频率合成讲座

1、频率合成技术2015年全国大学生电子设计竞赛讲座哈尔滨工程大学信通学院频率合成器 一.频率合成器分类及主要技术指标 1.什么是频率合成? 频率合成是利用一个（或几个）高准确度和高稳定度的基准频率,通过一定的变换与处理后,形成一系列等间隔的离散频率。这些离散频率的频率准确度和稳定度都与基准频率相同，而且能在很短的时间内，由某一频率切换到另一频率。 2.频率合成器的分类 直接式频率合成器 锁相频率合成器 直接式数字频率合成器 3.主要技术指标 (1)工作频率范围 最高与最低输出频率所确定的频率范围。 (2)频率间隔 每个离散频率之间的最小间隔称为频率间隔，又称分辨力。 不同用途的合成器，对频率间隔

2、的要求也不同。短波单边带通信的频率间隔一般为100Hz，有时也取10Hz、1Hz、0.1Hz。超短波通信则多取50KHz，有时也取25KHz。 (3)频率转换时间 合成器从某一频率转换到另一频率并达到稳定所需的时间。 (4)频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定时间内，合成器输出频率偏离标称值的相对变化的大小。准确度是表示实际工作频率与标称值的差。二者有密切关系。 (5)频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。 二. 直接频率合成器 1.基本原理 采用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准源，经过具有加减乘除运算功能的混频

3、器、倍频器、分频器产生所需的新频率，由具有选频功能的滤波器和电子开关阵进行频率选择，可产生大量的频率间隔较小的离散频率系列。 2.单个基准源的直接频率合成器R221133ofNMNMNMf 直接式频率合成器 基准频率是由谐波发生器提供，发生器引出了10条谐波输出线，其频率分别为09MHz。 改变S1、S2和S3的连接位置，即可得到频率间隔为100KHz，频率范围为10.099.9MHz的离散频率。 3.直接式频率合成器的特点 直接式频率合成器的频率跳变一般是通过控制滤波器、电子开关阵实现，频率切换时间主要受限于选频电路、电子开关阵的响应速度。 优点是频率转换时间比较短，能产生任意小的频率间隔。

4、 缺点是频率范围有限，离散频率点不能太多。 由于采用了大量的倍频器、分频器，特别是混频器，使输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大。 而过多的滤波器又使设备庞大，成本较高，使其发展受到了限制。 三.锁相频率合成器 1.锁相环路基本原理 (1)鉴相器及其相位模型 鉴相器是相位比较器，其功能是用来比较输入信号的相位和压控振荡器(VCO)输出信号的相位，其输出电压与这两个信号的相位差成正比。 任何一个理想的模拟乘法器都可以作为鉴相器。 鉴相器的相位模型 设输入信号电压和压控振荡器输出信号电压分别为 式中，URm为输入信号电压的振幅； R为输入信号的角频率；R(t)为输 入信号以其载波相位Rt为参

5、考的瞬时相位； )(sin)(RRRmRttUtu)(cos)(V0VmVttUtu UVm为压控振荡器输出信号电压的振幅；0压控振荡器输出信号的中心角频率；V (t)为压控振荡器输出信号以相位0t为参考的瞬时相位。 为了便于比较两信号之间的相位差，规定统一以压控振荡器在控制电压uc(t)=0时的振荡角频率0确定的相位0t为参考相位。这样就可以将输入信号改写为 式中，1(t)=(R-0)t+R(t)称为输入信号以相位0t为参考的瞬时相位。)()(sin)(R0R0RmRtttUtu)(sinR00RmtttU)(sin10RmttU 经相乘器，uR(t)与uV(t)相乘后，设其输出为 式中，K

