《高频电子线路》课件2第9章

9.1自动增益控制电路(AGC)9.2自动频控制电路

9.3锁相环(PLL)

9.4频率合成器9.5习题

内容提要：

·自动增益控制

·自动频率控制

·锁相环

·频率合成器

反馈控制是现代控制系统工程中的一种重要技术手段，在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制可使系统参数达到所要求的精度，或按照一定的规律变化。根据控制对象的不同，反馈控制电路分为以下三类：

(1)自动增益控制(简称AGC)。它主要用于接收机中，根据接收机输入信号电压的大小，自动调整接收机中放大器的增益，使接收机的输出信号电平比较平稳，接收效果稳定。(2)自动频率控制(简称AFC)。它主要用于控制电子设备中工作频率的稳定度，保持其工作频率稳定在预期的工作频率上。

(3)自动相位控制(简称APC)，又称为相位锁定环路，简称锁相环(PLL)。它是通过控制相位达到准确控制频率目的的，在通信设备中应用非常广泛。

反馈控制电路通常由四部分组成，如图9-1所示。其中比较器的作用是将基准信号ur(t)和反馈信号uf(t)的某个参数进行比较，输出与比较结果呈正比的电压ue(t),即误差信号。控制信号发生器的作用是在误差信号的控制下产生一个控制信号uc(t),由uc(t)对可控制器件的某一特性进行控制。反馈网络的作用是在输出信号uo(t)中提取所需的反馈控制信号uf(t)，并将其送入比较器与基准信号ur(t)进行比较。图9-1反馈控制电路的组成

根据比较器比较的信号参数不同，比较器可以是电压比较器、频率比较器(鉴频器)或相位比较器(鉴相器)三种。可控器件的可控制特性一般是增益、频率或相位。由图9-1可见，整个反馈控制系统是一个闭环控制系统，通过反馈环节、比较环节、输出控制环节的作用，对被控器件的特性不断地进行修正，使被控参数满足系统要求。9.1自动增益控制电路

在通信、导航、遥测遥控等无线电系统中，由于受发射功率大小、通信距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响，到达接收端的信号强弱变化范围很大，信号强度的起伏达几十分贝。在这种情况下，如果接收机增益不变，则信号太强时会造成接收机的饱和或阻塞，而信号太弱时又可能因无法接收而丢失信号。因此，只有在接收机中采用自动增益控制电路，使接收机的增益随输入信号强弱自动变化，即接收机输入端信号弱时，接收机的增益自动增大，而接收机输入端信号过强时，接收机的增益自动减小，以保证稳定的接收果。9.1.1自动增益控制电路的工作原理自动增益控制电路的功能是在系统的输入信号电压不稳定的条件下，通过控制系统的电压增益，保证系统输出电压基本稳定。控制方法是若系统的输入电压增大，则自动减小系统电压增益；若系统输入信号减小，则自动增大系统电压增益。其控制原理如图9-2所示。图9-2自动增益控制原理框图

自动增益控制电路控制的是输出电压，因此比较器用电压比较器。电平检测、低通滤波、直流放大等电路共同组成反馈网络，其中电平检测器检测输出信号的变化，通过低通滤波器滤除无用信号，取出能反映输出电压变化的电压分量，经直流放大器放大(可提高自动增益控制的灵敏度)后送入电压比较器。自动增益控制的原理是：

输入信号ui增大(减小)→输出电压uo增大(减小)→电平检测器检测到的电压增大(减小)→低通滤波器的输出电压增大(减小)→直流放大器的输出电压增大(减小)→电压比较器的输出电压ue增大(减小)→控制信号发生器产生的控制电压uc控制可控放大器的增益使其减小(增大)→输出电压uo减小(增大)。通过闭环电路的不断循环控制，可使输出电压uo基本保持不变。9.1.2自动增益控制电路的应用

1.简单自动增益控制电路

调幅接收机中的自动增益控制电路如图9-3所示。设接收机的输入信号为

u1=Ucm(1+macosΩt)cosωct(9-1)则检波器输出电压为

u5=A1A2A3Ucm(1+macosΩt)(9-2)滤波器的输出电压为

u6=A1A2A3KUcm(9-3)

由式(9-1)、式(9-2)和式(9-3)可推导出：输入信号的幅度Ucm增大(减小)→检波输出电压u5增大(减小)→控制电压u6增大(减小)→A3减小(增大)→检波输出电压u5减小(增大)。图9-3调幅接收机中的自动增益控制电路

