基于PLL的頻率合成器的設(shè)計(jì)

劉 倩

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、引言

頻率合成器是將一個(gè)高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源[1]，經(jīng)過混頻、倍頻和分頻等對(duì)它進(jìn)行加、減、乘、除四則運(yùn)算來最終產(chǎn)生大量的具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源，頻率合成器已經(jīng)在電子等多領(lǐng)域得到廣泛的使用，尤其在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、測(cè)量、儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。由于我國通信業(yè)快速發(fā)展,移動(dòng)通信IC芯片需求發(fā)展很快。國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)頻率合成器的需求很大，開發(fā)鎖相式頻率合成器具有積極的意義。

二、頻率合成器技術(shù)與鎖相環(huán)原理

（一）頻率合成的基本方法

頻率合成的基本方法有以下三種[9]：

1、直接頻率合成（DS）:直接頻率合成是最早的頻率合成方法。將濾波器調(diào)諧到所需輸出的頻率上就可以得到需要的頻率。這種方法要求選擇性很高的濾波器。

2、鎖相頻率合成（IS）:直接頻率合成所固有的缺點(diǎn)，在應(yīng)用鎖相環(huán)路（PLL）的頻率合成（常稱為間接合成）中就大大減少了。

3、直接數(shù)字頻率合成（DDS）:直接數(shù)字頻率合成器的體積小、功率低，并且能以實(shí)際上是即時(shí)的、相位連續(xù)的頻率變換，給出非常高的頻率分辨力。

（二）頻率合成的主要性能指標(biāo)[10]

頻率合成器的性能需一系列指標(biāo)來表征。但不同用途的合成器，其性能差異很大，這里僅介紹一些必可少的基本指標(biāo)：頻率范圍、頻率分辨力、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、頻譜純度。

（三）鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)（PLL）是一個(gè)相位跟蹤系統(tǒng)。它包括三個(gè)基本部件：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。在鎖相環(huán)的反饋支路中，插入一個(gè)分頻器就可構(gòu)成一個(gè)最基本的單環(huán)鎖相頻率合成器。基本的鎖相環(huán)由下列各部分組成：

1、鑒相器

鑒相器（PD）又稱相位比較器，它是用來比較兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差θe(t)。鑒相器輸出的誤差信號(hào)P/(P+1)是相差θe(t)的函數(shù)，即

2、環(huán)路濾波器ud(t)

在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器起著至關(guān)重要的作用，它可以濾除誤差電壓或電流中的高頻分量和噪聲，將誤差電流分量轉(zhuǎn)化為誤差電壓分量，以保證環(huán)路所需要的性能，增加環(huán)路穩(wěn)定性。

3、壓控振蕩器

壓控振蕩器就是震蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件，是一種電壓一頻率轉(zhuǎn)換器。壓控振蕩器的技術(shù)指標(biāo)：中心頻率、頻偏范圍、壓控線性度、頻率穩(wěn)定度及相位噪聲。

（三）MC145152－2 芯片的簡(jiǎn)介

MC145152－2的工作原理：參考振蕩器信號(hào)經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號(hào)。壓控振蕩器信號(hào)經(jīng)雙模（P/(P+1)）分頻器分頻，再經(jīng)A、N計(jì)數(shù)器分頻器后形成fV信號(hào)，fV=fVCO/(NP+A)。fR信號(hào)和fV信號(hào)在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(hào)（ΦR、ΦV）經(jīng)低通濾波器形成直流信號(hào)，直流信號(hào)再去控制壓控振蕩器的頻率。

圖1 MC145152-2的原理框圖

當(dāng)整個(gè)環(huán)路鎖定后，fV=fR且同相，fV=fVCO/（NP+A），fV=（NP+A）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。

三、振蕩器實(shí)現(xiàn)

VCO電路圖如下所示，在電路圖中加入電容Cd，避免了電感對(duì)變?nèi)荻O管的直流短路作用:

圖2 壓控振蕩器

理論上計(jì)算出的VCO振蕩頻率值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如下表1所示：

表1 震蕩頻率值

圖3為一頻率合成其中壓控振蕩器輸出的頻率通過雙模預(yù)分頻器MC12017預(yù)分頻，輸出到可編程行輸入鎖相環(huán)MC145152中單片機(jī)通過I/O口對(duì)MC145152進(jìn)行編程以改變其計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值，從而改變分頻比，鑒相器雙輸出端輸出的誤差信號(hào)和輸入到由LM358雙端輸入的有源低通濾波器，其中R10、R18、R12、C16等構(gòu)成有源濾波器輸入電路的RC低通環(huán)節(jié)，而R11、C17構(gòu)成有源濾波器的高反饋環(huán)節(jié)。由D1和C14、R9、C15網(wǎng)絡(luò)組成的峰值檢波器將有源濾波器輸出的誤差電壓進(jìn)一步平滑后，直接對(duì)MC3363中的壓控振蕩器進(jìn)行控制，構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)控鎖相環(huán)。單片機(jī)接收人工調(diào)整、設(shè)置的數(shù)值，并對(duì)MC145152的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值進(jìn)行不同的預(yù)置，以鎖定不同的頻率，達(dá)到改變不同頻點(diǎn)信號(hào)的目的。對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)A/D到單片機(jī)后，再輸入到字符顯示器中顯示信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。

四、結(jié)束語

圖3 頻率合成器總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了壓控振蕩器VCO設(shè)計(jì)了其工作電路，具有頻率范圍廣、可程控性強(qiáng)、步進(jìn)率小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，便于集成推廣；使用鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片MC145152-2連接相應(yīng)的前置分頻，環(huán)路濾波和壓控振蕩電路構(gòu)成一個(gè)頻率合成器，使該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩(wěn)定度。

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