【毕业设计】数字频率合成器的设计

毕业设计完整材料，包含仿真文件。请联系QQ68661508毕业设计题目数字频率合成器的设计学生学号专业电子信息工程指导教师陕西科技大学职业教育师范学院2015年06月02日数字频率合成器的设计摘要频率合成器是无线通信系统中一个很重要的模块，用于产生一系列与参考信号具有同样精度和稳定度的频率信号，为调制解调提供基准的本地振荡信号。频率合成器设计的优劣直接影响到无线通信收发机的性能和成本，故高效合理的实现方式一直是很多设计者研究的课题。由频率合成技术获得的信号源具有高频率稳定度和准确度，并且能方便地改变频率，其中频率合成方法有直接式和间接式两种。锁相环频率合成器是目前应用较为广泛的一种频率合成技术。本文主要介绍74HC4046锁相环数字频率合成器的构成电路以及原理。74HC4046锁相环数字频率合成器主要由振荡源电路、固定分频器，1/可预置分频器以及锁相环电路构成。其功能是将一给定频率的输入信号经频率合成后产生一系列的N倍频率的输出信号。此频率合成器具有较高的可选择性与实用性等特点。该方案简单易行且易于调试，具有较高的实用价值。关键词频率合成，锁相环，74HC4046，分频器DESIGNOFDIGITALFREQUENCYSYNTHESIZERABSTRACTTHEFREQUENCYSYNTHESIZERISAVERYIMPORTANTMODULEINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM,ITGENERATESASERIESOFDISCRETESIGNALSWITHTHESAMEACCURACYANDSTABILITYASTHEREFERENCESIGNAL,ANDPROVIDESAREFERENCEFORTHEFREQUENCYCONVERSIONLOCALOSCILLATINGSIGNALTHEPROSANDCONSOFTHEFREQUENCYSYNTHESIZERDESIGNHASADIRECTINFLUENCEONTHEWIRELESSCOMMUNICATIONTRANSCEIVERPERFORMANCE,COST,SOTHEWAYTOTHEDESIGNERCHALLENGETHESIGNALSOURCESYNTHESIZEDBYTHEFREQUENCYSYNTHESIZERHASTHEHIGHFREQUENCYSTABILITYANDACCURACY,ANDCANCHANGETHEFREQUENCYEASILY,ANDTHESYNTHETICMETHODOFFREQUENCYHASTWOKINDSOFDIRECTANDINDIRECTTHEPLLFREQUENCYSYNTHESIZERISAWIDELYUSEDFREQUENCYSYNTHESISTECHNOLOGYATPRESENTTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHECIRCUITANDPRINCIPLEOF74HC4046PLLDIGITALFREQUENCYSYNTHESIZERTHE74HC4046PLLDIGITALFREQUENCYSYNTHESIZERISCOMPOSEDOFTHEOSCILLATINGSOURCE,THEFIXEDFREQUENCYDIVIDER,THE1/NOFTHEPRESETFREQUENCYDIVIDERANDTHEPLLCIRCUITITSFUNCTIONISTOGENERATEASERIESOFOUTPUTSIGNALSOFNTIMESAFTERFREQUENCYOFTHEINPUTSIGNALOFAGIVENFREQUENCYTHISFREQUENCYSYNTHESIZERHASTHECHARACTERISTICSOFSTABILITY,ACCURACY,HIGHSELECTIVITYANDPRACTICALITYTHISSCHEMEISSIMPLEANDEASYTODEBUG,ANDHASHIGHPRACTICALVALUEKEYWORDSFREQUENCYSYNTHESIS,PHASELOCKEDLOOP,74HC4046,FREQUENCYDIVIDER目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111课题的意义112国内外发展状况113频率合成器2131频率合成器简介2132频率合成器分类及特点3133频率合成器的技术指标42锁相环技术621锁相环的基本特性622锁相环的基本结构和工作原理723鉴相器824环路滤波器925压控振荡器1126锁相环工作过程的定性分析123数字频率合成器的设计方案1431系统设计目标1432系统框图1433系统组成部分1434单元电路方案论证15341晶体振荡电路的设计153421/N分频器的选定16343锁相环芯片的选定17344环路滤波器的设计194硬件电路设计2041晶体振荡模块2042固定分频模块2143锁相环模块2244可变分频器模块2345总体电路图26总结28致谢29参考文献301绪论11课题的意义在现代通信系统中，对通信设备的频率稳定度和准确度都有很高的要求。例如，对于无线电短波通信设备，要求设备的频率稳定度和准确度应不劣于105数量级；在宇宙探测通信中，频率稳定度甚至要求达到1011数量级。