2022年锁相频率合成器 .pdf

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1、中南民族大学毕业论 文( 设计 ) 学 院：电子信息工程学院专 业：通信工程年级 ：2007 题 目: 锁相频率合成器学 生姓 名：李俨学号 ：07071178 指 导教 师姓名 : 尹建新职 称 : 副教授2011 年 5 月 31 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 24 页 - - - - - - - - - 中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用

2、的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日注：本页放在学位论文封面后，目录前面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 24 页 - - - - - - - - - 目录摘要. 3Abstract. 31 引言. 42 锁相环概述 . 42.1 锁相环的构成及工作原理. 42.1.1 锁相环的构成 . 42.2 锁相环的工作状态. 62.2.1 锁定状态 . 62.2.2 线性跟踪状态

3、 . 62.2.3 失锁状态 . 62.3 锁相环的应用简介. 62.3.1 频率合成 . 62.3.2 载波提取 . 72.3.3 锁相鉴频 . 72.3.4 位同步提取 . 72.3.5 锁相接收机 . 72.4 锁相环的性能指标. 72.5 锁相环的数学模型. 82.5.1鉴相器的数学模型 . 82.5.2 环路滤波器的数学模型 . 92.5.3 压控振荡器的数学模型 . 10 2.5.4 环路的数学模型与动态方程. 11 3 吞脉冲锁相频率合成器的工作原理及应用设计. 13 3.1 吞脉冲锁相频率合成器的工作原理. 13 3.2 吞脉冲锁相频率合成器的应用设计. 15 3.2.1 LF

4、设计 . 15 3.2.2 VCO设计 . 16 3.2.3总体设计 . 16 4 锁相调频的原理及锁相调频器的设计. 19 4.1 锁相调频的原理. 19 4.2 锁相调频器的设计. 20 6 总结. 22 致 谢. 22 参考文献 . 22名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 24 页 - - - - - - - - - 锁相频率合成器摘要 ：锁相频率合成器又称间接式频合器，是第二代频率合成技术。 它利用一个或多个锁相环来完成频率变换任务。 锁相频率合成器是

5、利用锁相环的窄带跟踪特性， 在石英晶体振荡器提供的基准频率源的作用下，产生一系列离散频率的仪器。锁相频率合成器的优点是杂波抑制度高，调试方便；缺点是频率转换速度比直接合成慢。本文在介绍锁相环的性能参数的基础上重点介绍单环频率合成器和锁相调频的原理，然后设计了一个工作频率在29.5MHz 30.5MHz的锁相频率合成器和一个工作在 29.965MHz 30.965MHz 的锁相调频器。 经测试，该锁相频率合成器和锁相调频器可在要求的频率范围内输出正确的正弦波，频率切换过程中没有出现失锁现象，可以用于短波无线通信。关键词： 锁相环；频率合成；锁相调频Phase Locked Loop Freque

6、ncy Synthesizer Abstract: Phase Locked Loop frequency synthesizer is also called the indirect frequency synthesizer, it is the second generation of frequency synthesis. It uses one or more of the Phase Locked Loop frequency conversion to complete tasks. PLL frequency synthesizer use the narrow-band

7、Phase Locked Loop tracking performance ， and with the reference frequency provided by quartz crystal oscillator source to produce a series of discrete frequencies. PLL frequency synthesizer has the advantage of high clutter suppression, and convenient debugging; its disadvantage is that the frequenc

8、y conversion speed is slower than the direct synthesis. This article describes the performance parameters of Phase Locked Loop and focus on single-phase-locked loop frequency synthesizer and frequency modulation theory. And then design a phase-locked frequency synthesizer whose working frequency cha

9、nges from 29.5MHz to 30.5MHz and a PLL-FM whose working frequency changes from 29.965MHz to 30.965MHz. Tested, the phase-locked frequency synthesizer and the PLL tuner can output correct sine wave in the desired frequency range, no loss of lock behavior occurs during frequency switching and they can

10、 be used for short-wave wireless communication. Key words: Phase Locked Loop; frequency synthesizer; Phase Locked Loop frequency modulation 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 24 页 - - - - - - - - - 1 引言如果我们打开电视机和收音机，就立刻体会到锁相环为人们的生活带来的好处。它可以使我们方便的变换电

