第6章频率合成课件

,第二级,第三级,第四级,第五级,第,6,章频率合成,第,6,章,频率合成,6.1,基本概念,6.2,频率合成的基本方法,6.3,锁相,环基本原理,6.4,锁相环典型产品,6.5,锁相频率合成器,6.6,直接数字频率合成器,6.1,基本概念,频率合成器的主要技术指标,1,工作频率范围,指频率合成器输出的,最低频率,f,omin,和,最高频率,f,omax,之间的变化范围,频率合成技术即利用一个高稳定度的标准（或参考）频率源（如晶振）合成出大量具有相同性能的离散频率。,2,、频率间隔（频率分辨率）,指两个相邻频率（或信道）之间的最小间隔，又称为,分辨率,或频道步进间隔。不同用途的频率合成器，对频率间隔的要求是不相同的。,3,、频率转换时间（越小越好）,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。与频率合成电路形式有关，约为参考信号周期的,25,倍，即,t,s,=25/,f,r,4,、频率稳定度与准确度,频率稳定度：,规定时间内频率合成器输出频率偏离标称值的程度。,频率准确度：,实际工作频率与其标称值之间的偏差。,频率合成器的频稳度取决于参考频率的频稳度。,5,、频谱纯度,指频率合成器输出信号接近正弦波的程度,6.2,频率合成的基本方法,直接频率合成法,采用一个,M,和,N,均可改变的倍频器与分频器以及相应的混频器组成。产生频率间隔为,f,r,/N,的,M,个离散频率。,倍频器,分频器,混频器,+,锁相频率合成法（单环）,当环路锁锁定时，,PD,的二个输入频率相等，即,f,d,=,f,r,改变,N,值，可输出一系列频率，其最小间隔为,f,r,显然，频率合成器的分辨率为参考频率,f,r,单环锁相频率合成器存在的问题：,1,、不能满足现代通信系统中高的频率分辨率与低,的转换时间的要求。,2,、不能满足宽的输出频率覆盖范围和高的频率分,辨率的要求。,因此，单环锁相频率合成器中，提高频率分,辨率和环路性能是矛盾的。,直接数字频率合成器,DDS,直接数字式频率合成器将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术。,将正弦波的,M,个样品储存在高速存储器中，以查表的方式按均匀的速率将样品输入到高速,D/A,转换器，变换成所设定频率的正弦波信号。,DDS,的组成框图,锁相与,DDS,频率合成法的特点：,锁相频率,合成法：,成本低，控制灵敏，切换方便，波段覆盖范围宽，可广泛应用。但是换频时间长，分辨率低。,DDS,合成法：,分辨率高，控制频率切换方便，换频速度快。但是输 出频率低，输出噪声高，且依赖于高速集成电路的发展。,6.3,锁相环基本原理,1,、工作原理,锁相环,PLL,是一个相位反馈控制系统。它由鉴相器,PD(Phase Detector),、,环路滤波器,LF(Loop Filter),和压控振荡器,VCO(Voltage Controlled Oscillator),三个基本部件组成。,PLL,与频率反馈系统（,AFC,）,的区别,PLL,利用相位误差信号控制,VCO,的频率，使输出,信号的相位锁定或跟踪输入信号的相位变化。,锁相环：,锁定时，相位差尽可能小。,AFC,：,输出信号跟踪输入信号频率变化，控制结,果使二信号之间的频率差尽可能小。,因此，只要有频差，就存在无限增长的相位差，,而在相位差固定时，频差则为零。,显然，,PLL,优于,AFC,设输入参考信号为：,输出信号为：,两信号之间的瞬时相差为：,输入初始相位为常数，两信号之间的瞬时频差为：,锁定后，两信号之间的相位差为一固定的稳态值，,称为剩余相差。即：,剩余相差为常数是相位锁定的标志,则，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率,0,(,控制电压,u,c,(,t,)=0,时的频率,),其偏移量为：,这时输出信号的工作频率等于输入频率，为：,2,、,PLL,的相位模型和环路方程,鉴相器输出电压与输入相位差可以是余弦、正弦或,线性的关系。,PD,的数学模型（正弦特性时）：,正弦鉴相器的鉴相特性,环路滤波器：滤除,PD,输出误差电压,U,d,（,t,）,的高,频成分和噪声，增加系统的稳定性,(a),时域模型,(b),频域模型,环路滤波器一般是低通电路，由线性元件组成,压控振荡器特性：,VCO,是振荡频率受控制电压,Uc,（,t,）,控制的振荡器。