实际应用中，许多通信设备都要求在很宽的频率范围内具有足够多数量的稳定工作频率点波道，如短波单边带电台，通常要求其在230MHZ范围内，每间隔1KHZ或100HZ、10HZ甚至1HZ就有一个稳定频率点，即要有28000个或280000个甚至更多个工作频率点。在这些应用领域，往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源，而频率合成器它可以通过对一个或多个标准频率在频域进行加、减、乘、除或者是用混频、倍频和分频等电路来实现大量频率的输出，且对应与不同的应用，对频率范围、输出频率个数、频率的稳定度以及频谱纯度都有着不同的要求。12国内外发展状况频率合成技术起源于二十世纪三十年代，经过几十年的发展已经成为现代通信系统的重要组成部分，在无线电技术与电子系统的各个领域中均得到广泛的应用，在现代通信系统中具有重要的地位。频率合成器在国外已经发展得比较成熟,形成了各种类型的锁相式整数频率合成器、锁相式分数频率合成器、直接数字频率合成器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS与PLL混合式频率合成器等完整系列品种,满足了通信、数字电视等领域的需要,形成了巨大的频率合成器市场。频率合成器的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、功耗更低、系列品种更加完善。双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的率合成器已经实现单片集成。频率合成器已经与通信系统收发信机的射频电路集成在一起,形成了接收机、发射机、频率合成器于一体的SOC芯片。生产频率合成器的厂商主要有美国的PEREGRINE公司、AD公司、国家半导体公司、摩托罗拉公司、QUALCOMM公司、加拿大的ZARLINK公司日、本的三菱公司、富士通公司、荷兰的飞利浦公司等。美国PEREGRINE公司生产的锁相式整数频率综合器PE3236工作频率在212GHZ以上,工作电压为3V。国家半导体公司生产的锁相式整数频率合成器LMX2347采用CMOS半导体工艺技术制造,工作频率达215GHZ,电源电压为217515V,功耗电流仅为615MA。ZARLINK公司生产的频率综合器产品SP系列,其工作频率为5003000MHZ。美国AD公司生产的频率综合器系列产品工作频率为5006000MHZ。日本富士通公司生产的锁相式整数频率合成器产品,其工作频率为906000MHZ。频率合成器主要应用在通信、数字电视、频率源等领域,仅就通信而言,国内市场就十分巨大。由于我国通信业快速发展,移动通信IC芯片需求发展很快。2003年,通信类整机用IC芯片的市场需求量达到70亿块,国内市场对频率合成器的需求很大。但是,由于频率合成器的技术难度大,该类产品几乎全部依赖从国外进口。国内研究生产单片频率合成器的单位不多,国内巨大的频率合成器市场被国外产品所垄断。国内开发频率合成器的单位主要有无锡华润微电子公司、中电科技集团公司24所。华润微电子公司生产的锁相环频率合成器CSCI145151可替换美国摩托罗拉公司的MC45151产品,具有低功耗,电压范围宽等特点,属于中低档频率合成器产品。中电科技集团公司24所自主开发的SB3236锁相式频率合成器,其性能与美国PEREGRINE公司同类产品PE3236一致,属档锁相式频率合成器。SB3236是一种单片高性能212GHZ锁相式整数频率合成器,片内包含10/11双模前置分频器、模数选择电路、M计数器、数据控制逻辑、鉴相器和锁相检测电路。其R计数器和M计数器的控制字可通过串行或并行接口在数据控制逻辑中编程,也可直接接口输入。该产品具有工作频率宽、工作电压低3V、功耗小75MW、工作温度范围宽和外形体积小等特点。SB323是国内第一个单片高性能锁相式频率合成器产品,片内采用自主开发的RFIP核,是我国212GHZ以上硅基高频集成电路重大技术突破。中电科技集团公司24所正瞄准频率合成器的市场需求,开发锁相式频率合成器系列产品。目前,国内还没有单片双环或者多环锁相式频率合成器,DDS频率合成器更是处于空白阶段，目前国内市场几乎被国外产品所垄断。另外,超高速分频器是构成锁相式频率合成器必不可少的关键电路,它广泛应用于通信、航空航天、遥控遥测以及高速仪器仪表等采用频率合成技术的领域。但是,从全球来看,随着小型化系统化应用的发展,单独的分频器的发展速度放慢,市场需求量减少,而对系统集成的频率合成器的需求迅速增加,由于应用与市场的牵引,相应的锁相式频率合成器的发展很迅速,品种逐渐增多,价格逐渐降低,进而推动着通信系统的更新换代。国内市场对锁相式频率合成器的需求很大,许多原来采用分频器的厂商大多转向使用频率合成器来设计整机系统。这是开拓锁相式频率合成器市场的巨大商机。13频率合成器131频率合成器简介频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定的标准频率作为参考频率，通过对标准频率在频域进行加、减、乘、除来导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。用来产生这些频率的部件就称为频率合成器或频率综合器，可以用混频，倍频和分频等电路来实现。132频率合成器分类及特点目前频率合成器可分为锁相环合成器（PLL），直接式频率合成器（DS）和直接数字频率合成器（DDS）三类。A）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，它利用一个或多个不同的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。