第10章频率合成器--魏峰

1、射频射频/ /微波电路导论微波电路导论 2西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.1 频率合成器的基本原理10.2 锁相环频率合成器PLL10.3 直接数字频率合成器DDS10.4 PLLDDS频率合成器3西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.1.1 10.1.1 频率合成器的主要指标频率合成器的主要指标除了振荡器的基本指标外，频率合成器还有其他一些指除了振荡器的基本指标外，频率合成器还有其他一些指标。经常需要考查的指标有频率、功率、相位、噪声等。标。经常需要考查的指标有频率、功率、相位、噪声等。1.1.频率有关指标频率有关指标频率稳定度频

2、率稳定度: :与振荡器的频率稳定度相同，包括时间频率稳与振荡器的频率稳定度相同，包括时间频率稳定度和温度频率稳定度。定度和温度频率稳定度。频率范围频率范围: : 工作频率范围由整机工作频率确定，输出频率工作频率范围由整机工作频率确定，输出频率与控制码一一对应。与控制码一一对应。频率间隔频率间隔: : 输出信号的频率步进长度可等步进或不等步进。输出信号的频率步进长度可等步进或不等步进。频率转换时间频率转换时间: : 频率变换的时间，通常关心最高和最低频频率变换的时间，通常关心最高和最低频率的变换时间，即最长时间。率的变换时间，即最长时间。4西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验

3、室室2.2.功率有关指标功率有关指标 输出功率输出功率: : 振荡器的输出功率，通常用振荡器的输出功率，通常用dBmdBm表示。表示。 功率波动功率波动: : 频率范围内，各个频点的输出功率最大偏差。频率范围内，各个频点的输出功率最大偏差。3.3.相位噪声相位噪声相位噪声是频率合成器的一个极为重要的指标，与频率合成器相位噪声是频率合成器的一个极为重要的指标，与频率合成器内的每个元件都有关。降低相位噪声是频率合成器的主要设计任务。内的每个元件都有关。降低相位噪声是频率合成器的主要设计任务。下面将详细讨论。下面将详细讨论。4.4.其他其他 控制码对应关系控制码对应关系: : 指定控制码与输出频率的

4、对应关系。指定控制码与输出频率的对应关系。 电源电源: 通常需要有两组以上电源。通常需要有两组以上电源。 5西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.1.2 10.1.2 频率合成器的基本原理频率合成器的基本原理1. 1. 直接频率合成器直接频率合成器直接频率合成器是早期的频率合成器。基准信号通过脉冲直接频率合成器是早期的频率合成器。基准信号通过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，经过混频、分频、倍频、形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，经过混频、分频、倍频、 滤波等进行频率的变换和组合滤波等进行频率的变换和组合，产生大量离散频率产生大量离散频率，最后取最后取出所需频率。出所需

5、频率。 6西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室例如，为了从例如，为了从10 MHz10 MHz的晶体振荡器获得为的晶体振荡器获得为1.6 kHz1.6 kHz的标准的标准信号，先将信号，先将10 MHz10 MHz信号经信号经5 5次分频后得到次分频后得到2 MHz2 MHz的标准信号，的标准信号，然后经然后经2 2次倍频、次倍频、5 5次分频得到次分频得到800kHz800kHz标准信号，再经标准信号，再经5 5次分次分频和频和100100次分频就可得到次分频就可得到1.6 kHz1.6 kHz标准信号。同理，如果想标准信号。同理，如果想获得标准的获得标准的59.5

6、MHz59.5 MHz信号，除经倍频外，还将经两次混频、信号，除经倍频外，还将经两次混频、滤波。滤波。直接频率合成方法的优点是频率转换时间短，并能产生直接频率合成方法的优点是频率转换时间短，并能产生任意小数值的频率步进。但是它也存在缺点，用这种方法任意小数值的频率步进。但是它也存在缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于采用了大量合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于采用了大量的倍频、混频、分频、滤波等电路，给频率合成器带来了的倍频、混频、分频、滤波等电路，给频率合成器带来了庞大的体积和重量，而且输出的谐波、噪声和寄生频率均庞大的体积和重量，而且输出的谐波、噪声和寄生频率均难

7、以抑制。难以抑制。7西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室1) 基本原理基本原理锁相环频率合成器的基本原理如图锁相环频率合成器的基本原理如图10 - 1 所示。压控振荡所示。压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较，器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较，当振荡频率调整到接近于基准信号的某次谐波频率时，环路当振荡频率调整到接近于基准信号的某次谐波频率时，环路就能自动地把振荡频率锁到这个谐波频率上。这种频率合成就能自动地把振荡频率锁到这个谐波频率上。这种频率合成器的最大优点是结构简单，指标可以做得较高。由于它是利器的最大优点是结构简单，指标可以

