锁相环频率合成器的设计

1、锁相环频率合成器的设计摘要：在通信领域中，锁相环频率合成器起着越来越重要的角色。此论文是一篇介绍基于PROTEL的锁相环频率合成器设计的有关文章。频率合成器是一个系统，最初产生的一系列频率为参考频率的整数倍，参考频率通常是固定的。这样的合成器称为整数N频率合成器。频率合成器技术也不断前进，出现也很多新型的频率合成电路，并在通信电路中得到广泛使用。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。频率合成一个或少量的高准确度高稳定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和稳定度和参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件.关键词：PROTEL、锁相环、频率

2、合成器、鉴相器Thedesignofphase-lockedloopfrequencysynthesizerAbstract:Inthefieldofcommunications,phase-lockedloopfrequencysynthesizerisplayinganincreasinglyimportantrole.ThispaperisanintroductionofthedesignofPROTELPLL-basedfrequencySynthesisisasystem,initiallythefrequencyofaseriesofreferencefortheentirefre

3、quencyseveraltimes,thereferencefrequencyisusuallyfixed.ThissynthesizercalledintegerNSynthesis.Synthesistechnologyisconstantlyadvancing,therearealotofnewfrequencysynthesizercircuit,andinthecommunicationscircuitsarewidelyused.synthesizer.Phase-lockedloopiscomponentedbythephasedetector,loopfilterandVCO

4、.Synthesisisthatoneorasmallnumberofhigh-accuracyhigh-stabilityfrequencysstandardasareferencefrequency,whichderivedmorethanalargenumberofoutputfrequencys.Theaccuracyandstabilityoftheseoutputfrequencysisconsistentedwiththereferencefrequency,thefrequencysynthesizerisusedtogeneratethesefrequency.Keyword

5、s:PROTEL、Phase-lockedloop、Frequencysynthesizer、Phasedetector第一章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，锁相环基本原理锁相环(PLL)是一个相位跟踪系统。图1-1显示了最基本的锁相环方框图。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)设参考信号考信号Ur(t)=1-1锁相环的基本构成uc(t)PD1_LFVCOUr(t)图Ursin尬rt+6r(t)U(t)输出信号(1)式中ur为参考信号的幅度cor为参考信号的载波角频率9r(t)为

6、参考信号以其载波相位ort为参考时的瞬时相位(2)(2)若参考信号是未调载波时，则9r(t)=91二常数设输出信号为Uo(t)二UoCOS，otV。(t)式中Uo为输出信号的振幅3o为压控振荡器的自由振荡角频率9o(t)为参考信号以其载波相位oot为参考时的瞬时相位,在VCO未受控制前他是常数，受控之后他是时间函数。则两信号之间的瞬时相位差为日c(t)=(rt+日一(灼0t+日0(t)=(r灼0)t+%日0(t)(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e(t)小d日0(t)(4)r一0鉴相器是相位比较器，他把输出信号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

7、位差9e(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9e(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

8、表现为一固定的稳态值。即limt)：dt此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率偏移量由式(4)和式(5)得到为o控制电压uc(t)=O时的频率，其.dc(t)dt(6)由此可见，通过过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号和参考信号同步,两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。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。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9e(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差9e(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

9、型的正弦鉴相器可用模拟乘法器和低通滤波器的串接构成。下图是正弦鉴相器的数学模型和鉴相特性。2.环路滤波环路滤波器qsin/t)*Ud(t)P-3正弦鉴相器的鉴相特性二223屈是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。和运算放大器组成。它是一个线性系统。3:_2兀y(t)中的高频分量和噪环路滤波器由线性原件电阻、电容、常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器三种。下面以介绍有源比例积分滤波器为主A为有限值时，他的传A为有限值时，他的传有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器由运算放大器组成。当运放器开环电压增益递函数为F(s)Uc(

10、s)Ud(s)A1S21s-1式中t1=(R1+AR1+R2)Ct2=R2C由图1-4可见，它也具有低通特性和比例作用。相频特性也有超前校正的作用有源比例积分滤波器及其特幣dB3压控振荡器RCR2c压控振荡器（VCO率应随输入控制ud|个电压电压Uc（t线性的变化，忒0篷器6dB/倍频程,再换路政作为被控振荡器，它的振荡频恍）叽刻度）（8）Ucs（11）下图为VCO勺复频域的数学模型。VCO的传递函数为92（s）UuCK）3.环路相位模型和基本方程上面分别得到了鉴相器，环路滤波器和压控振荡器的模型，将三个模型连接起来，就可OW以得到锁相环路的模型。如下图戈（t）(a)1-5S所示(b)R(s)

11、9e（t）J5*锁相环I路相目位寸可用一个传输算子f（p）来表示。其中（p=d/dtI）是微分算子。由上图可以得出锁相环路的基本方程。c（t）三H,（t）M44臥）F(p)uc(t)K将(9)代入(押得sint)F(p)丁pe(t)二p(t)KUdSin礼(t)F(p)二p(t)Ksin(t)F(p)设环路输入一个频率or和相位0r均为常数的信号，即Ur=(t)Ursinrtr二UrSint(r担0)t-r化)(13)(14)式中cov（t）是vqao的瞬时角频率,式中cov（t）是vqao的瞬时角频率,VCOK0是线性特性斜率示单位控制数刻压,可使角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制9灵