在实际的接收机电路中，是用滤波器的输出电压u6控制中频放大器的静态工作点来达到改变中频放大器增益的目的的。由以上分析可见，简单的自动增益控制电路只要输入信号变化，立刻就起控制作用，这不利于微弱信号的接收，会使接收机的灵敏度降低，因此多用于要求不高的场合。2.延迟自动增益控制电路简单自动增益控制电路可能会导致接收机无法接收微弱信号。我们希望，当接收机的输入信号比较弱时，接收机的增益为最大值，只有当接收机的输入信号增大到一定值时，自动增益控制电路开始起控，这样，既避免了接收机的输入信号过大引起阻塞，又解决了微弱信号的接收问题，这就是延迟自动增益控制电路。调幅接收机的延迟自动增益控制电路如图9-4所示。图9-4延迟自动增益控制电路

简单自动增益控制电路中，AGC控制电压是将接收机检波器的输出电压直接滤波后得到的，即只要接收机工作，就有AGC控制电压产生，AGC电路就起控制作用；图9-4所示延迟自动增益控制电路的AGC电压是通过专设的AGC检波器获取的，AGC检波器有一个参考电压Ur，只有接收机的输入电压大到使中频放大器的输出电压大于参考电压时，AGC检波器才开始工作，产生AGC控制电压，即输入信号比较微弱时，中频放大器的输出电压比较小，无法使AGC检波器工作，因此无AGC控制电压产生，不对放大器进行增益控制，放大器的增益为最大值；

当接收机的输入信号增大到一定值后，中频放大器的输出电压大于AGC检波器的参考电压，AGC检波器开始工作，输出AGC控制电压，对放大器的增益进行控制。延迟AGC控制电路的增益特性如图9-5所示。当输入电压大于Uir后，自动增益控制电路开始控制增益。图9-5延迟AGC控制电路的增益特性思考与练习

1.自动增益控制电路的作用是什么？

2.与简单自动增益控制电路相比，延迟自动增益控制电路有什么优点？

3.图9-1中每块电路的作用是什么？

4.当接收机输入信号变化时，AGC电路控制放大器的增益如何变化？9.2自动频率控制电路

在很多电子设备中，工作频率的稳定性决定着系统是否可以正常工作。如调幅接收机的中频放大器是对中心频率为465kHz的信号进行放大的，如果本机振荡信号频率不稳定，会导致混频器输出中频信号频率偏离465kHz。如果偏离不多，会使接收机增益变小；如果偏离过多，混频器输出的信号可能因无法通过中频放大器而导致接收机不能正常收听。为了提高系统工作频率的稳定度，可采用自动频率控制电路。9.2.1自动频率控制电路的工作原理图9-6(a)所示为自动频率控制电路的原理框图。自动频率控制电路控制的对象是频率，因此系统中的比较器用频率比较器，频率比较器的任务由鉴频器完成，鉴频器的鉴频特性如图9-6(b)所示。图中，fr为参考频率，当压控振荡器的振荡频率fo等于参考频率fr时，频率比较器输出电压ue和控制信号发生器输出电压uc都等于零，说明振荡器频率准确，不需控制；当压控振荡器频率fo＞fr(fo＜fr)时，由鉴频特性曲线可见，频率比较器输出电压ue＞0(ue＜0)，滤除掉干扰成分，控制信号发生器输出电压uc＞0(uc＜0)，该电压控制压控振荡器的频率减小(增大)，实现了对频率的反馈控制。图9-6自动频率控制电路9.2.2自动频率控制电路的应用

1.自动频率控制电路在调幅接收机中的应用

调幅接收机中的AFC控制电路如图9-7所示，其控制对象是压控振荡器的振荡频率。通过AFC控制压控振荡器振荡频率使混频器的输出信号频率接近规定的465kHz。图9-7调幅接收机中的自动频率控制电路

图9-7中，直流放大器可提高频率控制的灵敏度，限幅器将调幅信号变成等幅信号，给鉴频器输入等幅信号，避免幅度变化对鉴频器输出的影响，因此，鉴频器的输出电压仅仅随其输入信号频率变化。设中频放大器的输出信号为

u1=Uim(1+macosΩt)cosωIt(9-4)则限幅器的输出电压为

u2=U2cosωIt(9-5)鉴频器的输出电压为

u3=SD(fI-465×103)(9-6)

