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应知应会要求
1．掌握VCO基本原理，了解其实际应用。 2．掌握锁相环PLL基本模型，理解其工作原理。 3．了解锁相环PLL典型应用，如锁相倍频、分频、混频、解调器等。 4．了解频率合成器主要技术指标。 5．熟悉频率合成的基本方法，掌握常用合成方法方框图。 6．了解频率合成器实际应用。 7．会测试VCO压控振荡器，掌握试验方法。 8．了解集成锁相环CD4046的特点，能用其完成锁相环鉴频，并能实际测试。
5.2.2 锁相环 锁相环PLL典型应用 典型应用
锁相环锁定时无剩余频差，具有良好的频率跟踪特性、窄带滤波特性，且易于集成。 1．锁相倍频与分频 ． 锁相倍频器是在锁相环电路框图中插入分频器而组成的。 手机中常用的锁相倍频电路模型 如图5-6所示。 如果将锁相倍频电路模型（图5-6）中的分频器改为倍频器，倍频系数为n，环路锁 定时，鉴相器的两个输入频率fA与NfB相等，故有fB =fA/N，即压控振荡器的输出频率 锁定在基准频率的1/N上，实现了分频功能。 2.锁相环混频器 锁相环混频器 在反馈通路中加入混频器和中频滤波器就可构成锁相环混频器， 如图5-8所示。
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5.3.2 频率合成的基本方法
1 ．模拟直接频率合成 模拟直接频率合成是最早的经典方法。它是由谐波发生器、滤波器、倍频器、分 频器和混频器等组合成的一组或多组电路，由一个或多个参考频率来合成一系列所需 要的实用频率。 根据合成产生频率过程中所用参考频率数目的不同，又可以分成非相干直接频率 合成和相干直接频率合成两类。 所谓非相干合成是指由许多晶体振荡器组成参考频率，合成一系列所需要的频率， 如图5-13所示。 相干合成是指由一个高稳定度的晶体振荡器的参考频率合成一系列的所需频率。 图5-14为相干直接频率合成原理框图
5.4.2 锁相环鉴频器
1．实训目的 ． （1）进一步理解锁相环工作原理。 （2）了解集成锁相环CD4046的特点，掌握其作为锁相环鉴频器的典型应用。 （3）熟悉测试仪器的使用。 2．实训器材 ． 3．实训内容 ． （1）参照前面5.2.2节中 CD4046锁相环鉴频器电路，完成电路的搭接、调试。 （2）调整信号发生器，使其输出调频信号，加在锁相环鉴频器的输入端。 （3）测试电路解调输出，对应输入信号，画出输出波形，完成调频信号解调特性。 4．注意事项 ． （1）注意集成电路的正确使用、元件型号和数值的合理选择。 （2）电路搭接需正确无误，设备连接正确。 （3）爱护仪器设备，养成良好的实训操作习惯，严格遵守实训章程。 5．实训报告要求 ． 画出CD4046锁相环鉴频器实际电路，整理实训步骤，对应输入信号，画出输出波形，分析实训结 果。 返回第5单元目录
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5.2.1 锁相环基本原理
锁相环PLL的基本模型如图5-4所示。 锁相环的自动锁定过程。 图5-5说明了输入信号ui（t）和输出信号uo（t）频率和相位之间的关系。 锁相环存在剩余相差，但不存在剩余频差，即输出信号频率等于输入信号频率， 即fo＝fi。 这表明，锁相环通过相位来控制频率，可实现无误差的频率跟踪。 锁相环通过环路滤波器后具有窄带滤波器特性，其相对带宽可达10－6～10－7， 例如工作于几十兆赫兹的频率上，可做到几赫兹的带宽。这种滤波特性是其他制作方 式难以想象的。
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5.3.3 频率合成器应用举例
1．诺基亚3210手机的频率合成器 ．诺基亚 手机的频率合成器 诺基亚3210手机的频率合成器框图 如图5-18所示。 其一本振频率合成具体电路 2．摩托罗拉V60型手机频率合成器 ．摩托罗拉 型手机频率合成器 RXVCO频率合成器如图5-21所示。 如图5-19所示。
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（3）常见的晶振VCO标准组件一般有4个端口，分别是 、 和 、
闭环自动控制系统，它在无线电领域得到了广泛应用。 三个基本部件组成的一个闭环自动控制系统。 跟踪。 就可构成锁相环混频器。 作为鉴频器的输出端。
（6）锁相环通过相位来控制频率，可实现
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5.3 频率合成器
频率合成就是将一个高稳定度和高精度的参考频率经过加、减、乘、除的四则运算 产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，并称之为频率合成技术。 根据它的原理组成的电路或仪器设备称为频率合成器或频率综合器。
频率合成技术和频率合成器是现代通信不可缺少的技术。 频率合成的方法可以分为两大类：直接合成法和间接合成法。
5.5 单元测试