这种频率合成器简单，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。这两种方法之间的主要区别是所使用的参考频率源数目不同而已。非相关合成法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供。它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高。相关合成法只使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的准确度和稳定度与参考源一样，现在绝大多数直接式频率合成器都采用这种方法。直接式频率合成器的显著特点是分辨率高102HZ、频率转换速度快小于100、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高等。最大的缺点是体积大、笨重、成本高。S目前已基本不被采用。B）直接数字频率合成器（DDS）直接数字式频率合成技术是第三代频率合成技术。20世纪70年代以来，随着数字集成电路和微电子技术的发展，出现了一种新的频率合成方法直接数字式频率合成DDS。它是一种把一系列数字形式的信号通过DAC转换成模拟形式的信号的合成技术，具有精确的相位、频率分辨力，快速的转换时间等突出优点，是频率合成技术发展的新一代技术。它具有频率分辨率高，相位噪声小，输出相位连续，频率转换速度快等优点，可以进行高精度，高稳定度编程，全数字化易集成，能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。在实际应用中，可以采用单片机来代替计算机对DDS芯片进行控制，实现合成频率的输出。C）锁相环频率合成器（PLL）锁相式频率合成技术是第二代频率合成技术。在20世纪50年代出现了锁相式频率合成器，是目前应用最广的频率合成器，它是利用一个或几个参考频率源，通过谐波发生器混频和分频等产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器VCO的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需频率输出。直接式频率合成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。该方法结构简化、便于集成、且频谱纯度高。目前使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进率合成技术。锁相环频率合成器是目前应用最广泛的频率合成器，而本文重点介绍的也是锁相技术和锁相环频率合成器的实现。133频率合成器的技术指标A）频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率OMIN和OMAX之间的变化范围，也可用覆盖系数KOMAX/OMIN表示（K又称之为波段系数）。如果覆盖系数K23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。要求频率合成器在指定的频率范围和离散频率点上均能正常工作，且均能满足其他性能指标。B）频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出频谱是不连续的。所谓输出频率间隔，是指频率合成器输出的两相邻频率之差，又称为频率分辨率，用表示。由频率范围和频率间隔可以确定频OF率合成器的工作频率点数波道数。应当指出，频率合成器在工作时，各个频率信号不是同时存在的，即频率合成器在某一时刻只能输出一个频率信号。在通信系统中，一般希望波段内的频率通道尽可能多，以满足通信的要求，所以，希望尽可能小。OFC）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。它与采用的频率合成方法有密切的关系。对于锁相频率合成，频率转换时间则主要取决于环路进入锁定所需的暂态时间，即环路的捕捉时间，TS大约为参考频率周期的25倍左右。D）准确度与频率稳定度频率准确度是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。这是频率合成器的两个重要指标，二者既有区别，又有联系。通常认为频率误差已包括在频率不稳定的偏差之内，因此一般只提频率稳定度。E）频谱纯度影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个，一是相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声，如下图11（A）所示。相位噪声的大小可用频率轴上距主谱O处的相位功率谱密度来表示。相位噪声是频率合成器质量的主要指标，锁相环频率合成器相位噪声主要来源于参考振荡器和压控振荡器。此外，环路参数的设计对频率合成器的相位噪声也有重要的影响。寄生（又称为杂散）干扰是非线性部件所产生的，其中最严重的是混频器，寄生干扰表现为一些离散的频谱，如下图11（B）所示。在混频器中混频比的选择以及滤波器的性能对于寄生干扰的抑制是至关重要的。（A）相位噪声（B）寄生干扰图11频率合成器的频谱2锁相环技术锁相系统在本质上讲是一个闭环相位控制系统。