由式(9-4)、式(9-5)和式(9-6)可知，当混频器的输出信号频率fI=465kHz时，u1、u2的频率也都等于465kHz，则鉴频器输出电压u3=0，无控制电压产生，不对压控振荡器的振荡频率进行调整。当fI＞465kHz(fI＜465kHz)，鉴频器输出电压u3＞0(u3＜0)时，经低通滤波器滤除干扰，通过直流放大器放大，产生AFC控制电压u5＞0(u5＜0)，u5控制压控振荡器频率使其减小(增大)，则混频器输出信号频率fI减小(增大)，达到使混频器输出信号频率接近465kHz的目的。2.自动频率控制电路在调频接收机中的应用调频接收机中自动频率控制电路的控制对象也是压控振荡器的振荡频率，它通过控制压控振荡器的振荡频率，保证混频后得到的中频接近规定的中频10.7MHz。调频接收机中的自动频率控制电路框图如图9-8所示。图9-8调频接收机中的自动频率控制电路设图9-8中混频器输入电压为

u1=Uimcos(ωct+mfsinΩt)(9-7)压控振荡器输出电压为

u6=Ulmcosωlt(9-8)则混频器输出电压为

u2=U2mcos［(ωl-ωc)t-mfsinΩt］=U2mcos(ω1t-mf

sinΩt)(9-9)中频放大器输出电压为u3=U3mcos(ωIt-mfsinΩt)t(9-10)式(9-10)的频率为鉴频器的输出电压为u4=SD(f-10.7×106)=SD(fI-10.7×106-mfFcosΩt)(9-11)低通滤波器的输出电压为

u5=SD(fI-10.7×106)(9-12)

由式(9-7)~式(9-12)可见，当混频器输出信号的频率fI=10.7MHz时，AFC控制电压u5=0，中频准确，不需要调整压控振荡器频率；当混频输出信号的频率fI＞10.7MHz(fI＜10.7MHz)时，AFC控制电压u5＞0(u5＜0)，u5控制压控振荡器频率fI减小(增大)，使fI减小(增大)，向10.7MHz靠近。3.自动频率控制电路在调频发射机中的应用调频发射机中自动频率控制电路的控制对象是调频振荡电路的中心频率fc，通过控制fc保证发射机发射信号的中心频率稳定在规定值。调频发射机中的自动频率控制电路如图9-9所示。图9-9调频发射机中的自动频率控制电

设图9-9中调制信号为

u1=UΩmcosΩt(9-13)则直接调频电路的输出电压为

u2=U2mcos(ωct+mfsinΩt)(9-14)放大器输出电压为

u3=U3mcos(ωct+mfsinΩt)(9-15)AFC电路控制的目的就是使fc(ωc)稳定在规定的发射频率上。晶体振荡器会产生频率稳定度很高的信号，可表示为

u4=Ulmcosω1t(9-16)u3、u4经混频器混频后，输出电压为u5=U5mcos［(ω1－ωc)t－mfsinΩt］

=U5mcos(ω1t-mfsinΩt)(9-17)式(9-17)的频率为

f=fI－mfFcosΩt

鉴频器输出电压u6同式(9-11)，而低通滤波器的输出电压u7同式(9-12)。

通过以上分析可见，如果发射机的发射频率fc等于规定的发射频率，则混频器输出信号频率fI=10.7MHz(假设发射机中限幅鉴频器鉴频特性的过零频率为10.7MHz)，滤波器输出为0，无控制电压产生，说明发射机发射频率准确；当发射机的发射频率fc大于规定发射频率(fc小于规定发射频率)时，混频器输出信号频率fI>10.7MHz(fI＜10.7MHz)，滤波器输出电压u7＞0(u7＜0)，u7控制直接调频电路的频率fc减小(增大)，达到控制发射频率的目的。思考与练习

1.自动频率控制电路的作用是什么？

2.频率比较器的作用是什么？

3.图9-9中，哪个电路起频率比较器的作用？

4.图9-6中控制电路通过控制能达到什么目的？参考信号的频率是多少？

5.图9-7中为什么要用限幅器？鉴频器的作用是什么？频率控制范围有多大？

6.图9-8中，频率比较由哪块电路实现？AFC控制范围有多大？9.3锁相环(PLL)