即：,K,o,是特性曲线斜率，表示单位控制电压可使,VCO,角频率变化的数值，又称为压控灵敏度或增益系数，单位为,rad/Vs,。,由于,VCO,的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位,即：,VCO,的输出相位：,可见，,VCO,在锁相环路中起了一次理想积分作用，,也称它为环路中的固有积分环,节。,用微分算子表示的数学模型为：,环路的相位模型和方程,PLL,的数学模型：,PLL,环路方程：,S,+,K,d,KoF(s)Sin,=S,即：瞬时角频差控制角频差输入固有角频差,瞬时角频差：,瞬时相差随时间变化率。表示,VCO,振荡角频率偏离输入信号角频率的数值。,控制角频差：,表示,VCO,在控制电压,Uc,（,t,）,作用下，产生的振荡角频率偏离,Wo,的数值。,输入固有角频差：,输入信号相位随时间的变化率。表示输入信号角频率偏离,VCO,的,Wo,的数值。,PLL,相位锁定的矢量分析,环路的输入及输出信号用矢量分别表示为,Uo,和,U,i,，,它们分别以 和,i,速度绕,O,点反时针旋转。,若环路闭合前，,i,，则,Ui,比,Uo,旋转快,存在相位差,且是时间的增长函数。,环路闭合后，此相位差电压将对,VCO,的频率加以控制，使,Uo,的旋,转速度加快，以赶上输入矢量的旋转。,Ui,Uo,当,二个,矢量达到等速旋转时，二个频率相等，则相位误差的变化必满足：,d /,dt,=0,或,2n,0,这是,相位锁定,的数学含义,此时 为常数，一般用 或 表示,称,剩余相差,或,稳态相差,。,若不满足以上关系式，称环路处于,失锁,状态 。,PLL,的,捕捉与同步（跟踪）概念,锁定是在由稳态相差,e,(),产生的直流控制电压作,用下，强制使,VCO,的振荡角频率,v,相对于,0,偏移,了,0,而与参考角频率,r,相等的结果。,（,1,）捕捉过程,设起始,tto,时，是失锁的，从,to,时刻开始，到,ta,时,刻，满足工程上允许的频差或相差，就可认为锁定,由,to,到,ta,的相位调节过程是环路的捕捉过程,。,评价捕捉过程的性能指标,环路的捕捉时间,：,Tp,=,ta,-to,Tp,与环路初始状态及环路自身的调节能力有关,捕捉带：,是环路能获得锁定的最大固有（起始）频差,当起始固有频差大于捕捉带时，环路不可能进入锁,定。即输入频率与,VCO,的,Wo,之间相差太大，超出,捕捉带范围，环路就失锁。,（,2,）同步过程,设起始,t K,0,时， 无解。所以，能维持环路锁定所允,许的最大,Wo,K,0,，,即：,W,H,K,0,，,且,Wo,固定,时，环路增益越大，捕捉时间越短，同步带越大。,理想鉴相器的输出电压与二个输入信号的相位差成正比。,模拟鉴相器：,输入可以是各种模拟信号，适用于模拟锁相,环。较多用于锁相解调。,数字,鉴相器：,输入必须是数字信号，适用于数字锁相环，鉴,相灵敏度比模拟,PD,高。较多用于频率合成器。,（,1,）模拟鉴相器：,由模拟乘法器和低通电路构成。如图所示：,鉴相器（,PD,）,PLL,各部分电路,设鉴相器输入信号,u,i,就是参考信号,u,r,，,VCO,的输出信号频率为,0,则：,u,o,(,t,)=,U,o,cos,0,t,+,2,(,t,),u,r,(t,)=,U,r,cos,r,t,+,1,(,t,),将,u,o,(,t,),与,u,r,(,t,),相乘，环路锁定（,r,=,0,）,时可得：,u,(,t,)=,（,1/2)K,U,o,U,r,cos(,1,(,t,),2,(,t,),)+cos(,2,0,t+,1,(,t,),+,2,(,t,),),经低通滤波器滤除,2,0,分量，可得,u,d,(,t,)=K,d,F(0),cos,1,(,t,)-,2,(,t,),=,K,d,F(0),cos,e,(,t,),显然，,模拟鉴相器是余弦鉴相特性,（,P132,图,6.10,）,（,2,）数字鉴相器,常用异或门、,R-S,触发器及边沿触发等组成数字鉴相器。,教材,P133,图,6.11,的数字鉴相器,环路滤波器,(LF),环路滤波器是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压,u,d,(t,),中的高频分量和噪声，,它对环路性能（捕捉范围、锁定时间等）有较大影响。环路滤波器的常用形式：,1),RC,积分滤波器,（,P135,图,6.16,）,是结构最简单的低通滤波器。