8、做得较高。由于它是利用基准信号的谐波频率作为参考频率的，故要求压控振荡器用基准信号的谐波频率作为参考频率的，故要求压控振荡器的精度必须在的精度必须在0.5fR以内，如超出这个范围，就会错误地锁以内，如超出这个范围，就会错误地锁定在邻近的谐波上，因此，选择频道比较困难。另外，它对定在邻近的谐波上，因此，选择频道比较困难。另外，它对调谐机构性能要求也较高，倍频次数越多，分辨率就越差，调谐机构性能要求也较高，倍频次数越多，分辨率就越差，因此，这种方法提供的频道数是有限的。因此，这种方法提供的频道数是有限的。 8西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-1锁相环频率合成器L

9、FV COf0fRPD9西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2) 2) 数字式频率合成器数字式频率合成器数字式频率合成器是锁相环频率合成器的一种改进形式，数字式频率合成器是锁相环频率合成器的一种改进形式，即在锁相环路中插入一个可变分频器，如图即在锁相环路中插入一个可变分频器，如图10-210-2所示。这种所示。这种频率合成器采用了数字控制的部件，压控振荡器的输出信号频率合成器采用了数字控制的部件，压控振荡器的输出信号进行进行N N次分频后再与基准信号相位进行比较，压控振荡器的输次分频后再与基准信号相位进行比较，压控振荡器的输出频率由分频比出频率由分频比N N决定。当环路

10、锁定时，压控振荡器的输出频决定。当环路锁定时，压控振荡器的输出频率与基准频率的关系是率与基准频率的关系是f= =N NfR R。从这个关系式可以看出，数字。从这个关系式可以看出，数字式频率合成器是一种数字控制的锁相压控振荡器，其输出频式频率合成器是一种数字控制的锁相压控振荡器，其输出频率是基准频率的整数倍。通过控制逻辑来改变分频比率是基准频率的整数倍。通过控制逻辑来改变分频比N，压压控振荡器的输出频率将被控制在不同的频率上。控振荡器的输出频率将被控制在不同的频率上。 10西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-2 数字式频率合成器2000鉴相器LPFAMP100A

11、MP可变分频器N2 MHzfR1 kHzfRVCO VCO600 mVf0500 kHz400.01 kHz控制逻辑5000040001 kHz11西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室例如，基准频率例如，基准频率fR1 kHz，控制可变分频比，控制可变分频比N50 00040 001，则压控振荡器的输出频率将为，则压控振荡器的输出频率将为500.00400.01 kHz(频率间隔为频率间隔为10Hz)。因此，数字式频率合成器。因此，数字式频率合成器可以通过可变分频器的分频比可以通过可变分频器的分频比N的设计，提供频率间隔小的设计，提供频率间隔小的大量离散频率。这种频率合

12、成法的主要优点是锁相环路的大量离散频率。这种频率合成法的主要优点是锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波特相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波特殊性和抑制输入信号的寄生干扰能力，节省了大量滤波器，殊性和抑制输入信号的寄生干扰能力，节省了大量滤波器，有利于集成化、小型化。另外，它有很好的长期稳定性，有利于集成化、小型化。另外，它有很好的长期稳定性，从而使数字式频率合成器有高质量的信号输出。因此，数从而使数字式频率合成器有高质量的信号输出。因此，数字锁相合成法已获得越来越广泛的应用。字锁相合成法已获得越来越广泛的应用。 12西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学

13、智能天线实验室室3. 3. 直接数字频率合成器（直接数字频率合成器（DDSDDS）直接数字频率合成技术是从相位概念出发，直接合成所需要波形直接数字频率合成技术是从相位概念出发，直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。的一种新的频率合成技术。近年来技术和器件水平的不断发展，使近年来技术和器件水平的不断发展，使DDSDDS技术得到了飞速的发技术得到了飞速的发展，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分展，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统的频率合辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统的频率合成技术，是

14、目前运用最广泛的频率合成方法。成技术，是目前运用最广泛的频率合成方法。DDSDDS以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽，频率转换时间短，合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续，可产生宽带正交信号及其他多种调频率分辨率高，输出相位连续，可产生宽带正交信号及其他多种调制信号，可编程和全数字化，控制灵活方便等方面，并具有极高的制信号，可编程和全数字化，控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。性价比。13西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智

15、能天线实验室室1) DDS的工作原理的工作原理实现直接数字频率合成实现直接数字频率合成(DDS)的办法是用一通用计算机或微的办法是用一通用计算机或微型计算机求解一个数字递推关系式，也可以在查询表上存储正型计算机求解一个数字递推关系式，也可以在查询表上存储正弦波值。现代微电子技术的发展，已使弦波值。现代微电子技术的发展，已使DDS能够工作在高达能够工作在高达500 MHz的频率上。这种频率合成器的体积小，功耗低，几乎的频率上。这种频率合成器的体积小，功耗低，几乎可以实现实时的、相位连续的频率变换，具有非常高的频率分可以实现实时的、相位连续的频率变换，具有非常高的频率分辨率，可产生频率和相位可控制