锁相环又称相位锁定环路，是用两个信号的相位误差控制系统频率的。和自动频率控制电路相比，锁相环可实现无误差的频率控制，在雷达、制导、导航、遥控、遥测、通信、计算机等众多领域都得到了广泛的应用。9.3.1锁相环的基本工作原理

1.锁相环路的组成

基本锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成，其组成框图如图9-10所示。图9-10锁相环的组成框图

锁相环的控制目的是通过环路的控制，使输出电压uo(t)与输入参考电压ur(t)相位相同。鉴相器将环路输出电压uo(t)与环路输入参考电压ur(t)的相位进行比较，求出它们的相位差，并将相位差转化成与之成正比的电压ue(t)；环路滤波器对鉴相器的输出电压滤波，取出能完全反映相位差变化规律的电压成分uc(t)作为环路的控制电压；压控振荡器输出信号的相位受环路滤波器的输出电压控制，使其相位与环路输入参考电容相位相等。

任何控制电路都有自己的控制精度，即通过控制只可能非常接近目标值(接近的程度与电路的控制精度有关)，而无法等于目标值，这是由控制电路的结构决定的。无论是AGC电路、AFC电路还是锁相环都是如此。尽管锁相环无法消除uo(t)与ur(t)的相位差，但可将两者的相位差控制到一个很小的常数，此时，uo(t)与ur(t)的频率是完全相等的，即尽管锁相环无法进行准确的相位控制，但它可做到准确的频率控制，因此，锁相环经常被用于控制频率。

为什么锁相环可对频率进行准确的控制呢？由图9-10可知，通过锁相环控制可使uo(t)的相位非常接近ur(t),两者的相位差θe为一很小的常数,设uo(t)=Uomcosωot,ur(t)=Urmcosωrt,则θe=ωot-ωrt，此时两者的频率差为(因θe为常数)，所以ωo=ωr。这就好比两个人绕圆周跑步，由于起跑时两个人就有了一个很小的距离(相当于θe)，要保持这个距离不被拉大，两个人的速度(相当于ωo和ωr)就必须相等，否则两人之间的距离会越来越大。

2.锁相环的几个概念

1)锁定当环路通过循环控制使相位差qe为常数，即环路输出信号频率等于环路输入参考信号频率时(wo=wr)，称环路锁定，否则称环路失锁。

2)跟踪当环路处于锁定状态时，若环路输入参考信号频率变化，则环路输出信号频率跟着变化，且始终保持wo=wr，称这种现象为跟踪。

3)捕捉将环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉。9.3.2锁相环的应用

1.集成锁相环NE564的应用

NE564是超高频单片集成锁相环电路，芯片共16个引脚，如图9-11所示。用NE564可实现快速调制、鉴频、FSK信号的解调及倍频，NE564的工作频率高达60MHz。图9-11

NE564的引脚分布及引脚作用NE564各引脚的作用如下：

(1)引脚1和10接直流电源，直流电源电压为5～12V。

(2)引脚2为环路增益控制，此引脚可外接电位器，通过调整电位器来改变环路增益。

(3)引脚3为鉴相器输入端，压控振荡器VCO的输出信号(引脚9)由此引脚送入鉴相器。

(4)引脚4、5为环路滤波器接入端，环路滤波器通过4、5两个引脚接入集成电路。(5)引脚6为FM/RF输入端，锁相环的参考信号由此端输入。

(6)引脚7为偏置滤波电容接入端，7脚与地之间接0.1μF的电容。

(7)引脚8为接地端。

(8)引脚9为压控振荡器的输出端，将引脚9的信号送入鉴相器的输入端(引脚3)。(9)引脚11为压控振荡器的ECL输出端(ECL是一种高速逻辑电路)。

(10)引脚12、13是压控振荡器的定时电容C的接入端,它决定了压控振荡器的振荡频率，其频率为f≈1/22Rc(C+Cs)。(11)引脚14为FM解调输出端，当锁相环用作鉴频器时，鉴频结果从14脚输出。

(12)引脚15为回差电压调整端，可通过此端控制施密特触发器的回差电压。

(13)引脚16为TTL输出端，当锁相环用于对FSK信号解调时，解调结果从16脚输出。NE564的方框图如图9-12所示。图中除了锁相环的基本电路外，还增加了限幅器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器。限幅器用来对输入信号限幅，去掉幅度上的干扰信号；施密特触发器与直流恢复电路共同组成FSK信号解调时的检波后处理电路，直流恢复电路为施密特触发器提供一个稳定的参考电压。图9-12

