+9=567个脉冲.n!M4的输入全为1,输出B由1-0,输出一个负脉冲.n此负跳变脉冲,由B点输出,实现567分频,作为分频器的输出信号.5 6 7百位

42、百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数T216送至C1,C2,C3的LD和T端,使LD等于0,为分频器实现重新预置作准备.,以负跳变经M5(T063)反相器,再打开“与或非”门M6,M7.n最后还要提一下:n预置过程必须在下一个循环开始之前的空隙时间内,由于这段时间的存在,使分频器的最高工作频率下降.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数T216对对“九读出法

43、九读出法”特点的总结特点的总结n计数器输入7个脉冲后,C1呈现1001(9状态),当A再输入一个脉冲后,C1变为0000状态,由其Oc端 经M6向C2输入一个进位脉冲 , 以后C1按照十进制进行计数.n当A输入67个脉冲时,C1,C2均为9状态,A端再输入一个脉冲,则C1,C2均为0状态,同时向C3输入一个进位脉冲.对对“九读出法九读出法”特点的总结特点的总结n当A端输入567个脉冲后,C1C2C3均为9状态,M4的输入全为1,使其输出端产生一个负脉冲(1-0),实现567分频.n因为B点1-0,又加在C1C3的T,LD端为分频器的重新预置做准备n由此可见,输入A端共计输入567个脉冲时,则B

44、端输出一个负跳变脉冲 ,因而程序分频器的分频比为567.n三.提高可变程序分频器速度的 .n采用提前一个脉冲进行预置的程序分频器如图2-31 P75n其中C1C3均按照1248码工作.n整个系统采用九读出法,M1,M2为与或非门.M4,M5,M6为与非门.个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数M5M6M1M2M4三.nT1为JK触发器,由脉冲的下降沿触发工作.n程序分频器系统是输入计数脉冲的上升沿为计数工作的边沿.其工作过程如下.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计n1.首先对各个计数器预置在432状态(

45、设分频比还是567),即C1为0010状态,C2为0100状态.n2.当计数循环开始时,JK触发器T1输出为Q=1,总输出B=0,C1C3再开始计数,当计数器A端输入第565个脉冲后,(此时,包括预置数在内总计数器为432+565=997个脉冲).此时C2,C3的QA=QD=1,均为高电平(即1001状态).n此时C1的QA=QB=QC=1,即0111状态,于是与非门M4=0(全高应低),迫使JK触发器T1置0个位计数个位计数十位计数十位计数百位计数百位计数M5M6M1M2M41QAQBQC0n(迫使LD=T=0),发出预置定指令,这样它比第566个脉冲提前半个周期送出预置定指令.5 6 7百

46、位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计CPM6M4TQTQ566565567n3.当第566个脉冲进入计数器进行计数时,因预置定指令延迟到达C1C3的输入端(图中虚线所示)n在第565个脉冲未能使C1C3预置,同时M4输出低电平(M4=0),使T1保持原状态,T1=0,Q=0,当第567个脉冲到来时5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计CPM6M4TQTQ566565567n它的前沿使计数器根据预置输入码进行预置,同时,使第567个脉冲前沿通过与非门M

47、6,反相触发T1,使T1翻转,因而又提前半个周期撤离预置定指令,以保证下一个计数循环顺利进行.5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计5 6 7百位百位C3计计十位十位C2计计个位个位C1计计CPM6M4TQTQ566565567提前预置分频器的特点n一.预置定指令提前两个脉冲在第565个脉冲之后发出.n二.发出预置定指令,预置操作和撤离预置定指令在两个周期内完成,为预置整个过程争取了时间,同时完成了同步的过程.所以有效的提高了程序分频器的速度.n一.T217可逆可预置计数器n零读出法程序分频器由三个T217级联而成,所以先介绍T217逻辑电路的组成及其工作原理.n1.T21

48、7引脚功能nLD-预置指令输入端(低电平有效)nCr-计数器置零输入端(高电平有效)nCp+-计数脉冲输入端(上升沿有效)nCp- -计数脉冲输入端(上升沿有效)QAQBQCQDCrOBOCnA,B,C,D-预置码输入端nQA, QB, QC, QD-计数器输出端nOC -加法计数器输出脉冲进位端nOB -减法计数器借位脉冲输出端QD QC QB QA最低位最低位最高位最高位QAQBQCQDCrOBOCn2.工作原理n(1)置零 先使置零端Cr=1,则Cr=0, 所以各触发器RD2=0,T217为“0000”状态.n(2)预置 当LD=0,则LD=1,此时若Cr=0, Cr=1,置零端不起作用

49、. 例如:实现6分频,即N=6,则预置T217的状态为“6”,即“0110”状态.即A=0,B=1,C=1,D=0. QAQBQCQDCrOBOCn(3)计数 零读出法采用减法计数! 当Cr=0,LD=1,CP-端输入计数脉冲 此时计数器处于6状态,再计入6个脉冲,即达到满量状态(“0000”状态),由OB输出一个借位脉冲,以后计数器按十进制进行计数.n二.零读出法程序分频器n如图2-38(P84)n1.逻辑电路组成n它由三个T217(W1,W2,W3)级联而成,M1为与门,M2为与或非门,T1为JK触发器,实现提前预置,此程序分频器分频比可在000999之间变化.5 6 7百位百位W3计计十