16、的正弦波。电路一般包括基准辨率，可产生频率和相位可控制的正弦波。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、相位转换电路、D/A转转换器和低通滤波器。换器和低通滤波器。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理的结构有很多种，其基本的电路原理可用图可用图10 - 3来表示，来表示， 图图 (a)是图（是图（b）的简单形式。）的简单形式。 14西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-3 DDS基本结构相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器Kfsf0(a)锁存电路LPFN位全加器地址计算单元(相位累加器)XY波形

17、存储器D/A转换器数据地址fCLK标准时钟相位增量(频率数据)fout(b)15西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室相位累加器由相位累加器由N位加法器与位加法器与N位累加寄存器级联构成。每位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲来一个时钟脉冲fs，加法器将控制字，加法器将控制字K与累加寄存器输出的累与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率

18、控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。可以看出，相位累加器在每一个时制字进行线性相位累加。可以看出，相位累加器在每一个时钟输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据钟输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的输出频率就是就是合成信号的相位，相位累加器的输出频率就是DDS输出输出的信号频率，相位累加器输出的数据作为波形存储器（的信号频率，相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址。的相位取样地址。16西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室可把存储在波形存储器内的波形抽样值（

19、二进制编码）经可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出送到查表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出送到D/AD/A转换器，转换器，D/AD/A转换器将数字形式的波形幅值转换成所要求转换器将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。改变取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。改变DDSDDS输出频输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位

20、函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。因而保持了信号相位的连续性。17西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室这个过程可以简化为三步：这个过程可以简化为三步： （1 1） 频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据或相位步进量。制数据或相位步进量。 （2 2） 相位累加器由相位累加器由N N位全加器和位全加器和N N位累加寄存器级联而成，位累加寄存器级联而成，对代表频率的二进制码进行累加运算，产生累加结果对代表频率的二进制

21、码进行累加运算，产生累加结果Y Y。 （3 3） 幅度幅度/ /相位转换电路实质上是一个波形存储器，以相位转换电路实质上是一个波形存储器，以供查表使用。读出的数据送入供查表使用。读出的数据送入D/AD/A转换器和低通滤波器。转换器和低通滤波器。 18西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2) DDS的优点的优点(1) 输出频率相对带宽较宽。输出频率相对带宽较宽。(2) 频率转换时间短。频率转换时间短。DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，因此频率转换时间是一个开环系统，无任何反馈环节，因此频率转换时间极短。极短。(3) 频率分辨率极高。大多数频率分辨率极高。大多数DDS分

22、辨率在分辨率在1Hz数量级，有许多小于数量级，有许多小于1mHz甚至更小。甚至更小。(4) 相位变化连续。改变相位变化连续。改变DDS输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。持了信号相位的连续性。(5) (5) 输出波形的灵活性。只要在输出波形的灵活性。只要在DDSDDS内部加上相应控制，即可方便灵活地实现内部加上相应控制，即可方便灵活地实现FSKFSK、PSKPSK、ASKAS

23、K和和MSKMSK等信号。另外，只要在等信号。另外，只要在DDSDDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波波形。实现各种波形输出，如三角波波形。(6) (6) 其他优点其他优点: : 由于由于DDSDDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低，体中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低，体积小，积小，重量轻重量轻， 可靠性高可靠性高，且易于程控且易于程控，使用相当灵活使用相当灵活，因此性价比极高。因此性价比极高。 19西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室3) DDS3) DDS的局限性的局限性(

24、1)(1)最高输出频率受限。由于最高输出频率受限。由于DDSDDS内部内部DACDAC和波形存储器（和波形存储器（ROMROM）的工作速度限制，使得的工作速度限制，使得DDSDDS输出的最高频率有限。输出的最高频率有限。(2)(2)输出杂散大。由于输出杂散大。由于DDSDDS采用全数字结构，不可避免地引入采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：了杂散。其来源主要有三个： 相位累加器相位舍位误差造成相位累加器相位舍位误差造成的杂散、幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散的杂散、幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和和DACDAC非理想特性造成的杂散。非理想特性造

25、成的杂散。20西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室4. PLL4. PLLDDSDDS频率合成器频率合成器DDSDDS的输出频率低，杂散输出丰富，这些因素限制了的输出频率低，杂散输出丰富，这些因素限制了它们的使用。间接它们的使用。间接PLLPLL频率合成虽然体积小，成本低，频率合成虽然体积小，成本低，各项指标之间的矛盾也限制了其使用范围。可变参考源各项指标之间的矛盾也限制了其使用范围。可变参考源驱动的锁相频率合成器对于解决这一矛盾是一种较好的驱动的锁相频率合成器对于解决这一矛盾是一种较好的方案。而可变参考源的特性对这一方案是至关重要的。方案。而可变参考源的特性对这一方案