NE564方框图1)用NE564实现鉴频为了很好地理解锁相环鉴频的工作原理，先分析基本锁相环鉴频器的鉴频原理，然后再分析由集成锁相环NE564构成的鉴频器电路。基本锁相环鉴频器如图9-13所示。图9-13基本锁相环鉴频器

由锁相环的工作原理可知,图9-13控制的结果是压控振荡器的振荡频率等于鉴相器输入参考信号的频率，即调频输入信号的频率。压控振荡器的振荡频率是受控制电压uc(t)控制的，即压控振荡器的瞬时振荡频率fo(t)∝uc(t)；而调频信号的频率fr(t)∝uΩ(t),环路锁定后fo(t)=fr(t),所以uc(t)∝uΩ(t)，可见鉴频器的控制电压与调制信号成正比。因此，当锁相环的输入参考电压为调频信号时，环路滤波器的输出电压即为解调输出，用锁相环实现了鉴频。集成锁相环NE564构成的5V供电和12V供电锁相环鉴频器如图9-14和图9-15所示。图9-14

5V供电电压的锁相环鉴频器图9-15

12V供电电压的锁相环鉴频器

图9-14中，中心频率为5MHz，调制信号频率为1kHz，调频信号经0.47μF的耦合电容从限幅器的输入引脚6输入，限幅后从集成电路内部送入鉴相器，作为鉴相器的参考输入信号；压控振荡器的输出电压从引脚9输出，连接到鉴相器的输入引脚3，鉴相器将两个信号的相位进行比较，并将比较的结果转换成与之成正比的电压，经鉴相器引脚4、引脚5外接的由两个0.01μF电容组成的环路滤波器滤波得到控制电压。该控制电压一方面通过集成电路内部送入压控振荡器，控制压控振荡器的频率；

另一方面经放大器和直流恢复电路处理后从14脚输出，14脚输出电压即为鉴频器输出电压。引脚7所接的0.01μF电容为滤波电容，引脚1、引脚10接5V直流电压，引脚8接地，引脚12、引脚13之间80pF的电容决定了压控振荡器的振荡频率为5MHz，引脚14所接的0.1μF电容为滤波电容，引脚9所接的1kΩ电阻是集成电路内部电路的需要。可通过调节引脚2所接的电位器改变环路增益。图9-15所示电路与图9-14所示电路的原理相同，只是供电电压为12V，引脚10、引脚5外接了由200Ω电阻与0.01μF电容组成的退耦电路。

2)用NE564实现调频如果将锁相环路连接成图9-16所示形式，便可实现调频。锁相环调频电路中锁相环的作用是控制输出调频信号的频率，使其等于高稳定度的晶体振荡频率，即通过锁相环控制使调频信号的中心频率稳定在规定值上。图9-16锁相环调频电路

设图9-16中晶体振荡器的输出电压ur

(t)=Urmcos(ωrt+θr)，θr为常数，调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt，则压控振荡器的输出电压uo(t)=Uomcos(ωot+mfsinΩt)，鉴相器的输出电压为ue(t)=K［(ωr-ωo)t+θr-mfsinΩt］，K为鉴相器的鉴相灵敏度，经环路滤波输出的控制电压为uc(t)=K′［(ωr-ωo)t+θr］，K′为常数，可见只有ωr=ωo时，控制电压才不再变化，压控振荡器输出中心角频率稳定在ωr。

图9-17为NE564构成的调频电路，它并未利用锁相环控制调频信号中心频率的稳定度，它只是利用NE564中的压控振荡器实现调频，是一个直接调频电路。调频信号的中心频率靠引脚4、5之间的电位器精确调节。NE564中的鉴相器只有一个输入信号，那就是从引脚6输入的调制信号，鉴频器的另一个输入端引脚3接地，因此鉴频器在此不起鉴频作用，只是将限幅器送来的调制信号传送给压控振荡器，控制压控振荡器的振荡频率，使其按照调制信号的规律变化，实现调频。而压控振荡器的中心频率由引脚12、13之间所接电容决定，同时通过调整引脚4、5之间的电位器细调，最后可精确地调节至要求的中心频率处。压控振荡器的输出(即调频输出)从引脚9输出。图9-17集成锁相环调频电路3)用NE564实现倍频如果将锁相环连接成图9-18所示的电路，则可实现倍频功能。图9-18锁相环倍频器