简单的说，是一种能使锁相环的输出时钟信号由振荡器生成在频率以及相位上与输入参考时钟信号同步的电路，即系统进入锁定状态或同步状态后，锁相环输出的时钟与输入参考时钟之间相位差为零，或者保持为常数，而频率则完全相等。如果输出信号和参考信号的相差增加，环路自身的控制机制就会作用于振荡器，使相差又会变为最小。在这样的控制作用下，输出信号的相位实际上锁定在了参考信号的相位上。这也是所谓“锁相环”的由来。锁相的概念在20世纪30年代被提出，它是一种相位反馈控制技术，锁相环PLLPBASELOCKEDLOOP电路具有极优良的性能，因此很快在电子学和通信领域中获得广泛应用。锁相环频率合成器最核心的部分就是锁相环，它是利用相位误差去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态时，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。21锁相环的基本特性锁相环路PLL，PHASELOCKEDLOOP是一个相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信写同频的目的。A）良好的跟踪特性锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后，输入参考信号和输出信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益而被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性。B）良好的窄带滤波特性当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以低频干扰的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。因此，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带可以做得很窄如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到几赫兹。不仅如此，锁相环路还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽，作为性能优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。C）良好的门限特性在调频通信中，锁相环路用作鉴频器时也有门限效应存在。但是，在相同调制系数的条件下，它比普通鉴相器的门限低。当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，这样，通过环路的作用限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性影响，改善了门限特性。22锁相环的基本结构和工作原理锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器PHASEDETECTOR，缩写为PD、环路滤波器LOOPFILTER，缩写为LF和电压控制振荡器VOLTAGECONTROLLEDOSCILLATOR，缩写为VCO三个基本部件组成，其基本结构如图21所示。图21锁相环的基本构成设参考信号为（21）SINUTUTRRR式中，UR为参考信号的振幅，为参考信号的载波角频率，为参考信号以其RT载波相位为参考时的瞬时相位。若参考信号是未调载波时，则常数。设TRR输出信号为（22）COSU0OTT式中，UO为输出信号振幅，为压控振荡器的自由振荡角频率，为输出信号00T以其载波相位为参考的瞬时相位，在VC0未受控之前它是常数，受控后它是时间T0的函数。则两信号之间的瞬时相差为（23）000ETTTTRRR由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为（24）鉴相器是相位比较器，它把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生TUOUTR对应于两信号相位差的误差电压。环路滤波器的作用是滤除误差电压中TEDTUD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的控制，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TUCTUC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和参考信号TUO的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差大小的误差电压，经TRTEDTD过环路滤波器的过滤得到控制电压。调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢，TUCTC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表现为TTRE0一固定的稳态值。即（25）此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率叫。控制电压0时的TUC频率，其偏移量由式24和25得到为（26）这时输出信号的工作频率已变为（27）由此可见，通过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。