6、M为乘法器的系数，单位1/V。 因环路中有环路滤波器，它只允许低频分量通过。乘法器的输出可认为只有低频分量。则 e(t)=1(t)- V(t)为鉴相器输入信号的瞬时相差， )()(VRMtutuKu )(cos)(sin)()(V0Vm10RmMVRMttUttUKtutuK)()(2sin21V10VmRmMtttUUK)()(sin21V1VmRmMttUUK)()(sin21)(V1VmRmMdttUUKtu)(sinedtK 结论： (1)乘法器作为鉴相器,在输入特定条件下的鉴相特性是正弦特性,如图9.2.2所示 ； (2)鉴相器的作用是将两个输入信号的瞬时相位差e(t)变为输出电压u

7、d(t),其作用可以用图9.2.3所示数学模型来表示。 (3)鉴相器的处理对象是1(t)和V(t)而不是原信号本身，这是数学模型与原理方框图的区别。 输入为两正交信号输入为两正交信号 (2) 压控振荡器(VCO)及其相位模型 压控振荡器的振荡频率V(t)受电压uc(t)控制，所以它是一种电压-频率变换器。 不论以何种振荡电路和何种控制方式构成的振荡器，它的特性总可以用瞬时频率V(t)与控制电压uc(t)间的关系曲线来表示。 从压控振荡器的调频特性曲线可以看出, 在一定范围内,可近似认为是线性关系 0是压控振荡器控制电压uc(t)=0时，压控 振荡器的振荡频率,也称为压控振荡器的固有 振荡频率。

8、 KV是压控振荡器调频特性的直线部分的斜 率,通常称为压控灵敏度(rad/sV)。 )()(cV0VtuKt 压控振荡器的相位模型 锁相环路中,压控振荡器的输出作用在鉴相器上。由鉴相特性可知,压控振荡器输出电压信号对鉴相器直接发生作用的不是瞬时角频率,而是瞬时相位。因此对锁相环路来说,压控振荡器应该以它的输出信号的瞬时相位作为输出量。输出瞬时相位为 以0t为参考的输出瞬时相位为 即V(t)正比于控制电压uc(t)的积分。 可知，压控振荡器在锁相环路中的作用是积分环节，若用微分算子p=d/dt表示，则上式可表示为ttttuKttt0cV00Vd)(d)(tttut0cVd)()()()(cVVt

9、upKt (3) 环路滤波器 环路滤波器为低通滤波器，用来滤除相位比较器输出的高频部分，并抑制噪声，以保证环路达到要求的性能，并提高环路的稳定性。 常用的环路滤波器有RC滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。 环路滤波器及传输函数 RC滤波器 图9.2.6是一阶RC低通滤波器， 其传输函数为 =RC 1111)/(1)/(1)()()(dcFssRCsCRsCsususK 无源比例积分滤波器 图9.2.7是无源比例积分滤波器。 其传输函数为 1=R1C,2=R2C。 有源比例积分滤波器 图9.2.8是有源比例积分滤波器。 设运算放大器差模输入电阻 RidR1，则其传输函数为 1=R1

10、C,2=R2C)(11)/(1)/(1)()()(212212dcFsssCRRsCRsususK)(1)1 ()(21u12uFAssAsK 当Au11+2时，则 当Au时，上式可简化为 如果将KF(s)中的s用微分算子p替换，就可写出表示滤波器激励和响应之间关系的微分方程。即 从而得环路滤波器的数学模型 如图9.2.9所示。1u2uF1)1()(sAsAsK12F1)(sssK)()()(dFctupKtu (4)锁相环路的相位模型和基本方程 锁相环路的相位模型 锁相环路实质上是一个传输相位的闭环反馈系统。 锁相环路讨论的是输入瞬时相位和输出瞬时相位的关系。因此将锁相环路的相位模型作为分析