26、是至关重要的。作为一个频率合成器的参考源，首先应具有良好的频谱作为一个频率合成器的参考源，首先应具有良好的频谱特性，即具有较低的相位噪声和较小的杂散输出。虽然特性，即具有较低的相位噪声和较小的杂散输出。虽然DDSDDS的输出频率低，杂散输出丰富，但是它具有频率转的输出频率低，杂散输出丰富，但是它具有频率转换速度快，频率分辨率高，相位噪声低等优良性能，通换速度快，频率分辨率高，相位噪声低等优良性能，通过采取一些措施可以减少杂散输出。用过采取一些措施可以减少杂散输出。用DDSDDS作为作为PLLPLL的可的可变参考源是理想方案。变参考源是理想方案。 21西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学

27、智能天线实验室室由于微电子技术的快速发展，使得由于微电子技术的快速发展，使得PLLPLL锁相环频率合成器锁相环频率合成器有了很高的集成化程度。图有了很高的集成化程度。图10-210-2所示的数字式间接频率合成所示的数字式间接频率合成器可以简化为图器可以简化为图1414所示电路。频率合成器的组成元器件有标所示电路。频率合成器的组成元器件有标准晶振频率源、频率合成器芯片、滤波器、压控振荡器、单准晶振频率源、频率合成器芯片、滤波器、压控振荡器、单片机等。片机等。 22西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-4 现代PLL的基本结构单片机晶振PLLICLPFVCO23西安

28、电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.2.1 PLL10.2.1 PLL各个部件的选购和设计各个部件的选购和设计图图10 - 410 - 4中，可以购买的专业生产厂家的产品有晶体振荡器、中，可以购买的专业生产厂家的产品有晶体振荡器、PLLPLL集成电路、单片机和集成电路、单片机和VCOVCO压控振荡器，需要设计的部分是低通滤压控振荡器，需要设计的部分是低通滤波器波器LPFLPF和单片机的程序。和单片机的程序。1. 1. 晶体振荡器晶体振荡器 目前，使用最多的标准频率源是晶体振荡器。专业生产厂家的产目前，使用最多的标准频率源是晶体振荡器。专业生产厂家的产品指标越来越高，体

29、积越来越小。常用的有恒温晶振品指标越来越高，体积越来越小。常用的有恒温晶振OCXOOCXO、温补晶、温补晶振振TCXOTCXO、数字温补、数字温补DCXODCXO。常用标准频率有。常用标准频率有10 MHz10 MHz、20 MHz20 MHz、40 MHz40 MHz等。频率稳定度可以达到等。频率稳定度可以达到1 11010-6-6，各种标准封装都有。，各种标准封装都有。24西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2. PLL2. PLL集成电路集成电路PLLPLL集成电路以国外公司生产为主，性能稳定可靠，集成电路以国外公司生产为主，性能稳定可靠，工作频率涵盖工作频率涵盖

30、VCOVCO频率。芯片内包括参考标准频率源的频率。芯片内包括参考标准频率源的分频器、分频器、VCOVCO输出信号频率的分频器、鉴相器、输出电输出信号频率的分频器、鉴相器、输出电荷泵等。两个分频器可以将标准频率和输出频率进行任荷泵等。两个分频器可以将标准频率和输出频率进行任意分频，满足频率合成器的频率分辨率要求，不同信号意分频，满足频率合成器的频率分辨率要求，不同信号经不同分频后，得到两路同频率信号，再进行比相，相经不同分频后，得到两路同频率信号，再进行比相，相位差送入电荷泵，电荷泵的输出电流与相位差成比例。位差送入电荷泵，电荷泵的输出电流与相位差成比例。进一步，输出给进一步，输出给LPFLPF

31、，控制，控制VCOVCO。25西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室3. 3. 单片机单片机单片机用来调整频率合成器的输出频率，也就是控制单片机用来调整频率合成器的输出频率，也就是控制PLLPLL芯片的芯片的逻辑关系。控制码对应关系可以是依据整机给定的控制码，也可以逻辑关系。控制码对应关系可以是依据整机给定的控制码，也可以是芯片内部软件给出的控制码。总之，计算机提供一个变换输出频是芯片内部软件给出的控制码。总之，计算机提供一个变换输出频率的指令。率的指令。4. 4. 压控振荡器压控振荡器(VCO)(VCO)压控振荡器输出所需要的射频压控振荡器输出所需要的射频/ /微波信号

32、。微波信号。VCOVCO的基本原理在第的基本原理在第9 9章有介绍，它就是一个变容管调谐振荡器。为了实现宽范围调谐，章有介绍，它就是一个变容管调谐振荡器。为了实现宽范围调谐，通常要求较高的电压，供电电源为通常要求较高的电压，供电电源为12 V12 V或更高。在频率合成器中，或更高。在频率合成器中，VCOVCO的压控电压来自低通滤波器，与的压控电压来自低通滤波器，与PLLPLL芯片的输出电流有关。芯片的输出电流有关。26西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室5. 5. 低通滤波器低通滤波器(LPF)(LPF)现代频率合成器的设计中，硬件的主要工作就是低通滤现代频率合成器的设