12、敏度和增益系数，单位为rad/s*v.在锁（b）相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是瞬时相位，即日C（t）1（t）-O2（t）（9）将此式和uo（t）=UOcosoOt+B2（t），比较，可以知o0t为参考时的输出瞬时相位为日2（t）=UdSiRe（t）F（P）鱼（10）由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称他为环路中的固有积分环节。若对上式进行拉氏变换，可得到在复频域的表示上式就是压控振荡器相位控制的模型，式为式中，o0是控制电压uc（t）=0时VCC的固有振荡频率，0r是参考输入信号的相位。令日1（t）=r-叫并+耳P3（t）八r八0二0将式(11)代入

13、式(10)可得固有频率输入时的环路基本方程p日e(t)=A蛍0-K0Udsin日e(t)F他)在闭环之后的任何时刻存在着如下关系：瞬时频差=固有频差-控制频差，记为(-0-v)即三锁相环工作过程的定性分析(v-0)式(12)是锁相环路的基本方程，求解此方程，就可以获得锁相环路的各种性能指标，如锁定、跟踪、捕获、失锁等。但要严格的求解基本方程式往往是比较困难的。式中已认为压控振荡器的控制为线性，但因鉴相特性的非线性，基本方程是非线性方程。又因为压控振荡器的固有积分作用，基本方程至少是一阶非线性微分方程。若在考虑环路滤波器的积分作用，几班方程可能是高阶的。锁定状态当在环路作用下，调整控制频差等于固

14、有频差时，瞬间相差9e(t)趋向于一个固定值，并一直保持下去，即满足limp二e(t)=0t八：(17)此时认为锁相环路进入锁定状态。跟踪过程跟踪是在锁定的前提下，输入参考频率和相位在一定的范围内，以一定的速率发生变化时，输出信号的信号和相位以同样的规律跟随变化，这一过程称为环路的跟踪过程。失锁状态失锁状态是瞬时频差3r-3v总不为零的状态。这时环路具有频率牵引效应。捕获过程若环路原本是失锁的，但环路能够通过自身的调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。四锁相环路的线性分析锁相环路的线性分析的前提是环路同步，线性分析实际上是鉴相器的线性化。虽然压控振荡器也可能是非线性的，但只要恰当的设计和使用就

15、可以做到控制特性线性化。鉴相器在具有三角波和锯齿波鉴相特性是具有较大的线性范围而对于正弦型鉴相特性当丨9e|n/6时，可把原点附近的特性曲线视为斜率为Kd的直线,如图821所示23时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中，分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。频率间隔(频率分辨率)频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器，对频率间隔的要求是不相同的。频率转换时间频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率，并达到稳定所需要的时间。它和采用的频率合成方法有密切的关系。准确度和频率稳定度频率准确度是

16、指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值，即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。频率合成器的类型频率合成器可分为直接式频率合成器，间接式(或锁相)频率合成器和直接式数字频率合成器。下面介绍锁相环频率合成器为主。1直接式频率合成器（DS直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单,易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型：一种是所谓非相关合成方法；另一种称为相关合成方法。间接式频率合成器（IS）间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率合成器是目前使用最广的频率合成器,也是本节主要介绍的内容。直接式频率合成

17、器中所固有的那些缺点，如体积大、成本高、输出端出现寄生频率等，在锁相频率合成器中就大大减少了。基本的锁相频率合成器如图下所示。当锁相环锁定后,相位检波器两输入端的频率是相同的，即f=Nfrf=Nfrf。二Nf转换时间取决于锁相环的非线性性能，精确的表达式目前还难以导出，工程上常用的经验公式为t-25_转换时间大约等于25个参考频率的周期。分辨率和转换时间成反比。例如fr=10Hz,则fs=2.5s,这显然难以满足系统的要求。固定分频器的工作频率明显高于可变分频比，超高速器件的上限频率可达千兆赫兹以上。若在可变分频器之前串接一固定分频器的前置分频器，则可大大提高VCO的工作频率，如图833所示。

18、前置分频器的分频比为M,则可得f。二N(Mf)混频后用低通滤波器取出差频分量，分频器输出频率为,它采用全数字技术，具有3直接数字式频率合成器（DD）Nf直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的一种器件分辨率高、频率转换时间短、相位噪声低等特点，并具有很强的调制功能和其它功能集成锁相环频率合成器集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中，以构成集成频率合成器的电路系统第三章pll频率合成器的设计3.1909915MHz数字锁相环频率合成器的设计电路3a二為3a二為图3-19