,2,）,RC,比例积分滤波器,（,P136,图,6.17,）,与,RC,积分滤波器相比,它附加了一个与电容串联的电阻,3,）有源比例积分滤波器,（,P137,图,6.18,）,压控振荡器,(VCO),压控振荡器是一个电压,-,频率转换电路。,（,1,）分立元件,VCO,：,由变容管控制的三点式振荡器组成。,变容二极管：利用二极管反向偏置时，势垒电容随外加电,压变化而变化的一种器件。,变容管电容,C,j,为：,C,j0,是偏置为,0,时的电容,外加电压,V,D,0,V,B,是势垒电位（一般,0.5,伏），,n,是变容指数（由工艺决定）,变容管作为谐振回路电容的一部分（或全部）构成的振荡器就是,VCO,（,P134,图,6.13,、,6.14,）,实际变容管,VCO,电路,变容管体积小，工作频率高，所需控制电压功率小，小频偏时非线性失真小，易获得较大的频偏。,但大频偏时，非线性失真大,（,2,）集成压控振荡器,常用的集成,VCO,有：,LM566,、,5G8038,、,XR,2206,、,MC1648,等,LM566,：,低频压控振荡器（,8,脚），用于调频或,FSK,调制。,MC1648,：,可方便地组成,225MHz,以内的压控振荡器。,XR,2206,：,可用于,FSK,调制。,5G 8038,：,函数发生器，可产生正弦波和非正弦波，频率受电,压控制。,集成,VCO,频率控制范围宽，压控线性好，但工作频率低，噪,声大，在要求高的频率合成器中，大多采用分立元件,VCO,。,（,3,）,VCO,的主要性能指标：,A,、,频率范围：,VCO,受控可变的最高频率,fmax,与最低频率,fmin,之差。,B,、,线性度：实际控制特性相对于理想线性控制的偏移。理,想的,VCO,特性应是线性的。,C,、,压控灵敏度,Ko,：,单位控制电压所产生的频率变化量。,D,、,调制带宽：允许控制电压的最大速率。,E,、,工作电压：,VCO,的控制电压和工作电压都应在系统所提,供的电源电压范围内。,F,、,噪声：影响频谱纯度。,6.4,锁相环典型产品,CD4046,（,MC14046,、,F4046,、,SCL4046,等）,4046,是低功耗,CMOS,多功能单片数字锁相环，低通滤波器需外接。,5,脚为禁止端：,“,1”,：,VCO,停振,“,0”,：,PLL,工作,VCO,频率由,C,1,、,R,1,、,R,2,（,可省）,确定,R,3,、,C,2,构成低通滤波,R,1,输入,2,A,1,PD,1,PD,2,+,A,2,VCO,14,16,2,13,1,9,10,3,4,6,7,11,12,5,8,15,输入,1,C,1,R,2,R,3,C,2,解调输出,低频锁相环,LM565,（,NE565,等）,最高频率,500KHz,，,fo,=0.3/R,1,C,1,，,一般,R,1,取,4K,。,电源电压：,6V-12V,PD,放大器,VCO,1,2,3,5,4,8,9,7,6,VCC,IN,+,IN,VCO,出,R,1,Vcc,C,1,V,EE,C,F,解调输出,基准输出,高频锁相环,LM562,（,NE562,、,SE562,等）,最高频率：,30MHZ,，,16-30V,单电源供电，外接元件少,562,内部框图,采用,562,和计数器构成锁相频率合成器,6.5,锁相频率合成器,1,、可变分频器,锁相频率合成法中，除锁相环外，另一个重要部件是可变分,频器，又称程序分频器，它的分频比可由外接程序编码控,制，在一定的整数范围内变化。,可变分频器可由计数器构成，如加法、减法计数器。,常用的计数器芯片有：,CD4522,：,十进制计数器,CD4060,：,14,位二进制串行计数器,74LS193,：,4,位二进制同步加,/,减计数器,74LS390,：双,4,位十进制计数器，等等,吞脉冲可变分频器,包含双模前置分频器，主、辅计数器及逻辑控制电路，可,提高分频器工作速度。 分频比,:,N,（,p+1)A+p(M-A),M p + A,p/(p+1),辅助计数器,A,R,Q,S,主计数器,M,输入,输出,“1” ( p+1),“0” ( p),“,1”,计数,“,0”,停止计数,例：设前置双模分频器的,p,10,，,需分频数,N,1584,请预置吞脉冲分频器中主、辅计数器值，并说,明其最小分频数是多少？