11、视频道并看到清晰的图像，可以使我们听到悦耳的立体声广播。 在高技术领域中锁相环更可以大展身手。比如，它可以把深埋在噪声中的有用信号提取出来，从而使地面接受设备正确受到卫星、宇宙飞船等空间飞行体发回的信息。现在，锁相环已成为通信、雷达、导航、深空探测、电子仪器等设备中不可或缺的一部分，锁相技术已成为每一个从事电子技术工作的工程技术人员必须掌握的基础知识。锁相环之所以能得到广泛的应用，是因为它具有独特的窄带跟踪性能，能完成频率合成、调制解调、同步提取、测速测距、微量频率变换等任务。环路可以只跟踪输入信号的载频， 也可以既跟踪输入信号的载频又跟踪由基带信号调频（或调相）所引起的频率和相位变化。锁相环

12、得到广泛应用的另一个原因是目前已有许多价格便宜，性能良好的集成锁相环部件及通用很专用集成锁相环。通常，人们只要掌握了锁相环的基本原理和集成电路的外特性，就可以很方便地设计出能完成各种任务的环路。本文重点阐述了锁相环的构成及基本原理，以及怎样用锁相环设计锁相频率合成器及锁相调频器，并针对其中遇见的一些问题提出了相应的解决方法。2 锁相环概述2.1 锁相环的构成及工作原理2.1.1 锁相环的构成锁相环 PLL 是一个相位负反馈系统，它是通过比较输入信号和一个振荡器的输出信号的相位， 取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。工程实践中的锁

13、相环是各种各样的，但无论多么复杂的锁相环都包含鉴相器，环路滤波器以及压控振荡器这三个基本部件。由这三个基本部件组成的锁相环如图 1 所示，我们称之为基本锁相环。Ui （t）Uo（t）PD LF VCO Ud（t）Uc（t）Uf（t）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 1 基本锁相环组成PD 对输入信号( )iut和反馈信号( )fut的相位进行比较， 运算处理， 其输出信号可表示为( )dut=( )eft式中

14、，( )et表示输入信号与输出信号的相位差，f 表示运算关系。LF 是一个线性低通网络，用来滤除( )dut中的高频成分和调整环路参数，它对环路的性能指标由重要影响。LF 的输出信号( )cut被用来控制 VCO 的频率和相位。常称( )dut为误差信号，( )cut为控制信号，它们之间的关系可表示为:( )()( )cdutFp ut式中，p为微分算子符号，()Fp为 LF 的传输算子。VCO 是一个电压 /频率变换装置，它的频率( )vt随( )cut变化，一般把它们表示为线性关系( )vt= 0+0K( )cut式中，0K为 VCO 的控制灵敏度，简称为压控灵敏度, 0为 VCO 的固有

15、震荡频率，即控制信号为零时的震荡频率。2.1.2 锁相环的工作原理在锁相环中， PD 是控制器， VCO 是控制对象， LF 是校正网络，基本锁相环中反馈信号的传递函数为1，鉴相器检测输入信号与反馈信号之间的相位偏差，利用相位偏差产生控制信号，从而减小或消除相位偏差， 这就是锁相环的工作原理。当锁相环输入周期信号的频率固定时，它的输出信号频率可以与输入信号频率相同，即锁相环可以消除频差。 但能否消除相差取决于所用LF 的形式。若 LF的直流增益为无穷大，则可消除相差。若LF 的直流增益为有限值，则不能消除相差。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

16、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 24 页 - - - - - - - - - 2.2 锁相环的工作状态工程上使用的锁相环有两种工作状态，即锁定状态和线性跟踪状态， 不同用途的锁相环应工作在不同状态。在锁相频率合成器中，锁相环工作在锁定状态，在锁相接收机、 锁相调制、 锁相解调及锁相环相干载波提取等用途中，锁相环工作在线性跟踪状态。2.2.1 锁定状态锁定状态下， 相位误差为某一确定值， 其大小与鉴相器有关， 环路能进入锁定状态的条件是：固有频差小于环路捕捉带。环路频差为零的稳定状态为锁定状态。在锁定状态下， 控制电压及误差电压为直流，相位

