（电力电子与电力传动专业论文）基于ad9858的快速调谐频综的研制.pdf

p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e g r a d u a t e ：x i a n b i n h u ，a d v i s o r ：j i nb i n d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) ，a s an e wk i n d o ff r e q u e n c y s y n t h e s i sm e t h o d ，i s ar e v o l u t i o no ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a li n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e s ，d d s e x h i b i t si t ss u p e r i o r i t i e sd a yb yd a y i th a sb e e nm o r er e c o g n i z e da st h eb e s tm e t h o d t og e n e r a t es i n ew a v e ，l f ma n do t h e rc o m p l e xs i g n a l s ，a n dh a sb e e nu s e dw i d e l y i n r a d a rs v s t e m m o d e mr a d a rn o to n l yg a i n st h ei n f o r m a t i o no fp o s i t i o na n ds p e e do f t h eo b j e c t s b u ta l s oa n a l y s e sa n dd i s t i n g u i s h e st h eo b j e c t s ，w h i c hr e q u i r e st h es i g n a l w i t haw i d eb a n de m i t t e db yr a d a rt og a i nt h eh i g hr e s o l u t i o no fd i s t a n c ea n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t s s oi th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e q u i r e m e n tm d e s i g n i n ga r a d a rs i g n a lg e n e r a t o rt h a tg e n e r a t i n gr a d a rs i g n a lw i t hw i d eb a n de v e nu l t r aw i d e b a n d a d 9 8 5 8i sa ne x t r a o r d i n a r yp o w e r f u ld d sc h i p ，w h i c hn o to n l yh a sa l l t h e a d v a n t a g e so fg e n e r a ld d s ，a l s oh a s b r o a d - b a n da n dl o w 。s p u r , b r i n g i n gm o r e c o n v e n i e n c e si nt h ep r o c e s s i n go ft h ed e s i g n t h i sd e s i g ni sm o s t l yu t i l i z i n g i t s a d v a n t a g e sa n dd e c r e a s i n g i t sd e m e r i t si n f l u e n c e t h ef i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t o ff r e q u e n c ys y n t h e s i s t e c h n 0 1 0 9 ya n dd d s ( d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i z e r ) t e c h n o l o g y t h ep r i n c i p l e 、 c o n f i g u r a t i o na n dt h es p u r d i s t r i b u t i o no fd d s a r ei n t r o d u c e di nt h es e c o n dc h a p t e r t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o fp l l t h ef o r t hc h a p t e rm o s t l y i n t r o d u c