33、计中，硬件的主要工作就是低通滤波器，直接影响到频率合成器的相位噪声和换频速度。因波器，直接影响到频率合成器的相位噪声和换频速度。因为其他元件在选购时，特性指标已经确定，所能调整的就为其他元件在选购时，特性指标已经确定，所能调整的就是低通滤波器。低通滤波器在频率合成环路中又被称为环是低通滤波器。低通滤波器在频率合成环路中又被称为环路滤波器。低通滤波器通过对电阻电容进行适当的参数设路滤波器。低通滤波器通过对电阻电容进行适当的参数设置，使高频成分被滤除。由于鉴相器置，使高频成分被滤除。由于鉴相器PDPD的输出不但包含直的输出不但包含直流控制信号，还有一些高频谐波成分，这些谐波会影响流控制信号，还有一

34、些高频谐波成分，这些谐波会影响VCOVCO电路的工作。低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，电路的工作。低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，以防止对以防止对VCOVCO电路造成干扰。这个低通滤波器是低频滤波电路造成干扰。这个低通滤波器是低频滤波器。滤波器的结构可以是无源器。滤波器的结构可以是无源RCRC滤波器，也可以是有源运滤波器，也可以是有源运放低通，其原理简单，调试较困难。放低通，其原理简单，调试较困难。27西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图图10-510-5给出了三种低通滤波器结构，图（给出了三种低通滤波器结构，图（a a）为运放）为运放积分器，有一定的直流增益

35、，称为二类积分器，有一定的直流增益，称为二类PLLPLL；图（；图（b b）也）也有增益，为一类有增益，为一类PLL; PLL; 图（图（c c）是无源的，输出电流而不）是无源的，输出电流而不是电压，属二类是电压，属二类PLLPLL。尽管电路简单，但对环路的影响。尽管电路简单，但对环路的影响很大。设计或调试不当，会引起环路不稳或难于锁相。很大。设计或调试不当，会引起环路不稳或难于锁相。滤波器的转换函数为滤波器的转换函数为)()(csbssassF （10 - 1） 28西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-5 三种低通滤波器RsCRinUPDUtuneUPDRi

36、nRsRpCUtuneUtuneR1R2C(a)(b)(c)UPD滤波器的设计就是滤波器的设计就是R和和C的选定。后面将详细讨论如的选定。后面将详细讨论如何考虑选取何考虑选取R和和C的值，才能得到比较理想的的值，才能得到比较理想的PLL频率合频率合成器。成器。29西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.2.2 PLL10.2.2 PLL的锁定过程的锁定过程 举个简单的锁相环例子说明上述部件的配合过程。举个简单的锁相环例子说明上述部件的配合过程。 假定最初环没有被锁定，参考频率是假定最初环没有被锁定，参考频率是100 MHz100 MHz。把。把VCO VCO 的电压调

37、到的电压调到5 V5 V，输出频率为，输出频率为100 MHz100 MHz。鉴相器能产生。鉴相器能产生1 1 V V峰峰- -峰值的余弦波。峰值的余弦波。使用一类环路滤波器，如图使用一类环路滤波器，如图10 - 6 10 - 6 所示，它在低频所示，它在低频时增益为时增益为100100，在高频时增益为，在高频时增益为 0.10.1。 30西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-6 一类环路滤波器及其响应特性60dB20(b)UPDRinRsRpCUtune(a)kHz31西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室环路没有锁定时，环路没有锁定时，

38、VCOVCO的工作频率可能在工作范围内的工作频率可能在工作范围内的任何位置。假定工作频率为的任何位置。假定工作频率为 101 MHz101 MHz， 在参考频率在参考频率工作的前提下，在鉴相器输出端有工作的前提下，在鉴相器输出端有1 MHz1 MHz的差频，对环的差频，对环路滤波器而言，这个频率是高频，滤波器的增益只有路滤波器而言，这个频率是高频，滤波器的增益只有0.10.1。在。在VCO VCO 的电压上有鉴相器的输出的电压上有鉴相器的输出0.1 V0.1 V的峰的峰- -峰值峰值的调制，但这个电压对的调制，但这个电压对VCOVCO频率影响不大。频率影响不大。32西安电子科技大西安电子科技大

39、学智能天线实验学智能天线实验室室如果如果VCO VCO 频率距离参考频率越来越远，环内就没有足频率距离参考频率越来越远，环内就没有足够的增益将环锁定。如果够的增益将环锁定。如果VCOVCO频率是频率是100.1 MHz100.1 MHz，差频就，差频就是是100 kHz100 kHz，使环路滤波器处在高增益频率范围是恰当，使环路滤波器处在高增益频率范围是恰当的。调节的。调节VCOVCO频率可增大差频电压。随着频率可增大差频电压。随着VCOVCO的频率接近的频率接近参考频率，差频变得更低，它进入了环滤波器的高增益参考频率，差频变得更低，它进入了环滤波器的高增益范围，加速了范围，加速了VCOVCO