图中，晶体振荡器产生频率稳定度很高的高频振荡，其频率为fr，将该高频振荡输入鉴相器，压控振荡器的振荡频率为fo，将fo经过N次分频后输入鉴相器与fr比较，用比较后得到的控制电压调整压控振荡器的频率直至fo/N=fr，环路锁定，则fo=Nfr，实现了N倍频。NE564构成的倍频电路如图9-19所示。图中，频率为fT

的信号从引脚6输入到NE564的限幅器，经限幅输入给鉴相器，鉴相器的另一个输入从压控振荡器的输出引脚9经N次分频后由引脚3输入，鉴相器将两个信号的相位比较得到压控振荡器的振荡频率，直至压控振荡器输出信号频率等于输入信号频率的N倍。引脚12、13之间所接为压控振荡器的定时电容，改变该电容的大小可改变振荡器的振荡频率，引脚4、5所接的0.33μF电容为环路滤波电容，引脚2所接电位器可调节环路增益，0.47μF电容为滤波电容。图9-19

NE564构成的倍频器思考与练习

1. 锁相环由几部分组成？每部分功能是什么？

2. 简述锁相环的工作原理。

3. 为什么锁相环可实现准确的频率控制？

4. 你知道哪些型号的集成锁相环电路？

5. 画出锁相环鉴频器的原理框图。

6. 画出锁相环倍频器的原理框图。

随着电子技术的不断发展，对信号源频率的要求越来越高，要求信号源既有很高的频率稳定度和准确度，又可方便地改变频率。晶体振荡器虽有很高的频率稳定度和准确度，但频率变化范围很小，无法满足应用要求。而LC振荡器虽然频率调节方便，但频率的稳定度和准确度不够，也无法满足应用要求。例如，短波通信要求通信机在2～30MHz的频率范围内产生频率间隔为100Hz的28万个频点，如此多的频点要求只有通过频率合成技术解决。9.4频率合成器

频率合成技术是指用一个或几个高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此产生出大量的输出频率，这些输出频率的准确度及稳定度与参考频率相同。用来实现频率合成的器件称为频率合成器。9.4.1频率合成器的技术指标

1.频率范围

频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围称为频率合成器的频率范围，也可用覆盖系数k=fomax/fomin来表示。频率合成器应在指定的频率范围内正常工作，且能满足其它性能指标。2.频率分辨率频率合成器输出的频率是不连续的，相邻频率之间的最小间隔即为频率合成器的频率分辨率。如短波单边带通信机频率分辨率多为100Hz，超短波通信频率分辨率多为50Hz、25Hz。不同的应用场合对频率分辨率的要求不同。3.频率转换时间频率合成器从一个频率转换到另一个频率并达到稳定所需的时间称为频率转换时间。频率转换的速度越快，频率转换时间越短。

4.频率稳定度与准确度频率合成器的工作频率偏离规定频率的数值称为频率准确度。而在规定的时间内，频率合成器的频率偏离规定频率相对变化的大小称为频率稳定度。稳定度和准确度的概念在第3章振荡器中已讨论过。频率准确度是绝对频率偏差，而频率稳定度是在一定时间内的相对偏差。5.频谱纯度频率合成器的输出信号为理想正弦信号时，其频谱为在规定频率处的一根谱线，如图9-20(a)所示。实际的频率合成器输出信号中除了规定的频率外，还包含了许多干扰频率，因此其频谱由很多谱线组成，如图9-20(b)所示。频率合成器输出信号中干扰频率越多，频谱纯度越差。图9-20频率合成器的理想频谱与实际频谱9.4.2锁相环频率合成器频率合成器可分为直接频率合成器、间接频率合成器及直接式数字频率合成器。直接频率合成器的频率分辨率高，可达10-2Hz，频率转换速度快，小于100μs，工作稳定可靠，频谱纯度高，但体积大、重量大、成本高。直接式数字频率合成器(DDS)采用全数字技术，具有频率分辨率高、转换速度快等优点，近年来发展非常迅猛。间接频率合成器又称锁相环频率合成器，其频率分辨率和转换时间不如前两种频率合成器，但其成本低，结构简单，是应用最广泛的频率合成器，是本节讨论的重点。1．单环锁相频率合成器图9-21所示为一单环锁相频率合成器。由图9-21可见，频率合成器由一个锁相环路组成，只是在基本锁相环的反馈回路中加入了可编程分频器(÷N)，N的数值可通过编程改变，这种频率合成器也被称为基本锁相环频率合成器。频率合成器的输出频率为fo=Nfr，N取不同值时，输出频率不同，可见利用基本锁相环频率合成器可产生频率为fr整数倍的一系列输出频率，其频率分辨率为fr。图9-21单环锁相频率合成器