e st h ec h i p s a d 9 8 5 8a n d c 8 0 51f 0 2 0 i nt h ef i f t hc h a p t e r ，i t d e m o n s t r a t e st h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，i n c l u d i n gb a n d w i d t ha n ds p u r t h e s i x t hc h a p t e ri n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o b l e m sw h i c hm e t i nt h ed e b u g a j l dt e s t a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ra l s op u t sf o r w a r ds o m eo w no p m l o n si nt h i s d e s i g n a n da l lt h ep a r a m e t e r so f t h er e s u l ta t t a i nt h ed e m a n d s k e yw o r d s ：d d s ，p l l ，s p u r ，f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y ，a d 9 8 5 8 i i 西华大学硕上学位论文 申明 本人申明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此申明。 作者签争赫p l ，知豸 5 月功日 嘲伊a 吲 朋刁 。 导师签名：黾圭武 年月日 8 2 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 频率合成的概念及其发展 频率合成，是指以一个或多个参考频率源为基准，在某一频段内，综合产生 并输出多个工作频率点的过程。基于此原理制成的频率源为频率合成器，简称 频综。 频率合成技术的理论约于2 0 世纪3 0 年代形成，它的发展经历了三代。 第一代：直接频率合成技术。这是利用一个或多个不同的晶体振荡器作为 基准信号源，通过加、减( 混频) 、乘( 倍频) 、除( 分频) 等方法产生许多离 散频率的输出信号，这样的方式产生的各个频率的精度和稳定度与参考频率源 一致。这种方法得到的长期和短期稳定度高，频率变换速度快，但是它的缺点 是由于采用了大量的混频、分频、倍频和滤波等途径，使得频率合成器的体积 庞大、成本高、结构复杂、调试难度大，杂散抑制不易做好。 第二代：锁相频率合成技术。在二十世纪五、六十年代相位反馈理论和模 拟锁相技术的应用产生了锁相式频率合成器，也称为间接式合成器。它是利用 一个或几个参考频率源，通过谐波发生器和分频等产生大量谐波或组合频率， 然后用锁相环( p l l ) ，把压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上。这 种方法优点是稳频和杂散抑制好，调试简便；但由于锁相存在捕获时间问题， 其频率切换速度比直接合成慢。 第三代：直接数字频率合成技术。1 9 7 1 年，美国学者j t i e r n c y ，c m r a d e r 和b g o l d 发表的关于直接数字频率合成的研究结果，第一次提出了直接数字频 率合成( d d s ，d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 的概念。但由于受当时 微电子技术和数字信号处理技术的限制，d d s 并没受到重视。随着高速大规模 集成电路技术的发展，d d s 技术日益显露出它的优越性。d d s 是从相位概念出发 直接合成所需要波形的一种新的频率合成原理。3 0 多年间，随着技术和器件水 平的提高，这种称之为直接数字频率合成( d d s ) 的新的频率合成技术得到了飞 速的发展，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续、正交输出、高分辨力以 西华大学硕上学位论文 及集成化等一系列性能指标方面，已远超过了传统频率合成技术所能达到的水 平，完成了频率合成技术的又一次飞跃。用这种方法产生线性调频信号及其他 复杂波形信号的技术日益受到重视，并得到广泛的应用。 1 2 直接频率合成技术的现状 直接数字频率合成技术发展到现在，合成信号频率的精确度和频谱的纯度 仍然是其今后发展的主要方向。而这方面性能指标的提高，可以从两个方面进 行，一是提出更加先进的设计思想和设计理论，发展更加先进的生产工艺，由 芯片厂家开发、生产出性能更完善的d d s 芯片，二是对于已有成品的d d s 芯片， 设计完善的工作软件和抗干扰、抑制杂散的外围电路。目前美国h p 和a g i l e n t 公司生产的频率综合器被广泛用于国内的各个相关领域，但它们价格昂贵、操 作复杂。由于直接数字频率合成具有其他合成技术不具备的许多优点，短短的 三十多年中，随着理论的不断完善和集成工艺技术的发展，d d s 已走向实用， 走向商品化。