锁相环频率合成器课程设计报告--倪洁

信息工程学院2011电子信息工程两班镍纸电子信息工程专业综合设计报告电子信息工程综合课程设计报告问题：锁相环频率合成器研究所：信息工程学院专业化：11级电子信息工程学号：声明：镍纸导师：苏永新完成日期：2014年11月26日目录摘要：1一、频率合成器简介2二、锁相环频率合成器原理22.1锁相环设计基础22.1.1 PLL基本原理22.1.2基本回路方程式42.1.3回路拓扑模型和基本方程72.1.4 PLL作业过程的定性分析82.1.5锁相环的线性分析92.2频率合成器和技术指标102.3锁相环频率合成器工作原理11三、电路组件的确定12四、设计方法124.1、振动源设计124.2、n分频设计134.3，1KHZ标准信号源设计(即m分频设计)15五、PLL参数设计15六、模拟图如下16七，焊接也是16八、调试步骤17Ix。实验问题和解决方法1710、经验18锁相环设计频率合成器摘要：在现代通信系统中，为了保证通信的稳定性和可靠性，对通信设备的频率准确度和稳定性提出了很高的要求。随着电子技术的发展，信号的频率越来越准确和稳定，普通振荡器不再满足系统设计的要求。晶体振荡器的准确性和稳定性长期被公认为各种电子系统的必要组成部分。但是晶体振荡器的频率变化范围很小，频率值不高，很难满足通信、雷达、测量和控制、仪表等电子系统的需要。这些应用领域经常需要在频率范围内提供一系列精度和稳定性高的频率源来满足这种需要。锁相频率合成器通过PLL完成频率的加、减、乘、除操作，其结构是闭环系统。主要优点是结构简单，易于集成，频率纯度高，目前广泛应用于各种电子系统。直接频率合成器固有的这些缺点在锁相频率合成器中大大减少。这次实验利用SystemView实现了通信系统的锁相频率合成器仿真，并对结果进行了分析。关键字：PLL频率合成器一、频率合成器简介频率合成使用一个或多个高精度和高稳定性的标准频率作为参考频率导出多个或多个输出频率，这些输出频率的准确度与参考频率一致。用于生成这些频率的部件将成为频率合成器或频率合成器。频率合成器通过一个或多个标准频率生成大量输出频率，这可以通过在频域中加、减、乘、除标准频率等电路实现。主要技术指标包括频率范围、频率间隔、准确度、频率稳定性、频率纯度和体积、重量、功能和成本。频率合成器的合成方法有直接模拟合成法、PLL合成法和直接数字合成法。直接模拟合成使用倍频、分频、混合和过滤在单个或多个参数频率下生成所需的多个频率。此方法的频率转换时间快(小于100ns)，但体积大，功耗高，成本高，目前基本不采用。锁相频率合成器通过PLL完成频率的加、减、乘、除操作，其结构是闭环系统。主要优点是结构简单，易于集成，频率纯度高，目前广泛应用于各种电子系统。直接频率合成器固有的这些缺点在锁相频率合成器中大大减少。本实验设计了锁相频率合成器。2、锁相环频率合成器原理2.1锁相环设计基础本部分首先介绍了锁相环的基本原理和组成，推导了环路的相位模型和基本方程，概述了回路的工作过程。2.1.1 PLL基本原理PLL (PLL)是拓朴追踪系统。最基本的锁相环框图如图1所示。其中包括三个基本组件：相位探测器(PD)环路过滤器(LF)和电压控制振荡器(VCO)参考信号PDur哟t)，以获取详细信息LFud哟t)，以获取详细信息VCOuc哟t)，以获取详细信息uo哟t)，以获取详细信息输出信号图1 PLL的基本配置设定参考信号(1)Ur是基准信号的振幅r是基准信号的载波角频率r(t)是使用载波相位rt作为参考信号的瞬时相位如果参考信号是非协调载波，则r(t)=1=常数。将输出信号设置为(2)Uo是输出信号的振幅，0是电压控制振荡器的自由振荡角频率0 (t)是当相应的载波相位0t是参考信号时的瞬时相位，不受VCO控制是常数，控制后是时间函数。两个信号之间的瞬时相位差为(3)通过频率和相位之间的关系，两种信号之间的瞬时频率差如下(4)相位比较器是比较输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位，生成对应于两个信号相位差e (t)的错误电压ud(t)的相位比较器。环路过滤器过滤故障电压ud(t)的高频组件和噪声，以确保环路所需的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器由控制电压uc(t)控制，uc(t)使压控振荡器的频率接近参考信号的频率，因此在消除频率差并锁定之前，频率差逐渐变小。因此，锁相环的工作原理可以概括为：首先，相位检测器比较输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位，产生响应两个信号的相位差e (t)大小的误差电压ud(t)、ud(t)通过环路滤波器过滤的控制电压uc(t)。Uc(t)将VCO的频率调整为参考信号的频率，直到最后两个频率相同且相位同步锁定。