40、频率的改变，直到它和参考频率相同。频率的改变，直到它和参考频率相同。此时，差频是此时，差频是0 0。锁定后，锁相环成为一个稳定的闭合。锁定后，锁相环成为一个稳定的闭合环路系统，环路系统，VCOVCO频率与参考频率相同。鉴相器输出瞬时频率与参考频率相同。鉴相器输出瞬时电压与电压与VCO VCO 输出瞬时电压如图输出瞬时电压如图10-710-7（a a）和（）和（b b）所示。）所示。33西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-7 鉴相器和VCO输出电压瞬时值(a)(b)34西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室鉴相器的输出电压与两路输入电压的关

41、系为鉴相器的输出电压与两路输入电压的关系为2Ue=kUaUb cos () （10 - 2） 当锁相环频率锁定时，当锁相环频率锁定时，VCO输入电压达到输入电压达到5 V。因为环滤。因为环滤波器的增益为波器的增益为100，故鉴相器输出的电压为，故鉴相器输出的电压为Ue=-50 mV， 鉴鉴相器最大电压是相器最大电压是1 V峰峰-峰值，由式（峰值，由式（10 - 1）得鉴相器的输）得鉴相器的输出相位为出相位为95.7，环路滤波器保持，环路滤波器保持VCO输出为输出为100 MHz，并维持鉴相器两端信号有并维持鉴相器两端信号有 95.7 的相位差。的相位差。35西安电子科技大西安电子科技大学智能天

42、线实验学智能天线实验室室振荡器在一个周期的相位移为振荡器在一个周期的相位移为360，在一个特定的，在一个特定的时间，时间， 如果频率增大，会积累更多的相位移。如果如果频率增大，会积累更多的相位移。如果VCO的频率改变的更多，将快速地积累更多的相位移。的频率改变的更多，将快速地积累更多的相位移。鉴相器输出电压上升，环路滤波器会增强这个改变量并鉴相器输出电压上升，环路滤波器会增强这个改变量并且降低且降低VCO的控制电压，的控制电压，VCO 输出频率会降到输出频率会降到100 MHz， VCO频率偏低的情况与此类似。这个控制过程频率偏低的情况与此类似。这个控制过程是能够维持下去的。由于温度、是能够维

43、持下去的。由于温度、 噪音、噪音、 地心引力等外地心引力等外部因素引起的部因素引起的VCO频率微小改变，锁相环也能够稳定地频率微小改变，锁相环也能够稳定地输出。鉴相器输出一个误差电压，环路滤波器将使它增输出。鉴相器输出一个误差电压，环路滤波器将使它增强，强，VCO频率和相位将回到正确值。环的矫正作用就是频率和相位将回到正确值。环的矫正作用就是保持频率和相位为恒量。保持频率和相位为恒量。 36西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.2.3 PLL10.2.3 PLL环的分类环的分类锁相环是一个受负反馈控制的闭环系统。闭环增益锁相环是一个受负反馈控制的闭环系统。闭环增益H

44、(sH(s) )为为 (10-3)(10-3)式中，式中，G(sG(s) ) 是开环增益，是开环增益，G(s)NG(s)N是环增益。开环增益是环增益。开环增益是鉴相器增益、环路滤波器增益和是鉴相器增益、环路滤波器增益和VCOVCO增益的产物，增益的产物，N N是是分频比。分频比。NsGsGsH)(1)()(37西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室式式(10-3)(10-3)的分母多项式的整数个数（或频率极点数）决的分母多项式的整数个数（或频率极点数）决定系统的种类，定系统的种类， 可以用直流增益无限大的运放积分器来实可以用直流增益无限大的运放积分器来实现。显然，最大增益

45、为现。显然，最大增益为1 1的无源滤波器难以实现这个功能。的无源滤波器难以实现这个功能。VCOVCO是一个纯相位积分器，为分类提供一个极点，所以，是一个纯相位积分器，为分类提供一个极点，所以，PLLPLL至少为一类。如果环路滤波器为有限直流增益，将不会至少为一类。如果环路滤波器为有限直流增益，将不会改变改变PLLPLL的类型。用无限增益积分器，就会得到二类的类型。用无限增益积分器，就会得到二类PLLPLL。锁相环的阶数是式锁相环的阶数是式(10 - 3)(10 - 3)的分母多项式幂次数。环路的分母多项式幂次数。环路滤波器的运放至少有两个重要的节点，一个在滤波器的运放至少有两个重要的节点，一个

46、在1 1100 kHz100 kHz之间，另一个在之间，另一个在10MHz 10MHz 以上。在压控范围内，以上。在压控范围内，VCOVCO有频率滚有频率滚降降，可在鉴相器输出端加一个低通滤波器可在鉴相器输出端加一个低通滤波器，进一步降低不进一步降低不必要的高频信号。必要的高频信号。 38西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室前述例子使用了一类环，惟一的纯相位积分器是前述例子使用了一类环，惟一的纯相位积分器是VCOVCO，因，因此只有一个极。环路滤波器增益为此只有一个极。环路滤波器增益为100100。如果。如果VCOVCO增益是增益是1 1 MHz/VMHz/V，参考频率