19、09915MHz频率合成器上图为移动通信909915MHz频率合成器的设计电路，其中压控振荡器输出的频率通过双模预分频器MC12054A分频，再输出到可编程并行输入锁相环MC14515冲，单片机AT89C51通过I/O口对MC145152进行编程，以改变其计数器的计数初值，从而改变分频比，鉴相器双输出端输出的误差信号V和R输入到双端输入的有源低通滤波器，输出信号直接对压控振荡器进行控制，构成了一个完整的数控锁相环。单片机接收人工调整、设置的数值，并对MC145152勺计数器计数初值进行不同的预置，以锁定不同的频率，达到改变不同频点信号的目的。器件的选取锁相环频率合成器选用芯片MC145152晶

20、振选用12.8MHz的温补晶体，他的频率稳定度较高，可达10-8。低通滤波器选用运放芯片MC33171双模分频器选用MC12011和MC10154串联组成十64/65双模前置分频器，环路总分频比N总=NX64+A=3636036600，N=564571,A=(63,低功率压控振荡器选用MC12148电路的设计MC145152芯片参数的设计909915MHz频率合成器电路图如图2所示。fVCO=909-915MHzP=64,晶体振荡器的频率为12.8MHz参考分频器R取512,RAARA0为100,贝A=25kHi/51225kHzN*=(909915)MHz/25kHz=3636036600J

21、VX64+A=36600=568571X644-56=1000111000+001000-*I0001H011+1110001因此，N的取值范围为568571,A的取值范围为063,对应分频比36360,N计数器二进制为1000111011,A计数器二进制为111000,对应分频比36600,N计数器二进制为1000111011,A计数器二进制为111000,其余类推。R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0,悬空为逻辑1。2.3外围电路参数设计假设压控振荡器控制电压Vd=10V,鉴相灵敏度Kd=9/2n7/rad,Z值的大小直接影响环路的瞬态特性，Z值大，环路的低通特性性能变差

22、，对输入频率成分滤出能力降低；Z值太小，瞬态特性有较大的过冲，捕捉时间加长，故需折衷考虑Z的取值，通常比较合适的数值为Z=0.51.5，通常选择最佳值1。CDn为环路自然谐振角频率，CDn值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，dn应该远小于鉴相频率dd,通常可按下式选择dn=Dd/(301000)，当噪声来源于参考频率和分频器时，dn可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，dn可选择得大些，这里参数选10,因此叫dn为2500rad/s。Ka=2*r(915一909)XlO/lO=L2nX10*rad/sV有源比例积分滤波器由运放芯片MC3317构成，根据

23、前面确定的参数K0,Kd和dn可以确定R1和R2Rh=取电容标称值C为0.015卩F,则R1为1574Q,取电阻标称值1.6kQ,R2为53333Q，取标称值5.4kQ0当Z选定和快捕时间n选定以后，自然角频率ts由下式决定：t.=lL6ms扯，转换时间快，满足技术指标要求。3.2在PLL频率合成器中，设计时要考虑的因素（1）频率分辨率及频率步长；（2）建立时间；（3）调谐范围（带宽）；（4）相位噪声和杂散（谱纯度）；（5）成本、复杂度和功能。3.3芯片的选择及特点MC145152-2MC33171MC12148MC10178MC12011MC145152-2种以摩托罗拉公司生产的MC1451

24、52芯片的为基础的频率合成器。这种锁相环频率合成器的稳定度和准确度和基准频率一致，从总体结构上看由单片机、锁相环及可编程分频器三部分组成。其中可编程分频器是单片微机和锁相环之间的接口，同时也是组成数字锁相频率合成器的关键部件，在移动通信陆地电台等领域有着广泛的使用。MC145152是MOTOROLA司生产的大规模集成电路，是16比特并行输入并行输入数据编程的双模锁相环频率合成器，该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器（分频比为8,64，128,256，512，1024，1160，2048），双端输出的数字鉴相器、控制逻辑、10比特可编程的十N计数器（分频比为31023）、6比特可编

25、程十A计数器（计数范围为063）和锁定检测等部分。其中，10比特十N计数器、6比特十A计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：N总=NP+A（1）他和双模（P/（P+1）分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC当MC为低电平时，双模分频器用(P+1)去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除他有A计数器和N计数器两个计数器。他们和双模(P/(P+1)分频器提供了总分频值(NP+A)。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为31023,A的取值范围为063。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数(N-A)期间，MC为高电平。他有一个

26、参考振荡器，可外接晶体振荡器。他有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8,64,128，256，512，1024，1160，2048。他有两路鉴相信号输出，其中，R,V用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。MC145152的工作原理；参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。压控振荡器信号经双模(P/(P+1)分频器分频，再经A,N计数器分频器后形成fv信号，fv=fvco/(NP+A)。fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号(R,V)经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。当整个环路锁定后，fO=fR且同相，fVCO=(NP+A)fR便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。MC12148低功率压控振荡器。MC1214要求包括一个电感L和电容C的外部振荡电路。在该电路中使用一个变容二极管，可为VCO提供可变输入电压。MC12148具有下述特