,解：预置,A,4,，,M,158,，,则：,N,411,（,158,4,）,10,1584,又：,Amax,9,（,个位），且要求,MAmax,故：,Mmin,Amax,9,，,Amin,0,，,所以：,最小分频数：,Nmin,Mmin10,Amin,90,吞脉冲可变分频器受最小分频比的限制,3,、,up,B571,双模,前置分频器,工作频率可达,500MHz,输入灵敏度为,400mvp-p,输出为,1.2Vp-p,美国,Motorola,公司,MC120,系列,集成双模分频器见,P143,模式,7,脚,8,脚,64/65,0,0, 32/33,0,1, 32/33,1,0, 16/17,1,1,Vcc,(+5V),模式,控制,upB571,1,2,3,4,8,7,6,5,信号入,V,EE,1：p,0：p1,信号出,专用频率合成器,将频率合成器的大部分电路集成在一个芯片上，分,为中规模和大规模频率合成器。,1,、中规模频率合成器,主要产品有：,MC145104/106/107/109/112/143,等,大多含有参考振荡器或放大器、鉴相器、程序分频器，外接,环路滤波器和,VCO,，,就可组成完整的锁相频率合成器。,MC145143,不含分频器，但它的参考分频器可以编程。,2,、大规模集成锁相频率合成器,MC145146,大规模集成锁相频率合成器中大多含有参考振荡器、鉴相器,及可编程分频器等，与外接双模分频器配合可方便采用吞脉冲技术,。,主要产品有：,并行码输入方式：,MC145152,（,双模）、,MC145151,（,单模）,串行码输入方式：,MC145155/175,（,单模）,MC145156/158/159,（,双模）,4,位数据总线输入方式：,MC145144/145,（,单模）,MC145146-1,（,双模）,MC145146,1,是一块,20,脚陶瓷或塑料封装的,由四位总线输入、锁存器选通和地址线编程的,大规模单片集成锁相双模频率合成器,片内,框图见,P145,图,6.24,MC145146,1,方框,MC145146-1,地址码与锁存器的选通关系,采用,MC145146,1,的,UHF,移动无线电话频率合成器,工作频率为,450MHz,采用,MC145146,1,的,800MHz,移动无线电话频率合成器,小数分频频率合成器,小数分频频率合成技术可较好地解决工作频率和分,辨率之间的矛盾（,P148,150,）。,多环锁相频率合成器,在不降低参考频率的情况下，采用多环锁相频率合,成可提高输出频率分辨率（,P150,151,）,6.6,直接数字频率合成器（,DDS,）,DDS,的基本合成方式：,将正弦波连续信号进行相位幅值取样，得到离散的相位幅,值序列，按相位取样地址固化在高速只读存储器中，输入不,同相位参数就可立即得到对应的正弦波信号。,高速只读存储器是,DDS,频率合成的核心单元。,DDS,基本框图（,P152,图,6.35,）,常用的可编程,DDS,系统（,P153,图,6.36,）,DDS,频率合成器芯片,AD9850,（,P153,154,）,本 章 小 结,1,、目前的频率合成方法主要是锁相频率合成及,DDS,，,其主要指标是工作频率范围及分辨率。,2,、锁相频率合成法中重要部分是锁相环和可编程分频器。,3,、提高分频器的分频速度及锁相环中,VCO,的工作频率是提高频率合成器指标的关键。,4,、采用吞脉冲技术可提高分频速度，采用双模分频原理可实现小数分频。,5,、频率合成器的主要部件都有相应的集成芯片产品。,课堂练习：,教材,P154,：,6.2,、,6.4,补充题,1,：锁相环路采用无源比例积分滤波器,F,（,0,）,1,。,已知同步带,f,H,10kHz,，,VCO,的,K,0,10kHz/V,，试求鉴相灵度。,补充题,2,：,设小数分频系数,m,22.25,，确定其双模,电路的,A,值，一个循环周期内分别要进行,几次,A,及,（,A,1,）？,补充题,3,：如图所示频率合成器中，参考频率,f,r,2MHz,，,分,频器,N,1,200,，,N,2,20,，,N,3,200,300,，,N,4,50,，,求：输出频率范围和频率间隔。,N,2,PLL1,混频,(-),N,4,N,1,PLL2,N,3,f,r,f,o,补充题,4,：某锁相环的正弦鉴相器灵敏度,Kd,2V/rad,，,VCO,的中心频率为,10,3,KHz,，,灵敏度,Ko,10,4,Hz/V,，锁相环输入频率为,1010KHz,，设,F,（,S,）,1,，试求：,1,）稳态相位误差；,2,）,VCO,的直流控制电压；,3,）环路的同步范围。,补充题,5,：某数字频率合成器如图，,fi,100Hz,，可变分频器的分频比为,10000,20000,，试求：该合成器的输出频率范围？合成器输出稳定频率点的数目？合成器的波道间隔（输出频率间隔）？,PLL,N,f,i,f,o,