23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。鉴TE相器输出的误差信号是相差的函数，即TUDTE（28）FD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，较为典型的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接构成。其模型如图22所示。图22正弦鉴相器模型若以压控振荡器的载波相位作为参考，讲输出信号与参考信号变形，T0TU0TUR有（29）COS20TUUO（210）INSIN10TTTRRRR式中，02T（211）001TTTRRR将与相乘，滤波分量，可得TUOTR2（212）SINSINU21TUTUTEDD式中，KM为相乘器的相乘系数，单位为1/V，越大，在同/DORMKUDU样的下，鉴相器的输出就越大。因此，在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。TED为相乘器输入电压的瞬时相位差。下图23和图24分别是正弦鉴相21T器的数学模型和鉴相特性。RDTTDT0000RDTLIM0DTT图23正弦鉴相器的数学模型图24正弦鉴相器的鉴相特性24环路滤波器鉴相器的输出包含直流分量和高频分量，为了得到直流分量，也即稳定的振荡器输入控制电压，需要一个低通滤波器对其滤波。该低通滤波器改变了锁相环传递函数的带宽、衰减因子等参数，对环路性能有极大的影响。因为它除了有低通滤波作用外，还可以校正环路的动态性能，同环路的捕捉、稳定、环路带宽和对噪声抑制都有关系，在设计中是一个最为灵活的部件，同时也是一个很关键的部件。低通滤波器的设计决定了整个锁相环的工作特性，不同形式滤波器的锁相环有着不同的跟踪特性环路滤波器（LF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压UDT中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。环路滤波器由线性原件电阻、电容、和运算放大器组成。它是一个线性系统。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）RC积分滤波器这是最简单的低通滤波器，电路如图25A所示，其传递函数为（213）式中，是时间常数，它是这种滤波器惟一可调的参数。RCR1（A）组成（B）频率特性图25RC积分滤波器的组成与频率特性12SUSFDC用代入，可得滤波器的频率响应，其对数频率特性如图25B所示。由图可JS见，它具有低通特性，且相位滞后。当频率很高时，幅度趋于零，相位滞后接近90度。B）无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图26A所示。与RC积分滤波器相比，它附加了一个与电容C串联的电阻R。，这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为（214）式中，,它们是两个独立的可调参数。其对数频率特性如C21R2图26B所示。与RC积分滤波器不同的是，当频率很高时，是电阻的分压比，这就是滤波器的比例作用。从相频特性上/|212RJF看，当频率很高时有相位超前校正的作用，这是由相位超前校正因子引起的。21J这个相位超前作用对改善环路的稳定性是有好处的。（A）组成（B）频率特性图26无源比例积分滤波器的组成与频率特性C）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。电路如图27（A）所示，当运放器开环电压增益A为有限值时，它的传递函数为（215）由图27（B）可见，它也具有低通特性与比例作用。相频特性也有超前校正的作用。1SUSFDECSARSUF2DE1（A）组成（B）频率特性图27源比例积分滤波器及其特性25压控振荡器压控振荡器（VCO）是一个电压频率变换器，再换路政作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压的线性的变化，即TUC（216）00VTUKC式中VT是VCO的瞬时角频率，K0是线性特性斜率，表示单位控制电压，可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度与增益系数，单位为在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是瞬时/RADS相位，即（217）将此式与（29）比较，可以知0T为参考时的输出瞬时相位为（218）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。上式就是压控振荡器相位控制特性的数学模型，若对上式进行拉氏变换，可得到在复频域的表示式为（219）VCO的传递函数为SKUC02（220）如下图28所示为VCO的复频域的数学模型。SSE02DUTDTTCV00DUCKT2图28VCO的复频域模型26锁相环工作过程的定性分析（221）SIN0PFTUKTPEDE上式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。A）锁定状态当在环路作用下，调整控制频差等于固有频差时，瞬间相差趋向于一个固定TE值，并一直保持下去，即满足（222）0LIMTPET那么，此时我们认为锁相环路进入锁定状态。