第3章 数字频率合成技术

第三章数字频率合成技术第三章数字频率合成技术引入:频率合成理论与20世纪30年代提出,利用单个或多个晶振作为基准信号源,通过分频,倍频,混频等方法,产生大量的离散频率信号.50年代,随着数字集成电路以及微电子技术的方展,出现了数字式频率合成器和直接数字频率合成器.第三章数字频率合成技术目前,应用最常用的频率合成法之一是数字锁相法,采用单环数字式频率合成器,多环数字式频率合成器和小数分频频率合成器.§3-1频率合成器的主要性能指标§3-1频率合成器的主要性能指标频率合成器的主要性能指标:<1>频率范围:即合成器输出的最低频率fomax和最高频率fomin之间的变化范围,用频率覆盖系数k表示:§3-1频率合成器的主要性能指标当k>2~3时,则整个频段可以划分为几个分频段,分频段的覆盖系数k1,k2,…kn与VCO的覆盖系数有关.<2>频率的长期稳定度:即:频率合成器长期内输出频率的稳定度,它与标准频率源的稳定度和精度有关.§3-1频率合成器的主要性能指标其典型值一般为<3>信道频率的总数及频率间隔:在不同的设备中,信道总数为几万,几十万甚至达到几百万.§3-1频率合成器的主要性能指标频道间隔(分辨能力)即:频率合成器输出信号两相邻频率之间的间隔.[举例]在短波通信中,常采用最小频率间隔为100Hz,有的甚至采用10Hz,1Hz.在超短波通信中,其频率间隔为50kHz或25kHz.§3-1频率合成器的主要性能指标<4>噪声:信道噪声有两种类型:即寄生干扰和相位噪声.它表征了输出信号的频谱纯度(即输出信号接近正弦波的程度)噪声来源有两个方面:(1)非线性器件产生的相干寄生信号(如混频器)(2)由内部电路产生的非相干噪声.这种寄生噪声频谱一般出现在所选定的输出频率左右.§3-1频率合成器的主要性能指标在高质量的频率合成器中,非谐波的寄生噪声低于所需信号的80~90dB,而谐波低于25dB.相位噪声功率:离开中心载频3kHz带宽内的噪声功率.§3-1频率合成器的主要性能指标<5>频率转换时间:即频率合成器从某频率转换到另一频率并达到锁定的时间;包括人工粗调(或搜索)频率的时间和锁相环的捕捉时间,环路的捕捉时间一般低于几十mS.§3-2单环数字式频率合成器

如图3-2所示为最基本的单环数字式频率合成器.它采用了:<1>可变程序分频器N.<2>晶体振荡器经R分频得到基准信号fr.<3>VCO输出fo经N分频得到fv.§3-2单环数字式频率合成器此频率合成器的特点是输出信号的频率间隔,步进开关只要使N改变1,即可改变一个频道.§3-2-1环路相位数学模型图中虚线框所示其中§3-2-1环路相位数学模型闭环传递函数其中§3-2-1环路相位数学模型实际上,频率合成器的输出是从VCO直接输出的,所以输出端呈现的闭环传递函数为§3-2-1环路相位数学模型由上述分析可见:<1>采用代替后,具有可变程序分频器的锁相环路与第一章中所讨论的环路具有相同的形式.于是第一章中的基本环路的结论也适用,只是用代替.所以环路增益,输出相位,输出频率均相应的减小N倍.<2>实际VCO输出端的闭环传递函数H(p)为虚拟VCO闭环传递函数的N倍.即§3-2-2环路性能讨论