各大公司在此领域投入了大量的人力物力，不断推出d d s 产品。 目前生产d d s 芯片的厂商主要有：美国的a n a l o gd e v i c e 公司、q u a l c o m m 公司、 s t a n f o r d 、t e l e c o m 公司、h a r r i s 公司( 现在的i n t e r s i l 公司) 、法国的o m e r g a 公司和d a s s u l t 公司，英国的p e r e g r i n e 公司等。我国目前还没有自己的生产 销售d d s 芯片的厂商。 o u a l c o m m 公司相继推出0 2 2 2 0 ，0 2 2 3 0 ，0 2 3 3 0 ，q 2 3 6 8 及0 2 3 3 4 等产品，这些产 品均不具有d a c 。其中0 2 3 3 4 具有两路正交输出、3 比特外部调相功能，时钟频 率可分别为2 0 m h z 、3 0 m h z 和5 0 m h z 。该芯片采用了专利技术来降低噪声，由相 位截断引入的杂散优于- - 7 6 d b c ，幅度量化信噪比优于7 2 d b ，时钟频率为3 0 姗i z 时，频率分辨率可达0 0 0 4 6 5 h z 。h a r r i s 公司也推出了h s p 4 5 1 0 6 ，h s p 4 5 1 0 9 ， h s p l 5 1 1 0 ，h s p l 5 1 1 6 等部d d s 系列产品，这些芯片均不带有d a c 。法国的o m e r g a 公司近来也相继推出了o t d d s - 1 0 2 4 ，该d d s 的时钟频率达到1 0 2 4 m h z ，内部具 有d a c ，还同时具有p m ，f m ，a m 及线性调频等功能，该器件输出信号相位噪声 优于一1 1 0 d b c h z 1 k h z ，杂散优于- 4 5 d b c 并在此基础上推出的f a s t 2 0 4 8 0 可工 作组2 0 4 8 g h z ，不过该公司生产的d d s 芯片相当昂贵，如o t d d s 一1 0 2 4 售价在 2 西华大学硕十学位论文 一万美元以上。著名的a d 公司也推出了系列d d s 产品，如a d 7 0 0 8 ，a d 9 8 5 x 系列、 a d 9 9 5 5 等。除a d 9 9 5 5 不具有d a c 外，其余型号均带有d a c 。其中a d 9 8 5 4 的时 钟频率仅为3 0 0 m h z ，输出频率为0 1 2 0 m h z ，这对于飞速发展的无线通信是远远 不够的。但随着g a a s ( 砷化镓) 器件的发展，输出带宽的限制正在被逐步克服。 像后期的a d 9 8 5 8 ，被称之为完整的d d s ，它内部包含了1 0 位高速d a c ，可独立 完成d d s 的全部功能；参考时钟频率达1 0 0 0 m h z ( 1 g h z ) ，可产生高稳定的频率、 相位、幅度可编程的正弦输出。在d d s 芯片不断更新换代的同时，基于d d s 的 系统也不断问世。如适用于无线通讯的低功耗多芯片组件( m c m ) d d s 可工作组 2 o g h z ，日本的个人手持机( p h p ) 和欧洲的数字无线通信系统( d e c t ) 也采用 了d d s 技术。国外以d d s 为核心构成的小型数字式相控阵实验系统( 采用1 3 个 数字式t r 组件构成) 已研制成功，d d s 用作雷达到波形发生器和误差的实时 校正还补偿的报道时而出现。另外d d s 技术用于电台、数据通信、航天航空通 信等设备中也屡见报道。输出带宽窄和杂散抑制差一直是限制d d s 发展的主要 因素，故研制高时钟频率和优越杂散性能的d d s 芯片成为d d s 技术的另一个发 展方向。但随着其输出带宽的扩展，杂散将越来越明显地成为限制d d s 技术发 展的重要因素。利用g a a s 技术，输出频率可以在4 0 0 m h z 以上，输出带宽的限 制被克服但并没有解决杂散问题，通常d d s 芯片只能够达到一4 0 5 0 d b c 。而一般 的c m o s 工艺的d d s 芯片可达至u - 7 0 - 9 0 d b c ，但其输出频率不高，当采用倍频或 变频提高频率时，会使杂散恶化。因此如何抑制杂散仍是高速d d s 技术急待解 决的问题。综上所述，d d s 产品几乎是外国人的天下。我国国内对d d s 技术的 研究起步相对较晚，又由于微电子生产技术的原因，我国几乎没有自己的d d s 产品。不过近几年国内先后有许多研究机构和大专院校对d d s 做了全面的研究 工作。例如，电子1 4 所研制的6 0 m h z 频段的d d s 杂散达到了一5 5 d b c ( 相位噪声 未提) 。西安 电子科技大学研制的d d s 相位噪声只做到了一8 0 d b c h z 1 k h z ，杂散只优于 - 4 5 d b c 。北京理工大学研制的o - 2 2 m h z 的d d s 产品m c l - d d s l 其杂散达到一7 0 d b c ， 相位噪声为一1 3 8 d b c h z 1 k h z 。5 4 所采用a d 7 0 0 8 研制度5 h i i - i z 左右输出的d d s 其杂散优于- - 6 0 d b c ，频率间隔为1 5 k u z ( 相位噪声未提) 。