环路对输入固定频率的信号锁定后，输人到鉴相器的两信号之间无频差，而只有一固定的稳态相差。TEB）跟踪过程跟踪是在锁定的前提下，输入的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，输出信号的频率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。例如当增大时，固有频差也增大，这使稳态相差增大R|0RE又使直流控制电压增大，这必使VCO产生的控制频差增大，当大得足以补偿VV固有频差时，环路维持锁定，因而有0（223）SIN00JFUKEDR故（224）|0MAX0JD如果继续增大，使，则环路失锁。因此，我们把环路能0|0JFD0V够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带（225）|0AX0JUKDH同步带的物理意义是当参考信号频率在同步范围内变化时，环路HH2能够维持锁定；若超出此范围，环路将失锁。锁定与跟踪统称为同步，其中跟踪是锁相环路正常工作时最常见的情况。C）失锁状态失锁状态是瞬时频差总不为零的状态。这时，鉴相器输出电压为一上VRTUD下不对称的稳定差拍波，其平均分量为一恒定的直流。这一恒定的直流电压通过环路滤波器的作用使VCO的平均频率偏离向靠拢，这就是环路的频率牵引效应。V0R也就是说，锁相环处于失锁差拍状态时，虽然VCO的瞬时角频率始终不能等于参V考信号频率，即环路不能锁定。但平均频率已向方向牵引，这种牵引作用的大RVR小显然与恒定的直流电压的大小有关，恒定的直流电压的大小又取决于差拍波的TUD上下不对称程度。D）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。3数字频率合成器的设计方案31系统设计目标本课题的研究目标是设计一种基于74HC4046和TC9198设计锁相环时钟频率合成器，要求输出频率为110MHZ,分辨率为10KHZ的频率。32系统框图本设计是采用1024MHZ晶体进行振荡，通过分频得到10KHZ的基准频率，在PLL电路中，分频器的设定为1/1001/1000，由VCO产生110MHZ，10KHZ分辨率的频率。总体电路组成框图如下图31所示，其中锁相环电路由芯片74HC4046组成，可变分频器由TC9198组成。图31频率合成器总体设计参考频率由晶振产生的1024MHZ信号经基准分频器1/1024分频后获得。数字RF锁相式频率合成器利用可变分频器把VCO输出频率降低至数字鉴相器的工作频率上，再与参考频率在鉴相器中进行比较，用鉴相器所产生的误差信号来控制VCO的频率，RF使之锁定在参考频率上，并与参考频率具有相同的频率稳定度。鉴相器的工作频RFRF率取决于频率合成器的分辨率，与频率间隔相等。环路锁定后输出频率，即输出频率是基准频率的整数倍，只要改变可变分RONF频器的分频比，就可以改变环路输出频率。若N是连续变化单位步进的，则频率合成器的输出频率间隔。由此可见，频率合成器的工作频点数和输出频率范围取RF决于1/N分频器的变化范围。33系统组成部分该系统主要由以下4部分组成晶体振荡单元，固定分频单元，锁相环单元，可变分频单元。A）晶体振荡单元晶体振荡主要由反馈电阻，电容和反向器组成，通过晶体振荡向电路提1024MHZ的信号源。B）锁相环单元锁相环单元主要由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器三部分组成。其中鉴相器是用来比较两个输入信号之间的相位差。环路滤波器主要是用来消除误差电压中的高频成分和干扰噪声。压控振荡器实质就是一个电压频率变换器,振荡频率随着输入控制电压线性的变化。C）固定分频单元输入锁相环的参考频率为10KHZ，而晶振的频率为1024MHZ，所以需要对源频率进行分频产生电路所需要的参考信号。D）可变分频单元电路要求输出频率为110MHZ，因此可变分频单元要根据输出需求来调整分频比以达到所需的输出频率。34单元电路方案论证341晶体振荡电路的设计方案一采用模拟电路设计采用晶振与三极管以及两电容构成并联型晶体振荡器，再将输出信号经过施密特触发器整形，产生方波。此电路对电容的要求较高，且较为复杂麻烦，不稳定，故舍弃之。方案二采用74LS04芯片采用74LS04中的三个非门与电容C1，C2、电阻R1构成晶振电路，由于电阻电容只是起辅助作用，且产生的输出波形为占空比50的方波，电路稳定可靠。故使用此电路作为方波发生电路。74LS04是6非门反相器，它的内部含有6个COMS反相器，它的工作电压5V。74LS04的引脚图如下图32所示。图3274LS04引脚图74LS04的真值表达式为。74LS04的功能如表31所示。AY表3174LS04的功能表INPUTOUTPUTAYHLLH3421/N分频器的选定方案一选用BCD加法计数器若采用BCD加法计数器，在预置分频数时应求其关于9的补码预置，或者使用转换电路进行转换，较为麻烦，故放弃使用。方案二选用BCD减法计数器若采用BCD减法计数器，在预置分配数时可直接输入BCD码，方便快捷，故选用减法器74HC191，它的引脚图如下图33所示，引脚功能如表32所示。图3374HC191引脚图表3274HC191的引脚功能表引脚符号功能12TC进位输出/错位输出端14CLK时钟输入端（上升沿有效）4E计数控制端（低电平有效）15、1、10、9D0D3并行数据输入端11PL异步并行置入控制端（低电平有效）3、2、6、7Q0Q3输出端13RCO行波时钟输出端（低电平有效）5D/ERROR加/减计数方式控制端74HC191是4位二进制加/减计数器，74HC191的预置是异步的。