锁定后，两个信号之间的相位差显示为一定的正常状态值。也就是说(5)此时，输出信号的频率偏离了原始自由频率0控制电压uc(t)=0的频率，该偏移从表达式(4)和格式(5)中获得输出信号的工作频率(6)由此可见，相位跟踪通过锁相环路的相位跟踪，实现了输出信号和参考信号之间的同步，没有频率差异，与正常状态的差异也很低。2.1.2基本回路方程式为了建立锁相环路的数学模型，首先建立了相位探测器、环路滤波器、压控振荡器的数学模型。1.相位探测器相位比较器(PD)，也称为相位比较器，用于比较两个输出信号之间的相位差e (t)。相位检测器输出的误差信号ud(t)是e (t)的差异函数。鉴相特性分为正弦、三角形和锯齿波。作为原理分析，一般使用正弦波形，更常见的正弦探测器可以由模拟乘法器和低通滤波器的线程组成。模型如图2所示。LPFUi(t) ud(t)Uo(t)图2正弦相位探测器模型使用压控振荡器的载波相位0t作为参考时，输出信号u0(t)和参考信号ur(t)变形如下：样式，2 (t)=0 (t)、U0(t)与ur(t)相乘过滤出20分量，这样您就可以：表达式中的Ud (t)=Km uruo/2，Km是乘积的乘法系数，1/V单位是Ud越大，在相同e(t)下相位探测器的输出就越大。因此，Ud在一定程度上反映了相位探测器的灵敏度。e (t)=1 (t)- 2 (t)输入乘法器电压的瞬时相位差。下图是正弦相位检测仪的数学模型和鉴相特性。Udsin()1 (t)e(t)0(t)Ud(t)sine(t)图3正弦相位检测仪的数学模型图4正弦相位探测器鉴相特性循环过滤器环路滤波器(LF)是在故障电压ud(t)中过滤高频分量和噪声的线性低通滤波器，对于调节环路参数具有决定性作用。回路过滤器由线性原始电阻、电容和运算放大器组成。线性系统。常用回路过滤器有三种：RC积分过滤器、被动比例积分过滤器和主动积分过滤器。下面介绍有源比例积分滤波器。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。如果Op放大器的开环电压增益a是有限值，则传递函数为(7)格式中如图5中所示，还具有低通特性和比例作用。相位频率特性也有高级校正效果。图5有源比例积分滤波器及其特性电压控制振荡器电压控制振荡器(VCO)由电压至频率转换器、控制振荡器取代，输入控制电压uc(t)的线性变化，即(8)表达式中的v(t)是VCO的瞬时角频率，K0是表示单位控制电压的线性特性的斜率，是改变VCO角频率的数值。因此，也称为VCO的控制敏感度和增益系数。在锁相环中，VCO的输出对相位探测器使用瞬时相位，即瞬时相位，而不是瞬时角度频率(9)如果将此样式与uo (t)=uo cos 0t 2 (t)进行比较，则0t是参考时的输出瞬时拓扑(10)因此，VCO在PLL中充当点，因此也称为环路的独特点环。常识是压控振荡器的相位控制模型，在执行自下而上拉普拉斯变换的情况下，可以在复数频域中获得表达式VCO的传递函数为(11)Uc(t)2(t)2(s)Uc(s)下图是VCO复杂频率区域的数学模型。图6 VCO复杂频域模型2.1.3回路拓扑模型和基本方程分别获得了移相器、环路滤波器、电压控制振荡器的模型，连接了3个模型，得到了锁相环的模型。如下图7所示1(t)e(t)UdsinF(p)Ud(t)Uc(t)2(t)图7锁相环拓扑模型在复杂的时域分析中，可以用一个传输运算符F(p)表示。其中(p=d/dt)是微分运算符。上图得到了锁相环的基本方程。(12)(13)(9)相反(8)(14)回路设定频率输入r和相位r均为常数的信号表达式中，0是控制电压uc(t)=0时VCO的固有振荡频率，r是参考输入信号的相位。逮捕令一般(15)使用表达式(11)输入自然频率的回路基本表达式(16)闭环后的任何时候都有以下关系：瞬时频率差=固有频率差-控制频率差，记住，也就是说2.1.4 PLL作业过程的定性分析表达式(12)是拓扑固定循环的基本方程，可获得锁定、跟踪、捕获、解锁等拓扑固定循环的各种性能指标。但是，严格求解基本方程往往更困难。表达式中已将压控振荡器的控制视为线性，但鉴相特性的非线性，基本方程是非线性方程。由于压控振荡器的固有积分作用，基本方程至少是一阶非线性微分方程。考虑回路过滤器的积分效果时，方程式可能是高级的。1.锁定状态在循环作用下，当调整控制频率差等于固有频率差时，瞬时差e(t)保持固定值，即满足状态(17)此时，拓扑固定回路被认为处于锁定状态。2.追踪程序跟踪是在锁定的前提下，当输入参考频率和相位在一定范围内并且以恒定速度变化时，输出信号的信号和相位以相同的规律跟随变化的过程称为循环的跟踪过程。3.解锁状态解锁状态是瞬时频率差r-v总是非零状态。此时回路具有频率牵引效果。4.捕获进程回路最初被锁定，但回路可以通过自身调整进入锁定的过程称为捕捉过程。2.1.5锁相环的线性分析锁相环的线性分