以高增益的有源比例积分滤波器二阶环为例,借助于第一章的相关结论展开讨论高增益一.环路的主要参数1.环路的自然角频率和阻尼系数§3-2-2环路性能讨论2.环路的等效噪声带宽如果§3-2-2环路性能讨论二.环路捕捉范围1.环路在程序分频器输出端呈现的捕捉带有源比例积分滤波器与此对应§3-2-2环路性能讨论结论:§3-2-2环路性能讨论1.环路在压控振荡器输出端呈现的捕捉带上述分析说明,增加分频器不影响环路的捕捉性能.三.频率合成器的应用举例.电路结构与分析:<1>J154为单稳触发整形电路.<2>T210组成三级固定程序分频电路,分频比R=10*10*5=500,所以频率间隔<3>ST002为电压型数字鉴相器,它由数字比相器,恒压泵电路以及有源比例积分滤波器组成,鉴相误差电压由b点输出,vc(t)经积分和滤波后去控制VCO.<4>E1648为负阻型VCO,输出fo送至程序分频器.<5>程序分频器它接于VCO和鉴相器之间,实现提前预置同步程序分频的九读出法的程序分频器.三.频率合成器的应用举例.<6>BG1~BG5组成选频放大器和射极跟随器(由分立元件组成)<7>E10125为ECL-TTL电平转换器.此频率合成器的主要性能指标(P95)(1)输出频率f=5~6MHz.(2)输出频率间隔△f=10KHz.*(3)输出杂散噪声

△f1=50Hz,<-53dB

△f2=100Hz,<-55dB*(4)输出相位噪声功率谱密度1KHz以内<-70dB/Hz1KHz以外<-90dB/Hz§3-2-2环路性能讨论(5)频率转换时间(6)输出频率稳定度P95例3-2不作要求.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型按照实现单环数字式频率合成器的各种不同方法,可以分为以下四种类型的频率合成器.一.直接方式的单环数字式频率合成器.二.固定前置分频方式的单环数字式频率合成器.三.脉冲吞除方式的单环数字式频率合成器.四.混频方式的单环数字式频率合成器.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型一.直接方式的单环数字式频率合成器.1.单片集成锁相环组成的频率合成器它内部包括VCO,LF和PD等部件,而且可变程序分频器由一般的中规模集成电路组成,接于PD和VCO之间.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型2.带有PLL-IC的数字锁相环频率合成器.它由晶体振荡器,固定分频器(÷R),鉴相器,可变程序分频器组成).图3-7为方框图.图3-8为实际电路.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型2.带有PLL-IC的数字锁相环频率合成器.晶体振荡器由3端输入(fRmin=10.24MHz),经过放大后,由4端输出为10.24MHz.如经÷2分频器,由5端输出为5.12MHz.其参考分频比为,可以由6端选择控制,所形成的fr送入鉴相器MC14506PLL-ICVCO§3-2-3单环数字式频率合成器的类型VCO送来fo经过放大,并进行÷N分频后得到fv,fr与fv输入鉴相器进行比相.当环路锁定时,鉴相器输出产生高电平.锁定检测在失锁时处于低电平.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型二.固定前置分频方式的单环数字式频率合成器.由于采用固定前置分频器(分频比为K),从而使得分频器得工作频率下降,fr降低.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型三.脉冲吞除方式的单环数字式频率合成器.1.双模计数器锁相环.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型当环路锁定时§3-2-3单环数字式频率合成器的类型2.四模计数器锁相环.它由4模前置程序器些列SP8901或SP8906与4模大规模集成电路NJ8891混和而成,可得到各种VHF/UHF的频率合成器.工作频率可达1000MHz§3-2-3单环数字式频率合成器的类型§3-2-3单环数字式频率合成器的类型图3-12NJ811四模锁相环§3-2-3单环数字式频率合成器的类型四.混频方式的单环数字式频率合成器.此电路将VCO的输出fo与一个补偿晶振OSC进行混频,得到降频后的输出频率fk(显然改变OSC频率可以改变fk),再经过N分频后,送至鉴相器与基准信号进行比较.§3-2-3单环数字式频率合成器的类型三、多环频率合成器用高参考频率而且仍能得到高频率分辨力的一种可能的方法是，在锁相环路的输出端再进行分频，如图6-25。VCO输出频率经M次分频之后为图6-25后置分频器的PLL合成器图6-26三环锁相频率合成器合成器的频率转换时间是由A、B、C三个环共同决定的。因为A、B两个环的参考频率fr=100kHz，C环的参考频率更高，*所以即使频率分辨力达到1kHz，而总的频率转换时间仍为图6-27CMOS集成双环合成器环路的输出频率第三章数字频率合成技术§3-4小数分频频率合成器§3-4-1小数分频频率合成器基本原理如图3-17在小数分频频率合成器中,VCO的输出频率被锁定为输入标准频率F次谐波上.当环路锁定时(0.F为输入基准的小数F次谐波频率,其中N和F均为正整数)§3-4-1小数分频频率合成器基本原理工作原理:右边:VCO输出经过N分频送至鉴相器PD中与输入标准频率fr进行比相,用其误差信号再去控制VCO.左边:是0.F小数可变分频器,分频小数以二-十进制