11、基础。 (2)锁相环路的基本方程)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 环路频率的动态平衡关系 将相位控制方程对时间微分,令p=d/dt,故可得 也可写成 pe(t)是压控振荡器振荡角频率偏离输入信号角频率的数值 ，称瞬时角频差； KdKVKF(p)sine(t)是压控振荡器在控制电压uc(t)作用下的振荡角频率 偏离 的数值 ，称为控制角频差； p1(t)是输入信号角频率 偏离 的数值 ，称为输入固有角频差。 环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之代数和恒等于输入固有角频差。 )(sin)()()(eFVd1etpKKKtptp)()(sin)()(1e

12、FVdetptpKKKtp 0R00VVR0)()(tt)(VR0t)(Vt00V)(t0R00R0 锁相环路的基本方程的含意： e(t)是鉴相器的输入信号与压控振荡器输出信号之间的瞬时相位差； KdKV KF(p)/psine(t)称控制相位差，它是e(t)通过鉴相器、环路滤波器逐级处理而得到的相位控制量； 相位控制方程描述了环路相位的动态平衡关系，即在任何时刻，环路的瞬时相位差e(t)和控制相位差之代数和等于输入信号以相位0t为参考的瞬时相位。)(sin1)()()()()(eFVd1V1etppKKKtttt 2.锁相环路的主要特点 良好的跟踪特性 良好的窄带滤波特性 锁定状态无剩余频差

13、 易于集成化 3.锁相环路的应用 (1)锁相倍频电路 (2)锁相分频电路 (3)锁相混频电路 (4)锁相调频电路 滤波器为窄带滤波 (5)锁相调频解调电路 (6)锁相调相解调电路 (7)窄带跟踪接收机(锁相接收机) 它是一个窄带跟踪锁相环路。锁相环路中的环路滤波器其带宽很窄，只允许调频波的中心频率通过实现频率跟踪，而不允许调频波的调制信号通过。调频波中的调制信号是中频放大器输出信号经鉴频器解调得到的。 一般锁相接收机的环路带宽都做得很窄。因而，环路的捕捉带也很小。对于中心频率在大范围内变化的输入信号，单靠环路自身进行捕捉往往是困难的。因此，锁相接收机都附有捕捉装置用来扩大环路的捕捉范围。 4.

14、 锁相频率合成器 锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路两部分组成。 (1)典型的锁相频率合成器 压控振荡器的输出信号先通过程序分频器进行N次分频后再送给鉴相器与参考输入信号进行比较，当环路锁定后，输出频率 。而程序分频器的分频比N由输入的数字信号控制。 RoNff 图9.3.4所示是利用中规模锁相环频率合成器MC145106与低通滤波器、压控振荡器组成的频率合成器。MC145106内部集成有鉴相器、参考分频器(R)、程序分频器(N)和构成晶体振荡器的放大器。 外接晶体(10.24MHz)与放大器组成振荡频率为10.24MHz的晶体振荡器。 Rf MC145106组成频率合成器 参考分频器是

15、由一个2电路和29/210电路组成，由FS(6)端控制。若FS=“1”，参考分频比为210，则fR=10kHz。若FS=“0”，参考分频比为211，则fR=5kHz。 程序分频器(N计数器)其分频比N为3511， 输出频率为15kHz2555kHz,频率间隔为5kHz。 (2)带高速前置分频器的锁相频率合成器 为什么要在程序分频器N前增加高速前置分频器? 由于锁相频率合成器的程序分频器允许工作的上限频率有限。若要求合成器的最高输出频率大于程序分频器的允许上限工作频率时，通常可采用在程序分频器前增加高速前置分频器M，如图9.3.5所示。其输出频率为 ，最高输岀频率增大M倍。 RoMNff 缺点