8 5 1 l 所采用a d s - 4 3 1 研制的d d s 系统其杂散优于- - 3 0 d b c ( 相位噪声未提) 。 频率合成器是当代电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备。随 两华大学硕十学位论文 着现代无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器和电子对抗等系统对 频率合成器提出越来越高的要求。低相噪、高纯频谱和高速捷变的频率合成器 一直是频率合成技术发展的主要目标，d d s 技术的发展将有力地推动这一目标 的实现。 4 西华大学硕十学位论文 2 锁相环基本原理和理论 2 1 锁相环基本原理和组成 2 1 1 锁相环基本原理 锁相环是一个相位误差控制系统，主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡 器三部分组成。通过鉴相器( p d ) 比较输入参考信号与压控振荡器( v c 0 ) 输出信 号之间的相位差，产生一个正比于信号相位差的误差电压，该误差电压经过环 路滤波器( l p f ) 滤波之后加到v c 0 的调谐端，从而调整压控振荡器的频率和 相位，使输入信号与v c 0 信号之间的相差减小，最后达到动态锁定，即频差为 零，相位差恒定。 f i g u r e2 - 1t h eb a s i cc h a r to fp l l 图2 1 锁相环基本框图 鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位和反馈信号相位之间 的相位差。输出的误差信号是相差的函数，即z d ( f ) - - 厂 包( r ) 】，实现了电压一相 位转换。可分为模拟鉴相器和数字鉴相器。模拟鉴相器的鉴相特性有很多种， 有正弦波特性、三角波特性、锯齿波特性等等。下面简单介绍正弦波鉴相器， 它可用模拟相乘器和低通滤波器来作为模型。如图2 2 所示，设输入信 号为u i ( f ) = c o s e c o o t + o , 】，输出信号为u o ( f ) = u oc o s c o o t + o o 将1 , 1 i ( f ) 和t i o ( f ) 相 西华大学硕士学位论文 乘并滤掉高频分量后，得到误差电压与相位差的关系为z d ( ，) = k ds i n t ? 。，当误差 相位信号包较小( 3 0 。以内) 时，可以写成 d ( f ) = k d 包 ( 2 1 ) 式中，包= 谚一包，髟= 吉k 鼍u ( b 是相乘系数) ，为鉴相器的鉴相灵敏 度，在线性相位模型下，其单位为v t a d 。 f i g u r e2 1t h eb a s i cm o d e lo fp l l 图2 1 锁相环基本模型 在如今的小型化频率合成器电路中，得到广泛应用的是数字鉴相器。典型 的数字鉴相器有异或门鉴相器、双d 鉴相器等。数字鉴相器一般能同时鉴频鉴 相，采用鉴频鉴相器代替鉴相器时，从一个频率转换到另一个频率值所需时间 能缩小5 倍以上。输出通常为两路脉冲信号，以脉宽差代表相差，后多加积分 电路将相差转换成平均电压，方法有两种，一是将两路输出的脉冲送入差分放 大器放大，并通过低通滤波器输出平均电压，另一种是通过电荷泵与低通滤波 器转化为平均电压输出，此平均电压一般是通过低通滤波器的电容进行电荷积 累产生，低通滤波器同时对噪声及鉴相输出的纹波等干扰进行抑制。 与传统的鉴相器比较，数字鉴频鉴相器省却了在电路中为了把v c o 拉入到 锁定范围所需的“特殊措施”。但是，电压型鉴频鉴相器存在“死区”问题，即 在环路锁定附近的响应具有不确定性。死区与复位延迟有关，一方面当两个输 入信号的相位差很小时，它们的下降沿在时间上靠的非常近，在这样短的时间 内很难完成整个置位和复位操作，以至于在触发器的输出端产生不确定的翻转， 使总的输出在一段时间内为零，就产生了所谓的“死区 现象；另一方面，当 输入信号的频率相当高的时候也会出现同样的问题。虽然某些电压型鉴频鉴相 6 两华大学硕十学位论文 器在测试时没有可以检测的“死区”，但这一点在设计的时候依然要仔细谨慎， 列为问题之列。解决“死区”问题的办法之一就是加一个外部电阻，连接在鉴 相器的输出端和公共端上，使之引出电流，但这就会减低参考抑制度。电流型 鉴频鉴相器使用电荷泵，更好的解决了“死区”问题。图2 - 3 示为电荷泵电路。 电荷泵鉴频鉴相器的输出变为误差电流而不是误差电压，具有低功耗、高速、 低抖动、低成本等特点。又因为其增益高，因此可以选用无源环路滤波器，可 以改善环路滤波中因为有源器件而导致的相噪恶化。 f i g u r e 2 - 3c h a r g ep u m pa n dt h ep f dc i r c u i t 图2 3 电荷泵和p f d 电路 环路滤波器 环路滤波器具有低通特性，它对环路参数的调整起到决定性作用。常用的 环路滤波器有r c 积分滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器。 1 r c 积分滤波器 电路构成如图2 - 4 所示。 