湖工大-微波锁相振荡器的设计

1、 湖南工业大学 课 程 设 计资 料 袋 湖南工业大学 学院（系、部） 2015 2016 学年第 二 学期 课程名称 微波通信 指导教师 学生姓名 专业班级 通信1302班 学号 题 目 微波锁相振荡器的设计 成 绩 起止日期2016 年 5 月 30 日2016年6月 17 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张456湖南工业大学课程设计任务书2015 2016 学年第 二 学期 计算机与通信 学院 通信工程 专业 1302 班级课程名称： 微波通信 设计题目： 微波锁相振荡器的设计 完成期限：自 2016 年5月 30 日至

2、2016 年6月 17日共 1 周内容及任务一设计目的1.了解微波锁相振荡器的基本原理与设计方法，加深对基本锁相环工作原理的理解。2.熟悉微波锁相环数字频率合成器的电路组成与工作原理，测量以了解微波锁相振荡器的特性。3.学会使用微波软件对射频微波锁相振荡器的设计和仿真，并分析结果。二、设计内容1、 测量输入参考信号的波形，确定参考分频比。2、 测量MC145151DE频率输入端（1端）的波形。3、用频谱仪测量在不同偏离载波时输出信号的相位噪声以及谐波电平值。微波输出频率4、 中为微波输出频率，N为程序分频比，为参考频率，R为参考分频比。5、 在本设计中 N=5、R8、进度安排起止日期工作内容2

3、016.5.30分组、任务分配、课题理解2016.5.306.8功能分析、电路设计2016.6.9-6.15实验验证和测试2016.6.16-6.17总结、书写实验报告参考资料1 王福生、李延平微波技术与天线：电子工业出版社2 王福昌、鲁昆生锁相技术武汉：华中科技出版社3 刘明亮振荡器的原理和应用（第一版）北京：高等教育出版社指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日微波通信 课程设计说明书微波锁相振荡器的设计起止日期： 2016年 5月30日 至 2016年 6月 17 日学生姓名 班级通信1302班学号成绩指导教师(签字)计算机与通信学院2016年 6月 17日课

4、题名称微波锁相振荡器的设计人数6人组长组员内容及任务一设计目的1.了解微波锁相振荡器的基本原理与设计方法，加深对基本锁相环工作原理的理解。2.熟悉微波锁相环数字频率合成器的电路组成与工作原理，测量以了解微波锁相振荡器的特性。3.学会使用微波软件对射频微波锁相振荡器的设计和仿真，并分析结果。二、设计内容3、 测量输入参考信号的波形，确定参考分频比。4、 测量MC145151DE频率输入端（1端）的波形。3、用频谱仪测量在不同偏离载波时输出信号的相位噪声以及谐波电平值。微波输出频率6、 中为微波输出频率，N为程序分频比，为参考频率，R为参考分频比。在本设计中 N=5、R8、进度安排起止日期工作内容

5、2016.5.30分组、任务分配、课题理解2016.5.306.8功能分析、电路设计2016.6.9-6.15实验验证和测试2016.6.16-6.17总结、书写实验报告参考资料1 王福生、李延平微波技术与天线：电子工业出版社2 王福昌、鲁昆生锁相技术武汉：华中科技出版社3 刘明亮振荡器的原理和应用（第一版）北京：高等教育出版社指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日微波锁相振荡器的设计1、 锁相环1. 1锁相环的概念我们所说的 PPL，其实就是锁相环路，简称为锁相环。许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的

6、。锁相环路是一种反馈控制电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。PPL通过比较外部信号的相位和由压控晶振的相位来实现同步的，在比较的工程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。通过锁相环同步多块板卡的采样时钟 所需要的编程技术会根据您所使用的硬板卡的不同而不同。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。1. 2 锁相环的工作原理锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。压 控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与PP

7、LIC 所产生的本振信号 作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PPLIC 的电压输出端的电压发生变化，去控制 VCO，直到相位差恢复达到锁频的目的能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。PPL 通过比较外部信号的相位和由压控晶振的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。其原图如下所示：VCO微波压控振荡器前置分频器UPB586MC145151前置单模分频器环路滤波器外置参考晶体 图1-1 微波锁相环路框图图1-2 微波锁相环路原理框图1. 3 锁相环的