综上所述，要提高频率合成器的频率分辨率，必须减小fr，但这又会使频率合成器的转换时间增长，即转换速度变慢。在工程上，通常用经验公式ts=25/fr计算转换时间。在图9-21中，频率合成器的输出信号直接作为可编程分频器的输入信号，而可编程分频器的工作频率比较低，这就意味着频率合成器的工作频率(fo)比较低，大大限制了频率合成器的实际应用。为了提高频率合成器的工作频率，可将图9-21所示电路改进成图9-22所示的电路，即在可编程分频器与压控振荡器之间接入能降低频率的前置分频器。图9-22采用前置分频器的频率合成器

图9-22中增加了一个固定分频比(M为常数)的分频器，这样可编程控制器的工作频率不再是fo，而是f

o/M，即使频率合成器的工作频率很高，可编程分频器也能正常工作。当环路锁定时，fo/(NM)=f

r

，所以频率合成器的输出信号频率为f

o=NMfr。前置分频器是固定分频器，所以工作频率很高，经前置分频器将频率合成器输出信号的频率降低为fo/M后作为可编程分频器的输入信号。这样做可提高频率合成器的工作频率，但频率合成器的分辨率会降低，变为Mfr，所以，采用前置分频器提高频率合成器工作频率的代价是降低频率合成器的频率分辨率。

图9-22是通过前置分频器将频率合成器的频率降低为可编程分频器的工作频率，这样做同时也降低了频率合成器的频率分辨率。图9-23则采用混频器将频率合成器的频率降低为可编程分频器的工作频率，且频率合成器的频率分辨率并未降低。环路锁定时，fr=(fL-fo)/N，所以频率合成器的输出信号频率为fo=fL-Nfr，频率分辨率为fr。图9-23下变频锁相环频率合成器

尽管图9-22和图9-23解决了基本锁相环频率合成器工作频率低的问题，但它们无法解决频率分辨率与转换时间之间的矛盾，因为要提高频率分辨率就要降低参考频率fr，而要减小转换时间就要增大fr。为了进一步改善频率合成器的性能，可采用变模锁相环频率合成器。2.变模锁相环频率合成器变模分频器(也称吞脉冲技术)可在不改变频率合成器频率分辨率的前提下提高频率合成器的工作频率，采用变模分频器的锁相环频率合成器原理如图9-24所示。图9-24所示为双模分频锁相环频率合成器。图9-24双模分频锁相环频率合成器

图9-24中，可编程分频器1和可编程分频器2是两个减法计数器。两个计数器的预置值为N1、N2，N1和N2的大小都可通过编程改变，且N1＞N2。两个计数器都对双模分频器的输出信号进行计数。可编程分频器2从预置值N2计数，未计到0之前，输出高电平进行模式控制，使双模分频器的分频比为V+1，即双模分频器的输出信号频率为fV/(V+1)。当可编程分频器2计数计到0时，输出低电平信号，该低电平信号一方面反馈到可编程分频器2输入端的与门，关闭与门，切断了可编程分频器2的输入信号，使其停止计数；另一方面进行模式控制，使双模分频器的分频比为V，即双模分频器的输出信号频率为fV/V。到此为止，可编程分频器2的任务已完成。

在可编程分频器2计数期间，可编程分频器1也对频率为fV/(V+1)的信号计数，当可编程分频器2计到0时，可编程分频器1的当前值为N1-N2，还差N1-N2才能计到0。由于可编程分频器N2计到0时，控制双模分频器变模，使可编程分频器1的输入信号频率变为fV/V，因此可编程分频器2计到0后，可编程分频器1继续对频率为fV/V的信号计数，直至计到0。此时，可编程分频器1输出低电平，一方面将自己的输出送到鉴相器，作为比较脉冲；另一方面，用此时输出的低电平将可编程分频器N1、N2重新赋值为N1、N2，开始新一轮的计数，如此反复循环工作。