17、误差为常数。2.2.2 线性跟踪状态环路平均频差为零， 相位误差在鉴相器的线性范围内变化的稳定状态称为线性跟踪状态。 环路工作于线性跟踪状态时， 反馈信号与输入信号具有相同的载波频率，但他们的瞬时频率不相等，鉴相器工作于线性状态。“跟踪”二字是指反馈信号的载波与输入信号的载频相等且可以跟踪其变化，反馈信号的相位可以跟着输入信号的相位变化而变化但不会完全相同。在线性跟踪状态下，环路控制电压及误差电压都是交流信号。2.2.3 失锁状态当环路的反馈信号与输入信号的载频不相等时，环路即不是锁定状态也不是跟踪状态，称此状态为失锁状态，失锁状态下，环路无法正常工作。2.3 锁相环的应用简介2.3.1 频率

18、合成在基本锁相环的反馈支路中加入一个N分频器，就可以构成一个锁相频率合成器。环路输入为固定频率信号， 来源于晶体振荡器等高稳定度信号源。在频率合成器中， 常称环路输入信号为参考信号，且把输入频率表示为rf。环路锁定后无频差，输入频率等于反馈频率，所以环路输出频率为orfN f可见，只要改变分频比N，就可以改变输出频率of。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 24 页 - - - - - - - - - 频率合成器的输出可以作为发射机载频信号和接收机本振信号，改

19、变 N就可以改变通信机的工作频道。2.3.2 载波提取相干通信中，在接受端需从接受信号中提取相干载波，才能进行相干解调。锁相环可以完成载波提取的任务，环路输入信号中应包含有载波离散谱，环路工作于线性跟踪状态。2.3.3 锁相鉴频把输入信号改为调频信号， 频偏正比于基带信号， 环路工作于线性跟踪状态，且相位误差趋于零， 则环路输出信号的相位与输入信号基本相等，其频偏也基本相等，因此环路滤波器的输出正比于基带信号，可以作为解调输出。2.3.4 位同步提取若数字信号序列的频谱中含有频率等于码速率的离散谱，锁相环锁定在此频率上，则环路输出信号频率等于码速率， 再作适当移相，就可作为位同步信号。2.3.

20、5 锁相接收机锁相环可以把深埋在噪声中的正弦信号提取出来，这在深空通信中非常有用。当接收到的信号功率及其微弱时，考虑到多普勒频移及发射机振荡频率的漂移，接收机的带宽必须相当宽， 这样就使接收机的输入信噪比很低，在这种情况下，普通的接收机显得无能为力， 只有采用带宽及窄的锁相接收机才能把信号从噪声中提取出来。当输入信号为调角信号， 环路工作于线性跟踪状态时， 反馈信号的载频与输入信号相同，而LF 的截止频率可以很低。当环路叠加有加性窄带白噪声时，由于 LF 的截止频率远远低于噪声的最高频率，故可以把这个噪声电压的绝大部分频率成分滤掉，从而保证控制电压比较纯净，使输出信噪比远高于输入信噪比。2.4

21、 锁相环的性能指标稳定、准确、快速，是对闭环控制系统的一般要求。同样，我们研究锁相环时也要从这三个方面分析其性能指标。此外，因为锁相环处理的是电信号，它对噪声的抑制能力是非常重要的，所以我们必须研究环路的噪声性能。锁相环的稳定性包括非线性稳定性和线性稳定性。非线性稳定性是指环路接通后能否进入锁定或跟踪状态。因为在进入这一状态过程中环路处于非线性状态，需用非线性方法进行分析。准确性是指环路的跟踪误差，它与输入信号类型、环路参数有关。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页

22、，共 24 页 - - - - - - - - - 快速性是指环路接通后进入锁定状态或跟踪状态所需时间，或环路锁定后输入相位发生某一变化时环路跟踪这一变化所需时间。环路噪声包括输入噪声和环路内部噪声，希望在各种噪声的作用下， 环路能输出我们所需要的信号。2.5 锁相环的数学模型2.5.1 鉴相器的数学模型不同的鉴相器有不同的数学模型，现只分析最常用的模拟乘法器鉴相器。设( )sin( )iiiiutUtt()s i n( )ooooutUtt其中，i为( )iut的载频，( )ot是在( )cut作用下 VCO 产生的相位变化。 为分析方便，现以ot为参考，重新定义( )iut，则1()s i

23、 n()iioutUtt式中，1( )( )oittt，oio称为环路的固有频差。( )out可表示为另一形式2()c o s( )oooutUtt式中2( )( )ott。乘法器的输出包括( )iut与( )out的和频及差频。为滤出和频，在模拟乘法器的输出端一般接有一个低通滤波器LPF。 注意这个低通滤波器的截止频率应远小于io且远大于 LF 的截止频率。这样，和频分量经过两个滤波器的作用后已非常微弱，对环路工作无影响。设乘法器的相乘系数为mK，则 PD 的输出为121( )sin( )( )2dmioutKU Utt令12dmioUKU U，12( )( )( )ettt，则有( )si