47、改变到，参考频率改变到103 MHz103 MHz，VCOVCO调谐电压将是调谐电压将是8 V8 V。考虑考虑-100-100的增益，鉴相器电压就是的增益，鉴相器电压就是 。 当参考频率为当参考频率为100 MHz100 MHz时，相位差为时，相位差为99.799.7，比，比95.795.7更超更超前。前。VCOVCO与参考频率的相位差是与参考频率的相位差是95.795.7。如果参考频率继续。如果参考频率继续改变，改变，VCOVCO也会改变来匹配它，鉴相器输出电压也改变。这也会改变来匹配它，鉴相器输出电压也改变。这是一个重要的特性是一个重要的特性，有时需要有时需要，有时则不需要有时则不需要，实

48、际中要实际中要灵活掌握。灵活掌握。 mVUe80100839西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 如果环路滤波器的增益为如果环路滤波器的增益为10001000，要使，要使100 MHz100 MHz时锁定，时锁定，鉴相器的输出电压只能是鉴相器的输出电压只能是 -5 mV-5 mV，要使，要使103 MHz103 MHz时锁定，时锁定，鉴相器输出电压是鉴相器输出电压是-8 mV-8 mV，对应的相位差分别为，对应的相位差分别为90.5790.57和和90.9290.92。如果直流增益进一步增大，伴随频率的相。如果直流增益进一步增大，伴随频率的相位差变化将进一步减小。如果增

49、益增加到极限直流反馈位差变化将进一步减小。如果增益增加到极限直流反馈电阻，电阻，R Rp p将接近开路，并且环路滤波器直流增益将是无将接近开路，并且环路滤波器直流增益将是无穷大。图穷大。图10 - 510 - 5（b b）所示的环路滤波器变成图）所示的环路滤波器变成图10-510-5（a a），此时，环路滤波器是一个独立的积分器。包含），此时，环路滤波器是一个独立的积分器。包含环路滤波器的锁相环积分器总数是两个环路滤波器的锁相环积分器总数是两个: :一个是一个是VCOVCO，另，另一个是环路滤波器。环路滤波器用在锁相环内产生二类一个是环路滤波器。环路滤波器用在锁相环内产生二类环。这个环的特性是

50、随着频率的变化在环。这个环的特性是随着频率的变化在VCOVCO与参考频率与参考频率间仍保持一个恒定的相位移。间仍保持一个恒定的相位移。40西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室目前，大量使用的是一类环和二类环。三类环和更高目前，大量使用的是一类环和二类环。三类环和更高的环用于解决特殊情况下的频率改变问题。如卫星发射的环用于解决特殊情况下的频率改变问题。如卫星发射的各个阶段引起频率变化的因素不同，要保证卫星的微的各个阶段引起频率变化的因素不同，要保证卫星的微波源频率稳定，就应对各个阶段的情况进行控制，这时波源频率稳定，就应对各个阶段的情况进行控制，这时需用到三类以上的锁相环

51、。需用到三类以上的锁相环。41西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.2.4 PLL10.2.4 PLL设计公式设计公式 前面了解了锁相环原理，环路滤波器和其他部分的前面了解了锁相环原理，环路滤波器和其他部分的元件值必须仔细地选择，才能组成一个稳定的环路。这元件值必须仔细地选择，才能组成一个稳定的环路。这些元件值都可以用基本闭环等式来分析和综合。些元件值都可以用基本闭环等式来分析和综合。 如图如图10 - 810 - 8所示，锁相环系统模型由鉴相器、环路所示，锁相环系统模型由鉴相器、环路滤波器、滤波器、VCOVCO和分频器组成。和分频器组成。 每一部分可用一个恒定的增

52、益或者频率函数的增益每一部分可用一个恒定的增益或者频率函数的增益值来描述。闭合回路频率响应的预期特性是值来描述。闭合回路频率响应的预期特性是: : 最小频率最小频率为为 1 Hz1 Hz，最大频率在，最大频率在10 kHz10 kHz和和10 MHz10 MHz之间。之间。42西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-8 锁相环回路频域分析KPDF(s)UeUtuneKVCO/sNUinUout43西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室通过计算节点通过计算节点U Ue e和和U Uo o的电压关系，可得出负反馈系统的电压关系，可得出负反馈系统的

53、闭合回路增益的表达式。图中，的闭合回路增益的表达式。图中，K KPDPD为鉴相器增益，为鉴相器增益， F(sF(s) )是放大器环路滤波器表达式，是放大器环路滤波器表达式，K KVCOVCO/s/s是是VCOVCO增益，可增益，可得误差电压和输出电压为得误差电压和输出电压为sFsFKKNUUUKNUUUVCOPDPDinPDine)()()(000(10 - 4) (10 - 5) 44西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室所以所以，电压转移函数为电压转移函数为 如果如果G(s)很大时很大时，有有 这些闭环增益的表达式可用来决定环路滤波器的带宽这些闭环增益的表达式可用来决

