頻率自動(dòng)控制技術(shù)

龍璋 黃凱 牛軍偉

【摘要】隨著電子科技的蓬勃發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品不斷問世，為滿足人類社會(huì)發(fā)展中需求，電子技術(shù)也在不斷改進(jìn)創(chuàng)新，在這種情況下，頻率自動(dòng)控制技術(shù)也成為其中之一，自動(dòng)控制技術(shù)改進(jìn)了人們的生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)效率，自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活，如航天航空，醫(yī)療電子等。在本文中主要介紹了頻率合成技術(shù)的發(fā)展以及趨勢(shì)，對(duì)于模擬頻率合成技術(shù)，數(shù)字合成頻率技術(shù)，PLL， PWM等技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了概述。

【關(guān)鍵詞】頻率自動(dòng)控制；模擬頻率合成；數(shù)字頻率合成；PLL； PWM

中圖分類號(hào)：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0278（2015）04-112-01

一、頻率合成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用于穩(wěn)頻及鎖相。頻率自動(dòng)控制的頻率合成法在其發(fā)展過程中主要有三個(gè)過程：

一個(gè)是直接模擬合成頻率，這種方法是直接利用備品，分頻，混頻及濾波，從單一的或者幾種參考頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率，該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，但是體積大、功耗大，現(xiàn)在基本淘汰；第二個(gè)就是用鎖相環(huán)合成頻率，這種方法是現(xiàn)在用的比較廣泛的，通過鎖相環(huán)來完成頻率的加、減、乘、除基本運(yùn)算，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、便于集成，且頻譜純度高，但是高分辨率和快速轉(zhuǎn)換速度之間不能夠很好地同時(shí)達(dá)到，所以，一般用于大步進(jìn)的合成頻率技術(shù)中；另一個(gè)方法直接數(shù)字合成頻率，與前兩者相比，這種方法有著更多的有點(diǎn)：簡(jiǎn)單可靠、控制方便，且同時(shí)具有很高的頻率分辨率和快速轉(zhuǎn)換速度，可以實(shí)現(xiàn)可編程和全數(shù)字化，控制靈活方便，并具有極高的性價(jià)比，現(xiàn)在已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用于電信電子領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)也能進(jìn)行頻率的改變。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種模擬控制方式，利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信到功率控制與變換的領(lǐng)域中。隨著電子技術(shù)發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)也出現(xiàn)了多種，包括：等脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法等眾多技術(shù)。

自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是一個(gè)高精確度的測(cè)頻和控制技術(shù)，為了更高的精確度，頻率自動(dòng)控制已經(jīng)開始朝著混合式技術(shù)方向發(fā)展，把不同的方法結(jié)合起來運(yùn)用，優(yōu)勢(shì)最大化，缺限最小化。

二、幾種頻率合成技術(shù)原理及特點(diǎn)

（一）直接模擬頻率合成（DAFS）

這是最早使用的一種頻率合成方法，它由模擬振蕩器產(chǎn)生參考頻率源，在京諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列諧波，然后經(jīng)混頻，分頻和濾波等處理產(chǎn)生大量的離散頻率。直接模擬頻率合成方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，相位噪聲低。缺點(diǎn)是由于采用大量的混頻，分頻，倍頻和濾波等模擬硬件設(shè)備，使產(chǎn)品的體積大，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生雜散分量，大多數(shù)硬件的非線性影響難于抑制。

（二）鎖相環(huán)頻率合成（PLL）

鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)中，利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加減乘除運(yùn)算，即把一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率源，通過諧波發(fā)生器，混頻和分頻等一系列非線性器件，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，然后利用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一個(gè)組合頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需要的頻率。

鎖相環(huán)頻率合成也包括模擬式和數(shù)字式，實(shí)際應(yīng)用中大多應(yīng)用數(shù)字式，數(shù)字式鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，因此能很好的選擇所需要的信號(hào)，抑制雜散分量，且避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。而且一個(gè)良好的壓控振蕩器具有高的短期頻率穩(wěn)定性，而標(biāo)準(zhǔn)頻率源具有高的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，這兩者結(jié)合形成的信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都很高，但是缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不可能做的很小，且系統(tǒng)內(nèi)的壓控振蕩器帶來的新的噪聲也比較大。

（三）直接數(shù)字頻率合成（DDFS）

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是頻率合成技術(shù)的一次革命，直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器，波形儲(chǔ)存器，D/A和低通濾波器構(gòu)成。時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器的位數(shù)，相位分辨率取決于波形存儲(chǔ)器的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，這樣合成信號(hào)的頻率，相位和幅度都可由數(shù)字信號(hào)精確表示。

直接數(shù)字頻率合成有著眾多優(yōu)點(diǎn)：極高的穩(wěn)定度，極高的頻率分辨率，超高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，變頻相位連續(xù)，相位噪聲低，全數(shù)字自動(dòng)化控制，可以合成任意波形，集成度高，容易實(shí)現(xiàn)小型化。但同時(shí)也有兩個(gè)無法完全避免的缺點(diǎn)：輸出帶寬受限和輸出雜散較大。

（四）隨機(jī)PWM

早期大功率晶體管主要為雙極型達(dá)林頓三極管，存在比較大的問題，隨機(jī)PWM誕生，其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。因此，即使在絕緣雙極性晶體管己被廣泛應(yīng)用的今天，在載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其價(jià)值；此外還說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)解決這種問題的全新思路。

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