锁相环频率综合器工作原理分析.doc

锁相环频率综合器工作原理分析 尹恒摘要：本文对频率合成器中锁相环的工作原理进行了理论分析，同时还简单介绍了单环和多环锁相频率合成器的组成和工作原理，有助于对频率合成器的使用和维护。关键字：频率合成器 锁相环 工作原理1前言频率综合器又叫频率合成器，它是发射机的激励信号源。频率合成是指由一个或多个频率稳定度很高的参考信号源频率域的线性运算，产生具有同样稳定度的大量频率的过程。目前，频率合成设备通常采用三种技术实现：一是直接频率合成法(DDS技术)，它是利用采样定理通过查表的方法产生波形，其优点是频率切换响应快、分辨力较高、相位连续等，缺点是输出频率范围有限、输出杂散大；二是锁相环频率合成技术(PLL技术)，它利用锁相技术实现频率的加、减、乘、除，其优点是成本低、可合成任意频率，缺点是频率切换响应慢；三是DDS+PLL技术，它综合了上述两者的优点。我们短波发射台所使用的频率合成器，因其对频率切换速度要求不是很高，所以主要是采用锁相环频率合成技术实现。2锁相环工作原理锁相环(PLL)是一个闭环的跟踪系统，它能够跟踪输入信号时，没有频差；跟踪频率变化的输入信号时，精度也很高。它对输入信号来说恰似一个窄带跟踪滤波器。锁相环是一个相位负反馈系统，其内部压控振荡器所产生的相位，通过与外部信号相位的比较，实现与外部信号的相位同步。在比较的过程中，锁相环电路会不断地跟据外部信号的相位来调整压控振荡器的相位，直到这两个信号相位同步，其工作过程，通常可以用一个高阶的微分方程来描述信号的相位和频率。2.1锁相环的组成 锁相环由三个基本部分组成，即：鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)，如图1所示。鉴相器(PD)是相位比较装置，它可将输入信号与压控振荡器(VCO)的输出信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。环路滤波器(LPF)的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出的控制电压U (t)的控制，使其输出频率向输入信号的频率靠拢，直至频差消失，环路锁定。2.2锁相环的工作原理2 2.1鉴相器鉴相器鉴相器(PD)通常是一个模拟乘法器，可用图2等效。设输入信号为： 压控振荡器的反馈信号为：将(1)、(2)两式改写，使两信号使用相同的参考相位，以便于比较，两式可分别可改写为(3)从(3)、(4)两式可以看出：式中：称为环路固有频差.将(3)、(4)两式相乘，得：=从而，可得出鉴相器输出的误差电压:=上式中是相乘的系数,单位是1/v令:=0.5故有:(7)在(7)式中含有一项，由于比环路滤波器带宽高得多，因此该项可被环路滤波器或相乘器输出端低通滤波电路抑制掉，在环路中不起作用，经过环路滤波器后，鉴相器的输出电压实际上为环路滤波器的输出)变为：2.2.2环路滤波器环路滤波器是一个低通滤波器，常用的是比例积分滤波器，可分为有源和无源两种，如图3所示，图3(a)为无源比例积分器，图3(b)为有源比例积分器。滤波器是线性电路，它的特性可用其传递函数及其相应的幅频特性和相频特性来描述。(1) 无源比例积分滤波器的传递函数为：式中： S为拉普拉斯变换的算子。(2)有源比例积分滤波器的传输F(s)= 式中：A为运放的增益。22。3压控振荡器一个电压-频率转换器，其瞬时角频率是控制电压的函数。不同的电路有不同特性，但在环路锁定点附近，总可以近似为直线，其控制方程为(11)式中是控制特性的斜率，它表明单位控制电压可使振荡器角频率变化的大小，又称压控振荡器的控制灵敏度和增益。是压控振荡器的中心频率。在锁相环中，压控振荡器输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是它的相位。其瞬时角频率和瞬时相位之间有着简单的微积分关系，即：(12)式中：为t=0时压控振荡器的瞬时相位。 将（11）式代入（12）式，假定=0，压控振荡器输出瞬时相位为：=从上式可看出，以为参考的输出瞬时相位为：为了分析方便，我们使用p来表示微分算符，即：这样，(14)式可以写为如果将(14)式两边取拉式变换，可得由此，可得到图4压控振荡器的时域和频域模型。由（15），（16）和图4可以看出，在初始条件为零的情况下，传递函数拉式变换算子s和时域微分方程中的微分符号p是相对应的。图5为锁相环的环路相位模型。由锁相的环路相位模型和其余各部件的数学模型以上的公式可得到锁相环路方程的一般形式为：式中：p为微分符号。3单环锁相频率综合器单环锁相频率综合器单环锁相频率合成器的基本组成方法是，锁相环路对高稳定度的参考振荡器(通常是晶体振荡器)锁定，环内串接可编程的程序分频器，通过编程改变程序分频器的分频比N，从而获得N倍参考频率的稳定输出。3.1基本单环锁相频率合成器基本单环频率合成器的结构如图6所示。环中的N分频器采用可编程的程序分频器， 当环路锁定后，压控振荡器的输出频率为：式中： 为晶体振荡器输出参考信号的频率：N为分频比当参考频率一定时，改变程控分频器的分频比就可以改变输出频率。频率合成器的频率分辨率为f，输出频率是参考频率的整数倍。设鉴相器的增益为 ，滤波器的传递函数为F(S)，压控振荡器的增益系数为 ，则可得单环锁相频率合成器的频域线性相位模型，如图7所示。环路的闭环传递函数为：式中：G（s）是开环传递函数；H（s）=KF(s)/s;=/3.2采用前置分频器的锁相环频率合成器图8为有前置分频器的锁相环频率合成器，也是一种单环锁相频率合成器。与基本单环锁相频率合成器基本相同，只是在可编程分频器之前串接了一个固定分频比的前置分频器(M),以适应较高的VCO工作频率。这种合成器工作频率为，频率分辨率为。3。3采用后置分频器的锁相环频率合成器锁相环的转换时间取决于锁相环的非线性性能，没有精确的表达式，在工程上常用的经验公式为。用较高的参考频率保持快速转换速率，同时还能得到较高的频率分辨率的一种方法是，在锁相环的输出端再进行分频，如图9所示。VCO输出频率经M次分频后，可得：式中：M是环外固定分频比；N为环内可编程程序分频器的分频故频率分辨率为，只要M足够大就可得到很高的频率分辨力。4多环锁相频率合成器多环锁相频率合成器是由几个环路组成，来得到高频率分辨力。较高频率的锁相环路提供分辨力差一些的输出；较低频率的锁相环路利用后置分频器的锁相环频率合成技术，在高参考频率上得到高频率分辨力；而后再用另一个锁相环路将两个频率加起来，最终获得较高的工作频率，且具有很高的频率分辨力。图10即为这种结构的三环锁相频率合成器组成框图。图1 0中，PLL2为高位环，它工作在较高的频率，但它的频率分辨力为，不能满足频率综合器总的性能要求；PLL1为低位环，它虽然也工作在较高的频率，但其频率分辨率为 M；PLL1经M分频后输出的f 被设计成使它正好等于PLL2的分辨率。例如： =100kHz，=110118，则PLL2的输出 =11.0-11.8MHz，频率分辨率为1 00kHz，假若设计N =1 O0-199，那么PLL1的输出=10.0-19.9MHz，经M分频，设M=1 00，那么=1 00-1 99kHz，它的工作频段为100kHz，正好等于PLL2的分辨率，它的频率分辨率1kHz。在P L L 3环中，所以。通过锁相