尺 f i g u r e 2 - 4 r c i n t e g r a lf i l t e r 图2 - 4r c 积分滤波器 7 西华大学硕上学位论文 传输函数为 其中互= r c 是时间常数。 2 无源比例积分滤波器 电路构成如图2 - 5 所示。 传输函数为 邢，= 击 f i g u r e 2 - 5p a s s i v ep r o p o r t i o ni n t e g r a lf i l t e r 图2 5 无源比例积分滤波器 ( 2 - 2 ) 只曲= 高南 3 ， 其中r l = g c ，乞= r 2 c 。从相频特性上看，当频率很高时，无源比例积分滤波 器具有相位超前校正作用，一定程度上改善了环路的稳定性。 3 有源比例积分滤波器 电路构成如图2 - 6 。 r ，c f i g u r e 2 - 6a c t i v ep r o p o r t i o ni n t e g r a lf i l t e r 西华大学硕上学位论文 图2 - 6 有源比例积分滤波器 当运放满足理想条件时，其传输函数为 f ( s ) = 堡堕( 2 4 ) s r l 其中互= r i c ，乞= r 2 c 由幅频和相频特性可见，它也有低通和比例特性，并且也具有超前相位校正。 图2 7 、图2 8 所示为差分输出电压型鉴频鉴相器的环路滤波电路和电荷 泵中常用的无源二阶环路滤波电路。 f i g u r e2 - 7d i f f e r e n c el o o pa m p l i f i e r 图2 7 差分放大器环路滤波形式 下丁 f i g u r e2 - 8c h a r g ep u m pp a s s i v el o o p 图2 8 电荷泵无源二阶环路 此外，在设计环路滤波器的时候，为了抑制泄漏的鉴相时钟频率，往往加 有边带滤波，如图2 - 9 所示为改进的无源比例积分滤波器，可以较好的改善输 出频率的频谱。此外，还可以使用陷波电路来抑制时钟频率的泄漏。 寺i 渊- 6 d b 、 极点专倍频程 两华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 9 t h ea m e l i o r a t e dp a s s i v ef i l t e ra n db a u dc h a r tc h a r a c t e r i s t i c 图2 - 9 改进的无源滤波器和波特图特性 压控振荡器 压控振荡器是一个电压一频率变换装置，它的本质是一个振荡器，它 的振荡频率随输入控制电压u c ( t ) 的变化而线性变化，即有： q ( 矿) = 心+ k ( f ) ( 2 5 ) c o v ( t ) 是压控振荡器的瞬时角频率；k 是控制灵敏度获称增益系数，单位是 r a d s v 。 压控振荡器受电压i i ( f ) 的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠c 近，也就是使得两者频率差越来越小，直至消除频差而锁定。实际应用中的压 控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围之后控制灵敏度 将会下降。压控振荡器的原理图如图2 1 0 所示，控制特性如图2 1 1 。 ”，刊丑川， ”，( r )p ：( f ) 脚 0u f i g u r e2 1 0t h ec h a r to f v c of i g u r e2 - 1 1t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co f v c o 图2 1 0 压控振荡器原理图图2 1 1 压控振荡器控制特性 从模型上看，压控振荡器具有一个积分因子1 p ，这是相位和角频率之间 的积分关系形成的。锁相环路中要求压控振荡器输出的是相位，因此这个积分 作用是压控振荡器所固有的，被称为压控振荡器的固有积分环节。 压控振荡器电路的形式很多，常用的有l c 压控振荡器，晶体压控振荡器， 负阻压控振荡器和r c 压控振荡器等。前两种振荡器都是用变容管来实现的。 由于变容二极管结电容与控制电压之间具有非线性的关系，所以压控振荡器的 控制特性也是非线性的。可以通过在电路上采取措施改善压控特性的线性性能。 l o 西华大学硕上学位论文 此外，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低 激励级的内阻和振荡管的噪声系数。 2 2 锁相环路的性能分析 2 2 1 环路的动态方程 锁相环作为一个能够跟踪输入信号的闭环自动控制系统，对它研究须先建 立完整的数学模型，而后再以模型为基础分析它的性能和指标。图示为锁相环 路的相位模型： 9 ( f ) ，卜e a t ) 畅s i n 惟n f ( p ) 咋( f )k 。 1 夕 p j f i g u r e2 - 12 t h ep h y s i cm o d e lo fp l l 图2 1 2 锁相环路的相位模型 由相位模型，不难导出环路的动态方程如下： 见( f ) = 只( f ) 一o o ( t ) = o a t ) 一k ，k d 型s i n o e ( t ) ( 2 6 ) p 即 p o e ( t ) = p 谚o ) 一k f ( p ) s i n o e ( t ) ( 2 7 ) 式中，k = k v 巧为环路增益，p o e ( t ) 为瞬时频差，p 曰( f ) = 眈为输入固有 频差，k f ( p ) s i n8 e ( t ) 是控制电压“一( t ) 加至v c o 所引起振荡频率蛾相对于自由 振荡频率她的频差，称为控制频差。