8、基本组成简单的 PPL 由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波棒和压控振荡器组成锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，井将检测出的相位差信号转换成 uD (t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 uC (t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因此锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作过程中，当输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常出

9、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。1. 4 锁相环的用途锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、简历位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。如今锁相环在彩色电视机，移动电话等多方面都得到运用 。二、 压控振荡器的原理压控振荡器为频率可调的振荡器，它的设计是基于振荡器振荡电路的实现为基础的。振荡器产生连续、重

10、复的周期性信号输出，和其它的电路输出是输入信号的放大或整形不同，振荡器电路在持续不断的输出时并不存在着输入。电压控制振荡器是输出信号的频率随输入控制电压变化的振荡器。控制振荡器频率的变化大致可以通过以下几种方法来实现：(1）改变振荡器的电阻、电感、电容等无源元件参数。（2）改变振荡器的有源器件参数。（3）改变振荡器定时元件的充放电电压值或电流值等。振荡器的组成形式有非常多样的变化，但从总体上来说，我们把振荡器暂且可以分成两大类：(1)调谐振荡器，产生接近正弦波的输出 。（2）多谐振荡器，产生方波或者三角波的输出。2. 1 调谐压控振荡器调谐振荡器系统一般由两部分基本电路组成：一个放大器提供必要

11、的信号增益；一个反馈网络使得部分的放大器输出返回到输入。图 2-1给出反馈振荡系统的简图。图2-1反馈振荡系统简图按照反馈环的信号流程我们可以得出 因此反馈环的总的闭环增益为电路要起振，在幅度上，闭环增益必须是单位 l或者更大，这样电路可以保持振荡并且与输入信号的电压 Vs 的大小无关。即在相位环路还必须满足在满足以上幅度条件和相位条件后，振荡器才能振荡。2. 2 多谐压控振荡器多谐振荡器也称为张弛振荡器，和由LC谐振频率决定振荡频率的LC振荡器不同，多谐振荡器在两个暂稳态之间不停转换，并且电路对储能元件不停地充放电，这种转换和充放电是周期性的，周期的长短就决定多谐振荡器频率的大小。多谐振荡器

12、的一般工作工程为：电路工作时没有稳态，只有两个暂稳态。暂稳态之间跳变的电平称为门限电平。启动后，电路处在某一暂稳定状态，电路就会给储能元件电容充电，当电容上的点位达到门限电平值肘，电路发生跳变，转换到另一个暂稳定状态。然后电容反方向充电，当点位达到另一个门限电平时，电路 再次发生跳变，电路返回原来的暂稳态，如此循环不己，形成振荡。多谐振荡器在储能元件上的输出波形通常是线性或者指数规律变化的锯齿波，在开关元件两 端则输出矩形方波。多谐振荡器的电路实现形式有许多种，按照充电的方式不同，我们可以简单 的把它们分成两类，RC 张弛振荡器和恒流充放电振荡器。RC 张弛振荡器是通过 电阻对定时电容进行充放

13、电：恒流充放电振荡器是用一个恒流源对定时 电容进行 充放电。恒流充放电振荡器的基本电路结构如下图 2-2 所示：图2-2 恒流充放电振荡器基本结构三、电路设计与测试结果3.1 电路设计简单的说，PLL (Phase Locked Loop，锁相环）电路基本由三大部分组成：1. 锁相电路2. 压控振荡器3. 环路滤波器 1）锁相电路鉴相器选择单相集成锁相环芯片HMC704LP4E、集成VCO芯片V940ME24-LF和环路滤波器。同时该芯片具有外围电路设计简单，减少了负杂的电路设计。 2）电压控制振荡器（VCO）设计锁相环的输出频率主要由VCO决定，除此之外，对VCO的相位噪声指标、输出功率、杂

