《频率合成》PPT课件.ppt

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fomin和最高频率fomax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ts 25 fr 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fr N的M个离散频率 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fd fr改变N值 可输出一系列频率 其最小间隔为fr显然 频率合成器的分辨率为参考频率fr 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 PhaseDetector 环路滤波器LF LoopFilter 和压控振荡器VCO VoltageControlledOscillator 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uc 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Ud 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 Ko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 V s 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 KdKoF 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Ui 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t to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 toTp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 to时 环路已处于锁定状态 而从to时刻开始 出现PD的二个输入信号频率不相等 失锁 的情况 只要二个频率之间偏离变化不超过一定范围 环路就有维持锁定的能力 即VCO的输出频率可跟踪环路输入频率变化 这种跟踪变化的过程称为环路的同步过程 评价同步过程的性能指标 环路的同步带 WH Wo max WH是环路能维持锁定或跟踪的最大频差 在跟踪状态下 若 W0大于同步带 环路将失去锁定或跟踪能力 根据环路方程 当环路锁定时 则稳态相差为 PLL概念小结 1 环路闭合后的任何时刻 瞬时角频差与控制角频差之和恒等于输入固有角频差 2 环路锁定后 无剩余频差 但存在剩余 稳态 相差 3 当输入固有频差大于捕捉带 或同步带 时 将使环路失去捕捉和跟踪能力导致失锁 通常同步带 捕捉带4 当K 0一定时 Wo 相应的 5 当 Wo一定时 环路直流总增益K 0 可减小6 当 Wo K 0时 无解 所以 能维持环路锁定所允许的最大 Wo K 0 即 WH 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ui就是参考信号ur VCO的输出信号频率为 0则 uo t Uocos 0t 2 t ur t Urcos rt 1 t 将uo t 与ur t 相乘 环路锁定 r 0 时可得 u t 1 2 KUoUr cos 1 t 2 t cos 2 0t 1 t 2 t 经低通滤波器滤除2 0分量 可得ud t KdF 0 cos 1 t 2 t KdF 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ud 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Cj为 Cj0是偏置为0时的电容外加电压VD 0VB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 5G8038 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C1 R1 R2 可省 确定R3 C2构成低通滤波 低频锁相环LM565 NE565等 最高频率500KHz fo 0 3 R1C1 一般R1取4K 电源电压 6V 12V 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 Mp A 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 4 11 158 4 10 1584又 Amax 9 个位 且要求M Amax故 Mmin Amax 9 Amin 0 所以 最小分频数 Nmin Mmin 10 Amin 90吞脉冲可变分频器受最小分频比的限制 3 upB571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 Vcc 5V 模式控制 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DD