这样动态方程即形成了如下的关系： 瞬时频差= 固有频差一控制频差 这个关系式在环路动作的始终都是成立的。 西华大学硕上学位论文 在环路开始工作的瞬间，控制作用还没有建立起来，控制频差等于零，因 此环路的瞬时频差就等于输入的固有频差。在捕获过程中，控制作用逐渐增强， 控入频率 ，即形成了蛾= o l + 心= w ，控制频差与输入的的固有频差相抵 消，最终环路的瞬时频差等于零，环路锁定。环路对输入固定频率的信号锁定 之后，稳态频差等于零，稳态相差等于一固定值，此时误差电压即为直流。从 下面的方程可以解出稳态相差： 0 。、o o ) = a r c s i n 丽a c o o ( 2 8 ) ui ，u ， 上述的模型和动态方程都是非线性的，而在环路的同步状态，瞬态相差总 是很小的，鉴相器工作在鉴相特性的零点附近。这样，用0e ( t ) 取代动态方程 中的s i n o e ( t ) 就得到了线性化动态方程 p o e ( t ) = p 谚( f ) 一k f ( p ) o e ( t ) ( 2 9 ) 其复频域表达式为： s o e ( s ) = s o i ( s ) 一i , ：f ( s ) o e ( s ) ( 2 1 0 ) 式中，0 e ( s ) 、谚( s ) 分别为o a t ) 、谚( f ) 的拉氏变换，f ( s ) 是环路滤波器的传输 函数。复数域的相位模型如图2 - 1 3 所示。 口( s ) 一、包( 引j ， f ( s ) 1 “l7 i “ - s j o o ( d f i g u r e2 13t h el i n e a r i t yp h a s em o d e lo fp l l 图2 1 3 锁相环路的线性相位模型 由图可以得到锁相环路的开环传递函数h 0 ( s ) 、闭环传递函数h ( s ) 和误差 传递函数h e ( s ) ： 两华大学硕上学位论文 钇( s ) = kf(s)(2-1 1 ) 日( s ) = 而x f ( s ) ( 2 1 2 ) s + k 。i s ) 日e ( j ) = s + k l f ( s ) ( 2 - 1 3 ) 见( s ) 、h ( s ) 和h e ( j ) 是研究锁相环路同步性能最常用的三个传递函数， = 者夕间的关系县： 2 2 2 环路的捕获性能 日( s ) = 上婪 ( 2 - 1 + m o ( s ) ”7 h e ( s ) = 而1 4 ( s ) = 1 一h ( s ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 捕获锁相环在开机以及跳频开始阶段环路总是失锁的，我们通常把保证 环路必须进入锁定的最大固有频差称为捕获带咋，而把保证环路只有相位捕 获一个过程的最大固有频差称为快捕带，记为魄。若吧 哆，环路就不 能通过捕获进入同步状态，故 哆= i 吧i m 烈 ( 2 1 7 ) 还有一个指标是捕获时间乙，它是环路由起始时刻乞到进入同步状态的时 刻乞之间的时间间隔，即 乙= t 口一t o ( 2 1 8 ) 西华大学硕 学位论文 捕获时间l 的大小除决定于环路参数之外，还与起始状态有关。一般情况 下，输入起始频差越大，t 越大。通常以起始频差等于纯来计算最大捕获时 间，并把它作为环路的性能指标之一。采用有源比例积分滤波器二阶环的捕获 时间为 乙篆 ( 2 - 1 9 ) 采用无源比例积分滤波器二阶环的捕获时间为 乃等 协2 。， k 2l 乞 环路锁定之后，稳态频差等于零，稳态相差通常总是是一个固定值，反映 了环路跟踪的精度。已经锁定的锁相环路，若再改变其固有频差鳓，稳态相 差会随之改变。当铴增大到某一值时，环路将不能维持锁定。这个锁相环路 能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为环路的同步带。 相位捕获和频率捕获 在一阶环中只有相位捕获，即在捕获过程中，相位没有2 的周期跳跃。 二阶环是应用最多的一种环路，环路中共有两个积分环节，因此二阶环具有相 位捕获和频率捕获两个捕获过程。频率捕获所需要的时间称为频率捕获时间， 相位捕获所需要的时间称为快捕时间，通常频率捕获时间远大于相位捕获时间， 所以一般说的捕获时间是指频率捕获时间。 自捕获和辅助捕获 如果环路依靠自己的能力达到捕获锁定，称这种捕获过程为自捕获，若环 路借助于辅助电路才能完成捕获锁定，则称这种捕获为辅助捕获。辅助捕获的 方法很多，如人工电调、自动扫描、辅助鉴频、变带宽等等。 捕获过程的特性 在固定频率的输入信号和压控振荡器反馈的调频信号下，鉴相器输出差拍 电压。由于差拍电压上下是不对称的，其平均分量不为零，通过环路滤波器的 积分作用，使控制电压“( f ) 中的直流分量不断增加，从而牵引着压控振荡器的 平均频率，使它不断地向信号频率靠拢，因而使平均频差不断减小。