24、n( )ddeutUt名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 2 正弦鉴相器方框图（ a）和数学模型（ b）图 3 正弦鉴相特性2.5.2 环路滤波器的数学模型由 RC 组成的无源 LF 或由 RC 及运算放大器组成的有源LF 都为线性网络。设此网络的传输算子和传递函数分别为()Fp和()Fs，则其数学模型如图4 所示。图 4LF 的数学模型（ a）时域形式；（b）复频域形式下面介绍几种常用的环路滤波器的电路及频率

25、特性。RC 积分滤波器是一种结构简单的环路滤波器，电路构成如图5 所示，图 5 其传输算子为11()1Fpp式中1=RC 是时间常数， 这是此种滤波器的唯一可调参数。它具有低通特性， 且名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 24 页 - - - - - - - - - 相位滞后。当频率很高时，幅度趋于零，相位滞后接近于/ 2。无源比例积分滤波器，该滤波器的电路构成如图6 所示图 6 其传输算子为211()1pFpp式中112()RRC，22R C。它有两个可调

26、参数， 这就给环路设计带来了灵活性。当频率很高时， 传输算子等于电阻的分压比，这就时滤波器的比例作用。 此滤波器有一个相位超前因子21j，这对改善环路的稳定性时有作用的。有源比例积分滤波器由运算放大器和RC 网络组成，电路构成如图7 所示图 7 其传输算子为221(1)()1(1)ApFppA p式中，11R C，22R C。当A1、1AR2R，1A1时，可近似为211()pFpp该式可表示为比例环节21/和理想积分环节11/ p之和，故可称次滤波器为理想比例积分滤波器。 由于21p是一相位超前因子， 这种滤波器也可以改善环路的稳定性。同样，两个可调参数1和2也给环路的设计带来灵活性。2.5.

27、3 压控振荡器的数学模型设压控振荡器的振荡频率与控制电压成线性关系，即名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 24 页 - - - - - - - - - 00( )( )vctKutVCO 的瞬时相位( )vt是( )vt的积分，即00( )( ) /vcttK utp可得20( )( ) /ctK utp可以看出，压控振荡器的数学模型具有一个积分因子1 / p，这是相位与角频率之间的积分关系所形成的。锁相环路中要求压控振荡器输出的是相位，因此这个积分作用是压

28、控振荡器所固有的。正因为这样， 通常压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节。 压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器，要求频率稳定度好（包括长期稳定度与短期稳定度）；控制灵敏度0K高；控制特性的线性度要好， 线性区域要宽等等， 这些要求之间往往是矛盾的，设计中要根据要求进行折中考虑。2.5.4 环路的数学模型与动态方程设环路的三个基本部件之间无负载效应（即设每个部件的输入阻抗都为无穷大）则根据环路的组成方框图和基本部件的数学模型，可以得到整个环路的数学模型，如图 8 所示图 8 采用正弦 PD 的环路数学模型因为环路的输入量、输出量都是相位，所以常把环路的数学模型称为相位模型。121()

29、( )( )( )( )sin( )eeKFptttttp将此式两边同乘以p,可得1( )( )() sin( )eedtdtK Fptdtdt此即为采用正弦鉴相器的环路动态方程。可见环路的阶数等于环路滤波器的阶数加 1.代入具体的1( )t和()Fp，可解出( )et。式中0dKK U，称为环路增益。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 24 页 - - - - - - - - - 2.5.2 环路的线性化及传递函数当环路处于锁定状态时， 输入到鉴相器的两信

30、号之间无频差而只有一个固定的稳态相差()e。在此条件下， 若输入信号的相位或频率在一定范围之内，以一定的速率发生变化时 （干扰或调制所引起的） ，通过环路自身的控制作用， 环路输出信号的频率和相位会以同样的规律跟随输入信号的变化而变化，这一过程称为环路的跟踪过程。 如果是理想的跟踪， 输出信号的频率和相位应时时的与输入信号相同。 然而，实际上环路需要一个跟踪的过程。在跟踪过程中， 首先出现暂态过程， 此时环路存在暂态相位误差，在达到稳定状态之后， 根据输入信号的形式不同，环路出现不同的稳态相位误差。在自动控制理论20中，常把位置信号、速度信号和加速度信号作为典型输入量来分析各种控制系统的性能。