14、散和体积等指标加以考虑。轧空振荡器选择Z-COMMUNICATIONS的VCO芯片V940ME24-LF，其工作频率为5500MHZ5800MHZ，输出功率为0dbm，增益系数为30MHZ/V。供电简单仅需5V，外部原件仅需要一些旁路退耦电容，且体积小，其相噪声指标如图3-1：图3-1 V940ME24-LF的相噪声指标3) 环路滤波器设计环路滤波器是设计是锁相环设计的重要环节，无源滤波器对于有源滤波器来说，附加噪声更低，只要是通过改变电阻和电容的值来改变环路滤波器带宽，本电路中环路滤波器的带宽是50KHZ，具体设计如图3-2所示：图3-2 环路滤波器 环路滤波器的传递函数为：式中所以电阻电容

15、值为: 4）电源部分的设计对于高频电路，电源的影响很大，凡是遇到电源的部分都需要滤波。例如：接入+5V电源滤波图3-3 HMC860LP3E电源模块电路设计5）衰减器的设计由于经过放大器后的射频信号功率还是很大，不能直接接入鉴相器ADF4106，需要通过衰减器，具体电路设计如图3-3所示：图3-4 衰减器的电路仿真图6）功率分配电路设计经过VCO出来的射频信号一部分进入到鉴相进行相位锁定，一部分作为输出，所以需要设计功率分配电路，具体设计如图3-4所示：图3-5 功率分配的电路仿真图3.2 测试结果采用AV4051信号源分析仪对该微波振荡器的相位噪声、杂散进行测试，测试频率为5.6GHZ，分别

16、测试了环路滤波器宽带在10KHZ、50KHZ和100KHZ时微波振荡器的相位噪声和杂散指标，测试结果如图3-6、3-7、3-8所示。显然，在环路带宽为50KHZ左右是，锁相环的相位噪声指标是最优的，与锁相环相位噪声计算结果是吻合的。图3-6 环路滤波器带宽10KHZ时相位噪声和杂散指标图3-7 环路滤波器带宽50KHZ时相位噪声和杂散指标图3-8 环路滤波器带宽100KHZ时相位噪声和杂散指标四、系统性能分析锁相振荡器的主要特点包括：1. 参考频率：稳定、精确的基准频率，RF输出将锁相于该频率：通常源于晶振或温度控制晶体振荡器（TCXO）。2.鉴频鉴相器（PFD）：从参考信号和反馈信号中产生相

17、位误差信号。3. 电荷泵：将误差信号转换为与相位误羞成比例的正负电流脉冲串。4. 环路滤波器：对来自电荷泵的电流脉冲求积分，向VCO调谐端口提供干净的电压。5. VCO：根据调谐端口上的电压（Vtune），输出一个频率。VCO具有增益KV,用MHz/V表示。VCO输出频率与输入控制电压的基本关系表达式为fo=fc+Kv (Vtune），其中fc为VCO偏移频率。6. N分频器：将输出频率倍除为PFD或参考频率。可以简单地采用整数倍除，也可以采用小数倍除（小数N分频器），采用后者的越来越多。小数分频器的实施很简单，只需切换整数分频器的除数便可获得小数平均值（例如，要获得平均值4.25，可以计数到

18、4三次并计数到5一次：这样就计数了17个脉冲，并生成了4个脉冲，因此频率比为17/4 = 4.25）。实践中，借助高分辨率噪声整形转换器所用的技术可以实现更好的效果。因此，小数方法通常采用-结构实施，它具有杂散频率少的优势。五、电路调试由上面的数据和图标可以看出，经过测试后，相噪指标与理论计算能很好的吻合，且达到整机要求。输出频率5.5GHZ5.7GHZ，相位噪声为-105.51dbc/Hz10KHz, -110.91dbc/Hz100KHz,杂散优于-70dbc，满足系统。六、心得体会整个设计通过了原理和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际

19、性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于微波锁相振荡器的设计而言，其原理是比较简单的，主要是解决硬件设计中的问题，而硬件设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在思想上面的。很多小模块是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个小模块才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。因此可以说系统的设计是理论和实践的结合，二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一