§3-4-1小数分频频率合成器基本原理

写入F寄存器中.在输入的每一个周期中,F寄存器的存数和相位累加器的存数在十进制全加器中相加一次.每当此全加器计满引起溢出,溢出脉冲有效的通过脉冲删除电路.即从VCO的输出脉冲中删除一个脉冲.所以在溢出输出的输入周期中.程序分频器计有N+1个VCO输出脉冲.§3-4-1小数分频频率合成器基本原理举例:在每个输入信号周期中,寄存器F有0.1个数值输入十进制全加器,通过相位累加器又反馈到全加器中.则在每10个输入信号周期后,全加器就溢出一次,相当于程序分频器计有N+1个VCO输出脉冲,即N+1分频.于是,10个周期进行平均,得到输出信号频率:§3-4-1小数分频频率合成器基本原理[举例]寄存器中存有0.32数值,则每个输入信号周期内,0.32的值均被送到全加器和相位累加器中,全家器从0到4个信号输入周期中,应溢出一个脉冲使VCO减1,而全加器中剩下0.28,即

0.32×4-1=1.28-1=0.28于是再经过3个周期,全加器再次溢出,剩余0.24.即:0.28+0.32×3-1=0.28+0.96-1=1.24-1=0.24这样继续下去,经过25个输入信号周期,全加器呈现8次溢出,最后使全加器和相位累加器恢复到0,完成一个小数计数循环.§3-4-1小数分频频率合成器基本原理§3-4-1小数分频频率合成器基本原理于是在经过25个输入信号周期中平均,得到压控振荡器的输出频率fo为:此频率合成器的特点:解决了高的鉴相频率和小的频率间隔的矛盾.§3-5频率合成器的设计工程设计应全面考虑各种因素限制,实际情况作出决定,并进行装备调试.§3-5-1频率合成器的设计步骤1.若不采用小数频率合成器,一般应该选用2.若采用小数频率合成器,应该先决定小数位F,然后根据要求的,来决定基准频率即,一般F是小数位数,(用等表示)例如:小数位数为4位.频率间隔为10Hz.一.在给定技术指标时,确定标准频率§3-5频率合成器的设计二.根据技术指标要求,决定程序分频器的分频比N.为频率合成器的输出频率覆盖范围§3-5频率合成器的设计1.如果超过VCO的调谐范围,必须采用划分频段的VCO,这样可以降低压控灵敏度Ko,以改善质量指标.2.VCO调谐范围应满足环路的工作需要,通常选择为:三.计算所需压控振荡器的调谐范围§3-5频率合成器的设计其中,V1,V2为环路滤波器输出误差控制信号的变换范围§3-5频率合成器的设计3.如果采用的是变容管调谐,VCO调谐范围还需要满足变容管的调谐容限.其中,Vo为变容二极管的扩散电位n为变容指数Vcjmax为变容管调谐可以运用的最高电压.Vcjmin为变容管调谐可以运用的最低电压.且Vcjmax和Vcjmin应该选在变容管的非线性区域.§3-5频率合成器的设计四.选择最佳阻尼系数(1)阻尼系数太大的话,过大,将使环路的低通性能变差.(2)阻尼系数太小的话,滤波器特性有较大的过冲,将使捕捉时间加长.通常应该选择在一般选择在最佳起始点或选择在最佳值§3-5频率合成器的设计四.选择最佳自然角频率的大小同样影响捕捉时间和滤波性能.