31、在锁相环当中， 常用的典型暂态输入信号是相位阶跃信号、相位斜升信号（频率阶跃信号） 和相位加速度信号（频率斜升信号） 。以上述采用正弦 PD的锁相环为例，对于一个原来输入是固定频率的二阶锁相环路来说， 当出现这些暂态相位信号时，环路的跟踪将出现一个暂态过程，最后再进入稳定状态。只要在整个相应过程中，环路相差( )et始终比较小，没有超出鉴相器鉴相特性的线性工作区域时，环路动态方程中的sin( )et可近似为( )et，环路看作一个二阶线性系统，如图所示，环路的动态方程可化简为一个线性微分方程1( )( )()( )eedtdtK Fptdtdt图 9 锁相环线性化相位时域模型图 10 锁相环线

32、性化相位复频域模型常用的环路传递函数有开环传递函数()oHs、闭环传递函数( )Hs和误差传递函数()eHs。它们的定义如下：()oHs=前向支路传递函数反馈支路传递函数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 24 页 - - - - - - - - - ()( )()oisHss( )( )( )eeisHss( )Hs、( )eHs都是闭环传递函数，但习惯上把( )Hs叫作闭环传递函数而把()eHs叫作误差传递函数，它们可由单环梅森公式求得。单环梅森公式为=

33、1前 向 支 路 传 递 函 数闭 环 传 递 函 数开 环 传 递 函 数负反馈环取“ +”号，正反馈环取“”号。可得o( )()K FsHss( )( )( )KF sHssKF s()( )esHssKFs3 吞脉冲锁相频率合成器的工作原理及应用设计3.1 吞脉冲锁相频率合成器的工作原理吞脉冲锁相频率合成是频率合成技术中的佼佼者，它结合了吞脉冲程序分频器和 CMOS 集成电路的优点，具有工作频率高，频率间隔小，功耗小等特点，因此被广泛用于无线通信领域。MC145152-2是 MOTORAOLA公司开发的锁相频率合成器大规模集成电路，采用 CMOS 工艺降低功耗的同时却限制了自身的工作频率

34、，5V电源时，最高频率仅为 20MHz ，这限制了其在无线通信领域的直接应用。本文创新设计理念，将具有更高工作频率的双模前置分频器引入设计，共同构成“吞脉冲式锁相频率合成器” ，在不改变分辨率的情况下，将输出频率提高很多。MC145152-2是可以通过 N计数器和 A计数器的 16位并行输入口以及R计数器的 3 位并行口进行编程的专用PLL频率合成芯片，内部结构方框图如下名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 1

35、1内部主要集成了包括一个12bit 可编程 R参考分频器， 一个 10bit可编程N 主计数器，一个六位可编程A 辅助计数器，一个模式控制器，一个12*8参考分频码译码器， 一个数字鉴相器和一个锁定检测器。 片内不包括压控振荡器、环路滤波器等电路单元。RA0 ， RA1,RA2为参考分频比地址输入引脚， 3 位输入对应 8 种可能的分频值，当三位地址码均为高电平1 时，分频值为2048，本文设计即采用该分频模式。N0-N9为 10bit N计数器编程输入引脚， 分频比范围： 31023。 A0-A5 为 6bitA计数器编程输入引脚， 分频比范围： 063。 V、R为鉴相器双端输出引脚，用于输

36、出环路误差信号。该误差信号控制VCO的频率发生相应的变化。MC为至双模前置分频器模式控制信号输出引脚，控制信号通过片内控制逻辑电路产生，根据模式供职电平的高低，控制双模前置分频器的分频比为P 或 P+1。LD为锁定检测信号输出引脚， 当环路锁定时，锁定检测器从该引脚输出一个高电平。MC12022是 MOTOROLA公司开发的双模前置分频器专用中规模集成电路，专为内部不含前置分频器的集成锁相频率合成器度身定造。具有 64 和 65 两种分频模值，最高工作频率可达1.1GHz。将 MC12022 与 MC145152-2片内的两个可编程分频器及片内模式控制器连接即构成吞脉冲程序分频器，结构框图如下