50、位十位W2计计个位个位W1计计2.工作原理工作原理.现在仍以分频比为现在仍以分频比为567为例来说明其工作过程为例来说明其工作过程.n预置 计数开始前,各计数器按8421码,将567直接预置到W1,W2,W3中.n个位 W1:0 1 1 1状态(7状态)n十位 W2:0 1 1 0状态(6状态)n百位 W3:0 1 0 1状态(5状态)5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计QDQCQBQA 当输入A端进入7个脉冲时,W1变为“ 000”状态,由图中可见,此时,W1的QD=0. 当A端再输入一个脉冲时,共输入(7+1+

51、8个脉冲),W1为“ 001”状态,由QD 0-1, 此时,W1已经完成个位分频比任务,此时,若T1的Q无反馈的预置指令,W1将作为固定的十进制计数器进行工作.5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计n如果A端(A中这时状态为1001)(9状态)再输入9个脉冲(即A端输入7+1+9=17个脉冲),W1又呈0000(0状态);n如果A端再输入50个脉冲(17+50=67),则W1,W2均为“0000”状态,此时符合OB与非门的选通条件,当A端再输入一个脉冲,W3计数器将减1,实现借位.W3(0101-0100). 5 6

52、 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计n当当A端再输入端再输入400个脉冲个脉冲(67+1+400=468),W3达到达到(0000状态状态),满量读出满量读出,而而W1,W2均为均为“1001”状态状态.n当当A端再输入端再输入90个脉冲个脉冲(468+90=558),W3,W2均为均为(0000状态状态)n当当A端再输入端再输入7个脉冲个脉冲(558+7=565),W1为为“0010”状态状态,此时此时M

53、2触发器的输入全为触发器的输入全为0,输出为输出为1,为为T1翻转创造条件翻转创造条件.0-15675661n在第566个脉冲作用下,T1的Q=0(原先为1),发出预置定指令,在预置定期间,各计数器按所需的预置码进行预置,且在预置期间,计数器不计数.5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计n在A端第567个脉冲到来时,使T翻转成Q=1,此时,预置定指令撤销,为下一此计数循环做好准备.nT1端的负跳变脉冲作为分频器的输出信号.5 6 7百位百位W3计计十位十位W2计计个位个位W1计计5 6 7百位百位W3计计十位十位W2

54、计计个位个位W1计计5675661n3.主要特点n此程序分频器利用8421码直接进行预置,不再需要预置译码,这样便于和其他计算机等设备进行直接连接.n便于接收机/发射机共用一个频率合成器,在接收机接收信号时,直接进行加减中频,可省掉复杂的译码电路.n采用减法计数逻辑,所以程序分频器连接为减法计数器电路, 可直接进行预置,与就读出法相比,省掉了译码器和引导预置的与非门T216T217n满量识别电路简单可靠,计数器可以任意多.满量识别只有三根接线,所以便于简化制作印刷电路版的排线和工艺.n由于每一级的十进制计数器的内部各个触发器之间存在传输时延,使传输速率没有达到理想的程度,一般程序分频器的速度通

55、常只能达到单个触发器的1/21/3,甚至更低.n预置操作在各可变十进制计数器内同时进行,预置时间较长.若各可变十进制计数器需要相当高的速度,就必须增加高速器件,而高速器件太多的话,又会增加成本和功耗.n为了提高预置速度,需要增加额外的识别和控制电路,这些电路通常必须采用高速器件.n可变十进制计数器的本身结构复杂,速度不容易提高,例如:T216和T217的计数频率仅为n一.脉冲吞除原理n1.一般程序分频器的工作过程的缺点是: 1先个位计数,然后十/百/千位计数1计数时,先计尾数,尾数计完后,各可变十进制计数器均为固定的10分频器 1一个计数循环完成后,再通过预置,以使得各可变程序分频器再次获得关

56、于尾数的信息.1由于计数器级联(串行),所以个位计数器需要采用高速脉冲,因而承受压力最大.1每个循环后要进行预置,计数过程分为先计尾数后再10计数阶段,因而一般分频器的工作频率较低.n2.脉冲吞除原理n将个位与十位可变十进制计数器进行并行联接.n将个位可变十进制计数器的计数方法进行改造,将其计尾数和10这两个任务结合起来进行.W1 (Ns)W2W4 (Nw)01n前置分频器有两个分频比(又称:模式),n即10和11,其工作模式可由外来信号控制.n举例:假定需要个位分频比为4 新的方法是利用前置分频器按照11模式工作4次,然后转换为10模式工作,这样前置分频器经过4次11,总共可计114=44个

57、脉冲,相当于一般程序计数器4+410=44(先计尾数然后再10计数)n由于个位计数器对前置分频器吞除的脉冲数能够进行检测和控制,故此种计数器又称为吞食计数器.n采用吞除技术以后,只有工作在输入最高频率上,而个位吞食计数器和十/百/千位程序分频器的工作频率均比输入频率低10倍,故此分频器的速度大大提高.n由于前置分频器只有10和11两种工作模式,所以改变分频比的过程可以简化,只需要一个控制信号,而且不必采用预置操作,故工作速度可以大大提高.二.如图2-40所示的双模程序分频器,由 前置分频器(10/11) 吞食计数器W1 十,百,千位程序计数器 W2,W3,W4 控制逻辑电路 W1 (Ns)W2W4 (Nw)01n1.