54、定环路滤波器的带宽和阻尼比。首先假定使用二类环，因为频率最高，容易和阻尼比。首先假定使用二类环，因为频率最高，容易得出滤波器转移函数为得出滤波器转移函数为NsGsGNKsFKKsFKUUsHVCOPDVCOPDino/ )(1)(/ )(1)()(10 - 6) NsH)(1)(/)/()/1/()(sCRRRRsCRRRRsCRRsFspinpinspinsp(10 - 7) 45西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室开环增益为开环增益为 对于一类锁相环，对于一类锁相环， R Rp p，则，则 (10-9) sKKsFsGCOVPD)()(10-8)sCRsCRsFin

55、s1)(46西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室把式把式(10-8)(10-8)和式和式(10-9)(10-9)代入闭环锁相环的增益公式代入闭环锁相环的增益公式(10-6)(10-6)，得，得分母可改成控制理论中常见的形式分母可改成控制理论中常见的形式: s: s2 2+2+2n ns+s+2 2n n，其中其中n n是系统的特征频率，是系统的特征频率，是阻尼因数，是阻尼因数，)()(1)()()(2SPinpVCOPDspsPinVCOPDspspinpspVCOPDRRCNRRKKRRRRNRKKRRCssRRCRRsCRRKKsH47西安电子科技大西安电子科技大学

56、智能天线实验学智能天线实验室室sPninsVCOPDsPinPVCOPDnRRNRRKKCRRCNRRKK21)(当Rp时，二类锁相环的特征频率和阻尼因子分别为 innsVCOPDinVCOPDnNRRKKCNRKK2 (10 - 13) (10 - 14) (10 - 12) (10 - 11) 48西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室阻尼因子阻尼因子和特征频率和特征频率n n确定以后，即可决定电路确定以后，即可决定电路元件。为了简单，定义元件。为了简单，定义滤波器在直流的响应为滤波器在直流的响应为重新整理，重新整理， 得出得出 NKKKVCOPDtinPdcRRF

57、(10 - 15) (10 - 16) nsdctnndctspRFKCCFKRR2212 (10 - 17) 49西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室调整式（10 - 17），得 )(22122PnndctnndctRCKtFdcFKCCFK (10-18) 有了阻尼比和特征频率，选定C和直流增益的值后，就可以得出阻抗值 dcpinPndctsdcnnttPFRRRCFKRFNKtFdcKCKR22)12(1 (10-19) (10-20) (10-21) 50西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 令令R Rp p，可以得出二类环的计算公式。，

58、可以得出二类环的计算公式。可以想象，可以想象， 阻尼因子阻尼因子和特征频率和特征频率n n有一个最佳配合。有一个最佳配合。先选定特征频率，以阻尼因子为参变量，计算出不同的衰先选定特征频率，以阻尼因子为参变量，计算出不同的衰减曲线，如图减曲线，如图10 - 9 10 - 9 所示。可以看出，特征频率为所示。可以看出，特征频率为1Hz1Hz，当当小于小于1 1时，锁相环是欠阻尼且产生最高点，衰减慢时，锁相环是欠阻尼且产生最高点，衰减慢; ; 当当大于大于1 1时，锁相环是过阻尼，衰减快。如果要求时，锁相环是过阻尼，衰减快。如果要求等等于于1.01.0，衰减为，衰减为-3dB-3dB，则特征频率是，

59、则特征频率是2.4 Hz2.4 Hz。如果要求。如果要求50kHz50kHz有有-3dB衰减衰减，且且等于等于1.0，则特征频率为则特征频率为20.833 kHz。 51西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 10-9 以阻尼因子为参变量的PLL响应曲线86420246810121618200.10.20.3 0.40.6 0.81.0234681012345620 dB/decade14/nB(s)0.3 0.5 0.707 1.02.0 5.012345652西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室10.2.5 10.2.5 环路设计实例环路设计

60、实例设计实例一：设计实例一：锁相环输出频率为锁相环输出频率为 1600 MHz1600 MHz，参考频率为，参考频率为100 MHz100 MHz。电路如图电路如图10 - 10 10 - 10 所示，构成单元有分频器、鉴相器和所示，构成单元有分频器、鉴相器和二类环路滤波器。二类环路滤波器。VCOVCO的调谐斜率为的调谐斜率为1 MHz/V1 MHz/V，鉴相器输，鉴相器输出余弦波，最高点是出余弦波，最高点是100 mV100 mV。滤波器的频率为。滤波器的频率为100 kHz100 kHz，3 dB3 dB带宽时，阻尼因子是带宽时，阻尼因子是1 1。(1) (1) 用用100 100 pFp