37、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 12VCO 来的信号 f0 不直接送入 MC145152-2内部分频器， 而是先输入双模前置分频器 MC12022 进行前置分频后再送入片内两分频器分频，得到频率为f0 的信号送到鉴相器与参考分频器来的参考信号Fr 进行相位比较。双模前置分频器的分频模值由片内控制逻辑控制。工作原理如下：一个计数周期开始时，设模式控制电平是低电平0，双模前置分频器以 65 的分频模值与片内主

38、 (N) 、辅(A) 两计数器同时计数，直到A计数器计满 A个脉冲，模式控制电平变成高电平1，使 A计数器停止计数，同时使双模前置分频器分频比变为64，N计数器继续计数直到记完剩下的N-A个脉冲，模式控制电平恢复到低电平0，双模前置分频器分频比也恢复到65，各计数器进入下一个计数周期。因此再一个计数周期内，总共记录的脉冲数为： M=65A+64(N-A)=64N+A 则吞脉冲程序分频器分频比为：(64N+A)。以上电路表明：利用双模前置分频器和集成锁相频率合成器内部两个可编程分频器构成的吞脉冲程序分频器，具有更大的环路总分频比， 因此，利用它构成频率合成器时，可以在不降低频率间隔的情况下，把输

39、出频率提高很多。3.2 吞脉冲锁相频率合成器的应用设计由于 MC145152-2片内不含压控振荡器 (VCO)和环路滤波器 (LF) ， 故实际应用时需设计与之相匹配的VCO 和 LF，双模前置分频器采用MC12022 ，将它们共同构成一个完整的吞脉冲锁相频率合成器。以下详细探讨相关参数的设计及电路设计。电路主要参数要求：输出频率范围： 29.5MHz 30.5MHz ，频道间隔： 25KHz 3.2.1 LF 设计考虑滤波特性，在 RC积分滤波器、 RC比例积分滤波器、有源滤波器等诸多滤波器中，首选有源滤波器。电路结构如图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

40、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 13 其中M ：环路总分频比，由P、A、N值共同确定K：鉴相器增益系数，/ 2D DKV：环路阻尼系数，本设计取1 0: 环路自然角频率，本设计取2/ 100rfK VC O: 压控振荡器增益系数，2/VCOVCOKVCOFV集成运放采用OP07 ，该运放输入失调电压极低，功耗小，线性范围大，频率响应好，从而使该滤波器具有较好的滤波特性。3.2.2VCO 设计根据设计要求min29.5fM Hzmax30.5fM H z1VC OFM H

41、z实际采用改进型电容三点式震荡电路。3.2.3 总体设计MC145152-2参考频率采用 10.24MHz晶体振荡器产生。取参考频率 Fr=5KHz ，则 R参考分频器分频比可求：R=/oscrff=(10.24*106)/(5*103)=2048, 此分频值恰好为参考分频码译码器中最大分频值，此时，三位地址均输入高电平“1” 。环路总分频比 N为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 24 页 - - - - - - - - - M1= min/rff=59

42、00 M2= max/rff=6100 因为电路结构采用“吞脉冲程序分频器” ，即有如下关系： M=PN+A 其中 N为主计数器值， A为辅助计数器值， P为双模前置分频器模值。本设计中，双模前置分频器采用MC12022 ，其模值P=64.以环路总分频比M1=5900为例，通过计算可得： N=92，A=12，即 M1=64*92+12=5900 将 N=92 ，A=12化成二进制数，即分别为编程输入端N0 N9,A0A5对应的数码值。其电路图如下所示F-IN1N011N112A510N213N314LD28N415N5160V8N6170R7N718N819MC9N920A121RA04A22

43、2RA15A023RA26A324OSC-O26A425OSC-IN27VDD3VSS2MC145152IN1VCC2SW3OUT4GND5MC6NC7IN8MC12022OP07+5+51nF1nF12pF2.2KRRVCON+5CRYSTAL20pF20pFVCONFOUTFOUTC1C1C1RR+12-12VCO12CON24.7K10K47NPNNPNDIODE VARACTORL0.01uFVCO221K4.7K4.7K4.7K6800.01uF0.01uF0.01uF470pF470pF100pF0.01uFFCFC475147051OPA843+12-12BNC100pF1234