为了保证环路对成分的很好抑制,应该远小于一般按照以下三个原则确定:1.当选定阻尼系数和环路等效带宽BL时,高增益的二阶环可按照下列决定,即§3-5频率合成器的设计2.当选定阻尼系数和环路截止频率,高增益的二阶环可按照下列决定,即3.当选定阻尼系数和给定快捕时间ts,高增益的二阶环可按照下列决定,即§3-5频率合成器的设计六.确定鉴相器灵敏度Kd鉴相器的鉴相灵敏度与所选用的鉴相器有关.1.如果采用二极管平衡鉴相器,则具有正弦特性鉴相灵敏度2.如果采用ST002数字电压型鉴相器§3-5频率合成器的设计七.确定环路的滤波参数(以高增益有源滤波器为例)1.根据前面确定的参数来确定即1.根据前面确定的参数来确定如果还有其他技术要求,需很据实际情况进行调整.一、概述

直接数字频率合成法又称为计算频率合成法。定义：直接数字频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS）

DDS是一种把一系列数字量形式的信号通过数模转换器转换乘模拟量形式的信号的频率合成技术。依托技术：1、高速数字电路技术2、高速D/A技术3、计算机技术§3-6直接数字频率合成法DDS技术的优点：1、频率范围宽2、连续的相位变换方式3、频率转换速度快4、频率分辨率极高5、信号输出质量高6、可产生各种类型的信号DDS是一种性能优越的现代频率合成技术。DDS技术应用越来越广。DDS的两种基本合成方式：1、利用计算机计算瞬时正弦函数幅值，实时送入D/A转换器，从而产生所需频率的信号。优缺点：电路简单、成本低、频率分辨率高，产生频率不高。二、DDS的基本工作原理2、利用硬件电路取代计算机的运算，将正弦函数幅值存入存储器中，通过地址扫描将数据送入D/A转换器，产生所需频率的信号。优缺点：电路集成度高、频率分辩率高，产生频率高。目前应用广泛。DDS的理论依据：奈奎斯特取样定理工作原理介绍：1、正弦函数表的建立2、原理3、原理框图4、调谐方程1、正弦函数表的建立将一个周期的正弦波信号，沿其相位轴方向，以等量的相位间隔，对其进行相位/幅值取样，得到一个周期内正弦波信号的离散相位幅值序列。再将该序列量化，转换成二进制量，就构成了正弦函数表。2、原理正弦信号的频率可以用相位斜率来表示：=/ta、不变，t变化，则频率改变；b、t不变，变化，则频率改变；DDS就是运用此原理。目前广泛应用的是方法b的思想。3、原理框图

频率码低通滤波器变址相位累加器只读存储器（正弦表）数模转换器输出信号时钟信号D/A4、调谐方程设取样时钟不变，其周期为Ts,则其频率为fs=1/Ts则输出信号频率为=/T=/Ts=•

fs

则输出信号频率=/T=2K/N•Ts=2K•fs/N

即f。=K

•fs/N

称为DDS的调谐方程，其中K为频率码

设N为输出最低频率时一个周期内的取样点数，则输出最低频率时取样的相位间隔L=2/N实际输出时的相位间隔为L的整数倍，假设为K倍即=K•L=2K/N三、DDS的特点1、DDS合成信号的频率稳定度由参考时钟决定；2、提高频率分辨率在技术上极为简单；3、DDS是一个开环系统，频率转换时间快；4、输出频率变化时，相位可连续变化；5、输出频率范围宽；6、在所有频率点上，输出信号幅度平坦；7、全数字器件多，体积小、易于集成，几乎无需调试；8、对屏蔽要求不高；四、一种DDS器件介绍DDS频率合成器AD9850的原理与应用

AD9850美国AD公司的高集成度频率合成器AD9850直接数字频率合成器性能指标：1、125MHz时钟频率；2、内含10bit高速D/A和高速比较器；3、32位的频率控制字，5位相位控制字；4、并行或串行的控制接口；5、+5V或+3.3V单电源供电6、低功耗（工作在125MHz时，功耗为380mW工作在110MHz时，功耗为155mW）AD9850组成框图AD9850功能图引脚说明：CLKINNO.9外部参考时钟输入RSETNO.12DAC外部电阻连接脚AGNDNO.10、19模拟电路地DGNDNO.5、24数字电路地DVDDNO.6、23数字电路电源AV