当置入控制端（E）为低电平时，不管时钟CLK的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（D0D3）相一致的状态。191的计数是同步的，靠CLK加在4个触发器上而实现。当计数控制端（E）为低电平时，在CP上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（D/U）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（D/ERROR）为高电平时进行减计数。只有在CP为高电平时E和（D/ERROR）才可以跳变。74HC191有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（TC）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（RCO）输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。利用RC端，可级联成N位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RCO接到后一级E；当采用并行E控制时，则将RCO接到后一级CP。343锁相环芯片的选定方案一选用CD4046CD4046是最早开始使用的锁相环，是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高约100M，动态功耗小。但由于本设计要求输出的频率为110MHZ，频段较高，CD4046达不到要求，且一般只能采用模拟控制技术，故舍弃。方案二选用74HC404674HC4046属于高频集成锁相环，可以满足课题要求，且性能比CD4046要高，故锁相环部分选用74HC4046。它的引脚以及功能表如图34所示。图3474HC4046引脚图74HC4046是高速硅门CMOS器件，它的各引脚功能如下表33所示。COMPIN3VCOIN9SIGIN14CX16CX27INH5R111R212PP1PC1OUT2PC2OUT13VCOOUT4DEMOD10ZENER15U774HC4046表3374HC4046引脚功能表引脚符号功能直流电源（V）1PP相位比较器脉冲输出52PC1OUT相位比较器1输出233COMPIN比较器输入164VCOOUTVCO输出255INH禁止输出06CX1电容C1连接A0537CX2电容C2连接B048GND地09VCOINVCO输入11810DEMOD解调器输出14511R1电阻R1连接11812R2电阻R2连接44313PC2OUT相位比较器2输出4214SIGIN信号输入01215ZENER相位比较器3输出2516VCC供电电压574HC4046中5脚的INH（禁止功能）只是对压控振荡器进行控制，74HC4046的内部结构原理图如下图35所示。图3574HC4046的内部结构原理图74HC4046是由一个VCO和3种鉴相器构成,只要在外部增设分频器和环路滤波器R和C,就可以构成PLL频率合成器。3种鉴相器的工作原理各不相同,其中鉴相器PC1是异或门鉴相器,PC2是边沿触发器,PC3是一个R,S触发器门,其输出端分别为2,13,15。在3种鉴相器中,最常用的是PC2,PC1和PC3鉴相器不能进行频率比较,锁相范围较窄,而PC2可以进行频率比较,在VCO振荡频率的全部范围内进行锁相。根据74HC4046的工作频率范围选择外围电容、电阻的参数,即R1,R2和C1。电阻R1和C1共同决定振荡器的中心频率。R2可以改变压控振荡器的自由振荡频率并改变振荡器的频率控制范围。344环路滤波器的设计方案一采用有源滤波器有源滤波器的增益可以有效控制，并且精度高，但是成本高，功耗大，不适用于高频滤波，故弃之。方案二采用无源滤波器无源滤波器，因为是集成电路，所以电阻和电容值不能较精确的控制，误差很大，并且放大倍数小，但无源滤波器既具有结构简单，所占的硅片面积小，成本低的优势，又能满足设计电路的要求，故采用。4硬件电路设计41晶体振荡模块石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。如图41本设计中使用的是一种TTL晶体振荡器，晶体的频率点可以在很高的范围内选择，如数百赫兹到数十兆赫兹，由于需要，选择1024MHZ的石英晶体作为振荡晶体。由于振荡频率较高，门也应选中较高速的74LS04，门的偏置电阻也将随门的类型改变引脚2，将得到1024MHZ的方波输出。图41并联石英晶体振荡器其中R1为反馈电阻，使反相器G1工作在电压传输特性的过渡区，G1，R1和X2，C1，C2构成电容三点式振荡器。C1，C2和X2组成形选频网络，对于频率为的信号选频能力最强，很容易通过石英晶体而产生自激振荡。反馈系数取决于C10F和C2的比值。反相器G2用以整形。使输出为矩形脉冲，并可隔离外接负载对振荡电路的影响。产生的波形如下图42所示。R147K12G174LS0412G274LS04X2CRYSTALC210PFC133PF图42晶振电路的波形42固定分频模块由于晶振电路输出为频率为1024MHZ的方波，欲获得10KHZ的方波，则应进行分频。要获得10KHZ分频M应为。故可采用3片计10362410/1024数器74HC1