44、5CON5+12图 14实际调试中， 发现环路锁定时有一定的鉴相纹波，此鉴相纹波是由在环路锁定时，参考信号相位超前于反馈信号引起的。实际波形如下所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 15其为 5KHz的脉冲波，该鉴相纹波电压会产生寄生调频。要想提高环路对该干扰的抑制能力，必须注意下面几点：(1) 尽量提高参考信号频率r、减小环路自然谐振频率n；(2) 精心挑选关键性元器件，以减小纹波电压；(3) 在保持、

45、n不变的前提下，尽量增大鉴相灵敏度dK。实际工程中dK往往是由所选定的电路决定，不易改动，r、n也不能任意改变，所以普通的二阶环有时难于满足指标要求，必须采取一定的措施。 措施之一就是在二阶环中增加一辅助低通滤波器以提高环路对杂波的抑制能力。增加辅助低通滤波器后环路滤波器传递函数可表示为2111()1asFSss当0.6 ，a=1/a5n时，附加低通滤波器对原二阶环的稳定余量基本上无影响。当an时，附加的低通滤波器对杂波抑制度有改善作用。因21111aarraj名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

46、 - - - - - 第 19 页，共 24 页 - - - - - - - - - 故杂波抑制度的改善量为20 lg()arsdB显然，附加低通滤波器也可加强环路对输入噪声的滤除能力，这也是我们所希望的。系统电路板及输出波形如图16 所示图 16经测量，锁相频率合成模块可达到频率(30.0018 0.50003)MHz，信道间隔25KHz ，频率稳定度 5ppm 。4 锁相调频的原理及锁相调频器的设计4.1 锁相调频的原理在模拟通信中，可用两种方法产生调频信号， 一种是直接法， 一种是间接法。在直接法中， 用模拟基带信号直接控制振荡回路的电抗原件参数，使振荡器输出信号的瞬时频率随基带信号作线

47、性变化。这种方法产生的调频信号的调制指数大，但载频稳定性差。在间接法中，先将基带信号积分，再实施窄带调相，得到一个窄带调频，对此信号倍频就得到了宽带调频信号。下面给出一点注入式锁相调频方框图。调制信号首先经过调制电路进行电平转换与幅度调整 , 然后与环路产生的误差电压相加 , 控制压控振荡器。 由于环路带宽低于调制频谱的下限 , 因此调制信号不参与环路的反馈 , 使压控振荡器仍锁定于中心频率 , 实现调制信号对载波的频率调制。鉴相鉴频器低通滤波器相加器调前电路压控振荡器N 分频器调制输入功放参考晶振名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

48、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 17调制信号仅由 LF 与 VCO之间注入环路，故称之为一点注入式，环路闭合且锁定后，输出的载频等于参考频率的N倍。若环路输出信号的频偏与基带信号成正比，则既可实现调频的目的，同时又保证了载频的稳定性。当环路工作于载波跟踪状态时，可实现一点注入式调频。 对此种环路的调频原理，我们还可以这样来理解： 因环路跟踪于载波跟踪状态，所以在基带信号频率范围内， 环路的闭环频率特性近似为零。这样，环路对基带信号闭环一周的响应约等于零，因此环路控制信号近似等于调制信号。也就是说，环

49、路闭合后VCO的控制信号和开环时近似相同，这样就使VCO 的频偏正比于调制信号。一点注入式锁相调频易于实现，已在FM发信机等设备中获得广泛应用。但调制频率特性取决于环路误差频率特性。在环路自然谐振频率附近， 调制特性不可能很好，一次必须使环路自然谐振频率远小于基带信号的最低频率，才有可能保证调制频率特性比较好。 但由此又带来其他问题， 比如环路捕捉时间长从而使频道转换时间长等。当然，当在PD后面注入基带信号时，环路带宽可以选择的比较大，但它一定要大于基带信号的最高频率，这样选择的参数有时也会带来一些问题。4.2 锁相调频器的设计本设计仍采用MOTORAOLA公司的锁相环频率合成芯片MC1451

50、52-2 ，调制信号为语音信号和数字信号， 经过运算放大器对语音信号进行带通滤波、幅度调理，对数字信号进行幅度调理后加入到环路滤波器的输出端，即压控振荡器的控制电压上，即完成了语音信号和数字信号锁相调频器的设计。其系统框图如图 18 所示参考晶振锁相频率合成芯片 MC145152环路滤波器压控振荡器前置分频芯片MC12022OUT调制电路输入信号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 24 页 - - - - - - - - - 图 18其部分电路如下所示F-I