当平均频 差减小到进入快捕带以时，频率捕获过程即结束，此后进入相位捕获过程， 1 4 两华大学硕十学位论文 嚷( f ) 变化不再超越2 ，最后趋于稳态值包( 一) ，压控振荡器的频率被锁定在 输入信号频率以上，捕获的全过程结束。 2 2 3 环路的跟踪性能 当环路处于锁定状态时，输出频率与输入频率相同，两者之间存在一稳态 相差。若输入信号发生相位或频率变化( 干扰或调制引起的) ，通过环路自身的 控制作用，环路的输出信号，即压控振荡频率和相位会跟踪输入信号的变化， 这就是环路的跟踪特性。 输入信号的形式是多种多样的，常用的典型输入信号有输入相位阶跃、频 率阶跃和频率斜升等三种。对于一个原来是对输入固定频率锁定的二阶锁相环 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。只要在整个响应过程中，环路相差晓( f ) 始终比较小，没有超 出鉴相特性的线性工作区域，就可将环路看作一个二阶线形系统。 如果跟踪过程中相差晓( f ) 比较大，线性分析就会带来比较大的误差。如果 相差再加大，直至环路失锁，线性化的分析方法就不再适用，因此需要采取非 线性方法分析问题。此时，环路的稳态相差、暂态响应、频率响应等都将与线 性跟踪状态有所不同。下面介绍非线性跟踪的相关概念和结论： 稳态相差 对于理想二阶环，锁定后稳态相差为零；对于r c 积分滤波器的二阶环， a ， 稳态相差为o e ( t ) = a r c s i n 芝笋，当吃 k 时，方程无解，此时环路失锁；对 a a ， 1 于无源比例积分滤波器的二阶环，稳态相差为倪( f ) = a r c s i n = ，与r c 积分 k 滤波器二阶环相同，说明这两种环路同是二阶l 型环，稳态相差也就相同。 同步带 理想二阶环锁定时的稳态相差为零。就是说，在锁定条件下，缓慢加大 固有频差，直至妃到达无限大，环路相差一直为零。这就可导出环路的同步 带等于无限大，即o ) n = 。事实上还要考虑到压控振荡器和环路滤波器的线 西华大学硕士学位论文 性工作范围，姊= 一是不符合实际的。采用r c 积分滤波器和采用无源比例积 分滤波器的环路同属于二阶1 型环，它们的同步带是纨= k 。这些都是以正 弦鉴相器为例分析的，而在其他形状的鉴相器电路里，存在不同的同步带扩展 系数。 最大同步扫描速率 理想二阶环可以跟踪频率斜升信号( 即频率线性扫描信号) ，具有固定的相 位差。这个固定的稳态相差与扫描速率r 成正比。加大扫描速率r ，稳态相差 随之加大，就可能进入非线性跟踪状态。再加大r ，还会造成失锁。在非线性 跟踪的条件之下，最大同步扫描速率为r = c o 2 ，分析条件是环路原来处于同 步状态，在此初始条件之下输入信号以速率r 扫描，看环路是否能维持跟踪， 这就是所谓的“最大同步扫描速率”问题。 最大频率阶跃量 输入频率阶跃时，如果环路的阻尼因子小于1 ，相位误差晓( f ) 的响应将 出现过冲。过冲引起的峰值暂态相差的大小与频率的阶跃量a 0 9 成正比。 如果阶跃量过大，引起的峰值暂态相差过大，超过了一定大小就不可避免地会 造成环路失锁。工程上用相平面法得到的最大频率阶跃量与环路参数之间的关 系为：= 1 8 皑( f + 1 ) ，这是采用正弦鉴相器的理想二阶环情况下，适用 于o 5 1 4 的情况。 1 6 两华大学硕l ：学位论文 3d d s 技术的基本理论 3 1d d s 技术的介绍 3 1 1d d s 的原理和结构 d d s 的基本结构包括：相位累加器、正弦查询表r o m 、数模转换器d a c 及低 通滤波器等。本章从介绍d d s 的工作原理和基本结构出发，分析了它的主要特 点及其频谱分布规律。d d s 有两个主要缺点：一个是输出频率低，一个是输出 谱中杂散多。输出频率低主要受d d s 工作频率的限制，随着微电子科技的发展， 这个缺陷会渐渐地得到弥补。d d s 输出谱中的杂散是d d s 所固有的，这是由d d s 的工作方式决定的。了解d d s 的杂散分布及幅度大小对于d d s 系统的设计有很 重要的意义。 频率控制字k n 比特 m 比特l 正弦查表is 比特l 数模转换ll 低通滤波l f o u 一| r o m 1 ：n 器：d a cj _ _ - i d l 器l p fl 一 血岍 f i g u r e3 - 1t h ec h a r to fd d s 图3 - 1d d s 原理方框图 d d s 的原理框图如图2 1 所示，它包含相位累加器、波形存储器、数模转 换器、低通滤波器和参考时钟五部分。在参考时钟的控制下，相位累加器对频 1 7 西华大学硕士学位论文 率控制字进行线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅 度码，经过数模转换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变化 的所需频率的波形。先以产生余弦信号来说明其基本原理。设定理想的余弦波 信号可表示为 s ( t ) = ac o s ( 2 n f l + 矽) ( 3 1 ) 式( 2 1 ) 说明s ( t ) 在振幅a 和初相由确定后，频率由相位唯一确定。 