16、： 因前置程序分频器的引入，最高输岀频率增大M倍,也使输出频率间隔增大了M倍。对要求频率间隔较小的合成器不太适用。 从表面上看这个缺点可以用降低fR来解决,但是过低的fR将会要求锁相环路的带宽很小，使环路建立时间变长，抑制压控振荡器的噪声能力变差。 这种合成器常用于频率分辨力要求不高、输出频率很高的场合。 对于要求输出频率很高,频率分辨力要求也很高的频率合成器,必须采用另外的方法解决。例如,双模前置分频器或采用混频等措施。 (3)双模前置分频锁相频率合成器（吞脉冲锁相频率合成器） 为了解决高的VCO输出频率和低速程序分频器的矛盾，并保证合适的频率间隔，可采用双模前置分频的锁相频率合成器，又称为

17、吞脉冲锁相频率合成器。 吞脉冲可变分频器的原理 吞脉冲可变分频器是由高速的双模前置分频器、吞脉冲计数器A、程序计数器N和模式控制逻辑电路组成。 双模前置分频的分频比受控制逻辑电路的换模信号MC控制，MC为低电平“0”，分频比为P+1 。MC为高电平“1”，分频比为P。 A计数器和N计数器均为减法计数器。开始工作时，要先进行预置。 总分频比： 先预置A计数器为A，N计数器为N，控制逻辑MC为“0”，双模分频器分频比为P+1。此时每输入(P+1)个压控振荡VCO脉冲，双模分频器输出一个脉冲，该脉冲同时送到A计数器和N计数器进行减法计数。当双模分频器输出A个脉冲,也就是VCO输入(P+1)A个脉冲时

18、，A计数器减为0，由控制逻辑产生换模信号MC为“1”，使双模分频器分频比为P。VCO输入脉冲继续输入时， A计数器停止计数， N计数器继续从(N-A)进行减法计数。当VCO再送入(N-A)P个脉冲后，N计数器也减到0。这时,N计数器产生一输出脉冲给鉴相器进行鉴相。与此同时控制逻辑的换模信号MC变为“0”,又开始新的工作周期。 ANPPNPAN) 1() 1(T 双模前置分频器组成的锁相频率合成器 图9.3.7所示是用双模前置分频器组成的锁相频率合成原理图。 锁相环路是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和可控程序分频器组成。可控程序分频器是由双模前置分频器、A计数器、N计数器和控制逻辑电路组成，其

19、总分频比为 。 APNNT虚线框內的各组成部分,是适用于双模前置分频器的专用集成锁相频率合成器 RRTo)(fAPNfNf (4)采用混频器的锁相频率合成器 当混频器工作于下变频状态时，采用前置混频的方法可以降低锁相频率合成器中程序分频器的输入工作频率。图9.3.8所示是釆用前置混频器的锁相频率合成器的组成框图。 在锁相环路锁定时，满足fR=(fo-fL)/N，则压控振荡器输岀频率为fo=fL+NfR ，其频率间隔为fR。 优点：较高输岀频率情况下,满足频率间隔小,多信道的应用。 缺点：增加本振源,且混频使寄生分量增多,信号频谱纯度下降。 (5)多环锁相频率合成器 单环锁相频率合成器要减小频率

20、间隔, 就需要降低参考频率。在要求输岀频率较高时, 可变分频器就需要有较高的可变分频比, 高的分频比, 输出噪声大, 也使频率间隔的减小受到限制。 R11fNf R22fNf 100)100(R21ofNNf 5.集成锁相频率合成器 (1)MC145106集成锁相环频率合成器 MC145106是单片中规模集成的CMOS锁相环频率合成器，在民用波段和FM收发信机等领域得到广泛应用。 MC145106方框图 MC145106引出端排列图 民用波段收发信机频率合成器 (2) MC145151-2集成锁相环频率合成器 MC145151-2是一种并行码输入编程的大规模集成锁相环频率合成器。在外电路若要增加前置分频器时，只能用单模前置分频器。下图给出了MC145151-2的外形图和引出端排列图。 MC145151-2外形图与引出端排列图 MC145151-2原理方框图 图9.3.15是MC145151-2的典型应用电路之一，参考分频地址是101,参考分频比为2048。晶体振荡频率为2.048MHz,经参考分频器