图9-24中晶体振荡器产生的高稳定度信号经参考分频器分频后得到参考频率fr，鉴相器将参考频率为fr的信号与可编程分频器的输出信号进行相位比较，经环路滤波后去控制压控振荡器的振荡频率，直至环路锁定，即图9-24中鉴相器的两个输入信号频率相等。

图9-24中，压控振荡器的振荡频率为f

V

，经双模分频后频率先为fV/(V+1)，后为f

V/V，可编程分频器1分别计够N2个频率为f

V/(V+1)的信号和N1-N2个频率为fV/V的信号便会输出一个低电平脉冲，故可编程分频器1的输出信号周期为

则其频率为fV/(N1V+N2)，所以该双模分频锁相环频率合成器的分频比为N1V+N2。设V=6，N2从0～5变化，由于N1＞N2，因此最小分频比为6。3.集成锁相环频率合成器集成锁相环频率合成器是专用集成电路，它将参考分频器、晶体振荡器、鉴相器、可编程分频器等逻辑控制电路集成，如图9-24中虚线框所示；环路滤波器、压控振荡器、双模分频器采用外接方式。集成锁相环频率合成器按集成度可分为中规模和大规模两种，按电路工作速度可分为低速、中速和高速三种，一些集成锁相环频率合成器中引入微机部件，使频率的显示实现了遥控和程控。

图9-25为摩托罗拉公司生产的MC145146集成频率合成器，其引脚分布如图9-26所示,内部电路框图如图9-27所示。图9-25

MC145146图9-26

MC145146图9-27

MC145146内部电路框MC145146为20引脚的集成电路，采用陶瓷或塑料封装，各引脚的功能如下：

·引脚1、2、19、20为D0、D1、D2、D3数据输入端，通过这4位数据总线可给÷N可编程分频器、÷A可编程分频器和÷R计数器预置分频比，如D3D2D1D0=1111，地址总线上地址如果选中÷N分频器，则D3D2D1D0的数据被送到÷N分频器，÷N分频器的N=15，即被设置为分频比为15的15分频器。

·引脚3为fin端，即频率合成器的输入端，该端输入的信号应来自前置分频器的输出，如图9-24所示双模分频器的输出信号。

·引脚18为fR端，即参考频率输入端。

·引脚4为VSS端，即接地端。

·引脚5为PDout端，即鉴相器输出端，该端应外接环路滤波器。

·引脚6为VDD端，即直流电压接入端，给集成电路提供3～9V的直流电压。·

引脚7、8为参考振荡器的输入、输出端，即7为OSCin，8为OSCout。当用集成电路的内部振荡器产生参考频率时，引脚7、8之间应接入晶体，7、8脚与地之间分别接入微调电容；当参考频率由外部电路提供时，信号从引脚7输入，引脚8悬空。

·引脚9、10、11为A0、A1、A2输入端，是地址输入,也称地址总线，用来确定接收来D3D2D1D0数据的锁存器。由图9-27可见，图中有L0～L7共8个锁存器，如A2A1A0=000时，锁存器L0被选通,数据总线D3D2D1D0上的数据进入锁存器L0，给÷A的参考分频器赋值。MC145146的地址码与锁存器的选通关系如表9-1所示。表中，D3D2D1D0栏的数据表示相应输入端所输入二进制数的权指数，如D3D2D1D0=3210,表示从数据输入端输入了(D3D2D1D0)

二进制=(1111)二进制=(23+22+21+20)十进制=(15)十进制。

·引脚12为ST端，ST为数据选通控制端。当ST=1，即ST为高电平时，数据输入端D3D2D1D0的数据输入到由地址输入端A2A1A0确定的锁存器；当ST=0，即ST为低电平时，则锁存锁存器中的信息，数据输入端的数据不能输入到由地址输入端指定的锁存器。

·

引脚13为LD端，为锁定检测器的输出端。当fV=fR，即环路锁定时，引脚13输出高电平，失锁时引脚13输出低电平。·引脚14为MC端，即模式控制端，用来控制双模前置分频器的分频比。当MC为高电平时，双模分频器按低模分频比工作；当MC为低电平时，双模分频器按高模分频比工作。该端应连接在集成电路外接双模分频器的模式控制端。

·引脚15为fV端，为分频器输出端。

·

引脚16、17为fV、fR端。当fV＞fR时，V端输出负脉冲，fR端保持高电平；fV＜fR时V端保持高电平，fR端输出正脉冲；当f