矽( f ) = 2 x f i( 3 2 ) d d s 就是利用式( 2 2 ) 中( t ) 与时间t 成线性关系的原理进行频率合成 的，在时间f = r e 间隔内，余弦信号的相位增量中与其频率f 构成一一对应 关系。 f = a o ( 2 a t 。) 一 ( 3 3 ) 为了说明d d s 相位量化的工作原理，可将正( 余) 弦波一个完整周期内 相位o 2 丌的变化用相位圆表示，其相位与幅度一一对应，即相位圆上的每一 点均对应输出一个特定的幅度值，如下图2 - 2 和图2 3 所示。 1 。瓣：紧爿兰刍嚣脚e = = = = = 葛 o ，3 4 一一气一_ r 广 f i g u r e3 - 2t h er e l a t i o n s h i po ff r e q u e n c y a n dp h a s ei n c r e m e n t 图3 - 2 频率与相位增量间的关系 ：竺0 三兰：兰：亡： 1 1 - r n ii 十 一1 凇i i i , i 憾蠹! ； 二：竺型蹬 f i g u r e3 - 3t h er e l a t i o n s h i po fp h a s ec o d e a n da m p l i t u d ec o d e 图3 3 相位码与幅度码的对应关系 n 位的相位累加器对应相位圆上2 个相位点，其最低相位分辨率为 1 8 西华大学硕十学位论文 丸i n = 矽= 2 x 12 在图2 - 3 中，n = 4 ，则共有2 4 = 16 种相位值与16 种幅度值 相对应。该幅度值存储于波形存储器中，在频率控制字k 的作用下，相位累加 器给出不同的相位码( 用其高位作地址码) 去对波形存储器寻址，完成相位幅 度变换，经数模转换器变成阶梯正弦波信号，再通过低通滤波器平滑，便得到 模拟正弦波输出。 3 1 2d d s 结构中各部分的作用 为了更好地了解d d s 的原理，下面介绍d d s 原理图中各部分的作用。 ( 1 ) 相位累加器 相位累加器实际上是个模数2 为基准、受频率数据控制字k 而改变的计数 器，它累积了每一个参考时钟周期t 内合成信号的相位变化，这些相位值的高 位对r o m 寻址，如图3 4 所示。 频彰控 f i g u r e3 - 4t h es t r u c t u r eo fp h a s ea c c u m u l a t o r 图3 - 4 相位累加器的结构 相位皴化缪矧 每来一个时钟脉冲z ，加法器将频率控制字k 与寄存器输出的累加相位数据相 加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时 钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟 作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，进行 1 9 两华大学硕：学位论文 相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动 作。 ( 2 ) 波形存储器 波形存储器主要完成信号的相位序列到幅度序列的转化。从理论上讲，波 形存储器可以存储具有周期性的任意波形，在实际应用中，以正弦波最具有代 表性也应用最广。用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，进行 波形的相位幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。n 位 的波形存储器r o m 相当于把0 3 6 0 。的正弦信号离散成具有2 个样值的序列， 若波形存储器r o m 有d 位数据位，则2 个样值的幅值以d 位二进制数值固化 在r o m 中，按照地址的不同可以输出相应相位的正弦信号的幅值，如图2 5 所示。 栩经麓化序列 藏弦瞩度黟化序啦 能 蕴 波形r o m 菱 d 位 f i g u r e3 - 5t h es t r u c t u r eo fp h a s e - t o - - a m p l i t u d ec o n v e r s i o n 图3 5 波形存储器的结构 波形存储器主要完成信号的相位序列中( n ) 到幅度序列s ( n ) 之间的转化。 d d s 输出信号的频率与时钟频率以及频率控制字之间的关系如下： f o 圳= k 畈2 川( 3 4 ) d d s 的正弦查询表r o m 所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字 正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高a 位对起进行寻址， 最后输出为与该相位对应的二进制正弦幅值序列。 可以看出，r o m 的存储量为2 月d b i t ，其中a 为相位累加器的输出位数， d 为r o m 的输出位数，若a = 1 2 ，d = 8 ，可以算出r o m 的容量为3 2 7 6 8 b i t ，在 d d s 芯片上集成这么大的r o m 会使成本提高，功耗增大，且可靠性下降，所 2 0 西华大学硕上学位论文 以就有了许多压缩r o m 容量的方法。而且，容量压缩还可以使用更大的a 和 d 值，进