1．填空 （1）压控振荡器英文缩写为 ，它将电压信号的变化转换成 ，它的特征是 、 、 和 的变化。 。 。 （2）压控振荡器中，必须有一个特殊器件，即 （4）锁相环是一个能够跟踪 （5）锁相环PLL是由 （7）在反馈通路中加入 （8）锁相环鉴频器是将 2．简述频率合成的基本方法。 3．画出锁相环PLL的基本模型，说明基本工作原理。 4．怎样构成锁相倍频器？其工作原理是怎样的？ 5．什么是频率合成技术？频率合成器有何特点？ 6．直接数字频率合成器有何优点？画出原理框图。
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2．锁相频率合成 ． 应用锁相环路PLL实现频率合成的方法称之锁相频率合成。又称之为相干间 接频率合成法。 图5-15实际就是前面的图5-6。 3．直接数字合成DDS ．直接数字合成 这种新的频率合成法具有输出频率超越一个倍频程的频率带宽、连续的相位 变换方式、极快的频率切换速度、极高的频率分辩率和优良的波形纯度，这些优越 的性能特点使DDS成为现代频率合成技术中的佼佼者。 频率合成器的发展趋势必然是数字化和集成化。 直接数字合成DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器 转换成模拟量形式的信号合成技术。 图5-16所示为直接数字频率合成DDS的原理框图。 4．组合式频率合成 ． 组合式频率合成可有很多方法，常用的有模拟直接合成＋DDS，PLL+DDS， 模拟直接合成＋PLL+DDS等方法。 图5-17就是模拟直接合成＋PLL+DDS的组合式频率合成框图。
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5.1.1 VCO原理 原理
压控振荡器简称VCO，是一个“电压—频率”转换装置，它将电压 信号的变化转换成频率的变化。 压控振荡器中，变容二极管必须是决定振荡频率的主要器件之一， 其典型特性曲线如图5-1所示。
图5-2压控振荡器VCO原理
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5.1.2
实际应用
在现代通信机中，常用压控振荡器提供高精度的频率振 荡，或实现信道（频率）搜索等系统功能。 常见的晶振VCO标准组件一般有4个端口，如图5-3所示。 其中，控制电压VD一般是由CPU输出的频率控制电压AFC。 VCO输出电源控制电压VD接地图5-3 晶振VCO标准组件
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5.1 压控振荡器
从前面的学习中知道，振荡器广泛用于电子设备中，如混频电路、调制 电路等都需要振荡器提供基准信号，它的主要技术指标是频率的准确度、稳 定度和振幅的稳定度。晶体振荡器等产生的频率是基本固定不变的，不能实 现自动控制。随着电子产品的不断发展，现代电子技术中有时要求振荡器的 频率受控，这就需要由压控振荡器来实现。
1．频率范围 通常要求在规定的频率范围内，在所有离散频率点上，频率合成器 均能正常工作，并满足其他性能指标。 2．频率分辨率——输出频率间隔 希望频率间隔尽可能小。 3．频率准确度 晶体振荡器在长期工作时，频率会发生漂移，因此不同时刻的频率 准确度是不同的。 4．频率稳定度 频率稳定度是指在一定时间间隔内，合成器输出频率准确度的变化。 5．换频时间tS 在通信系统中，一般要求频率合成器的tS小于几十个毫秒。 6．频谱纯度 频谱纯度是指频率合成器输出频率信号接近纯正弦波的程度，是衡 量输出信号质量的一个重要指标。
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3．锁相环解调器 ． （1）锁相环鉴频器 锁相环鉴频器的组成 如图5-9所示。 图5-10是用CD4046构成的锁相环鉴频器，可以实现调频波的解调。 （2）调相解调器 将锁相环中未经环路滤波器的鉴频器输出电压ud（t）作为解调输出，即 可构成调相解调器， 如图5-11所示。 与锁相环鉴频器要求的宽跟踪带相反，调相解调器中环路带宽应足够窄， VCO只能跟踪输入信号中的载波频率，而不能跟踪输入信号频率的调制变化， 以保证鉴相器的输出反映输入信号中相位的变化。
随着集成电路技术的发展，频率合成也推出了很多大规模集成电路，目前已出现了 大量的集成合成器电路系列和集成DDS电路系列，例如美国MotoroLa公司的 MC145146—201系列、AD公司的AD7008、AD9830/31/50等集成DDS电路。
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5.3.1 频率合成器主要技术指标
第5单元 锁相环与频率合成器应用 单元
5.1 压控振荡器 5.1.1 VCO原理 5.1.2 实际应用 5.2 锁相环 5.2.1 锁相环基本原理 5.2.2 锁相环PLL典型应用 5.3 频率合成器 5.3.1 频率合成器主要技术指标 5.3.2 频率合成的基本方法 5.3.3 频率合成器应用举例 5.4 实训 5.4.1 VCO压控振荡器 5.4.2 锁相环鉴频器 5.5 单元测试
输出
电源
VCO
接地
控制电压VD
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5.2 锁相环
锁相环PLL（Phase Lock Loop）是一个能够跟踪输入信号相 位的闭环自动控制系统，它在无线电领域得到了广泛应用。其主 要应用有调制、解调、频率合成、数字通信的同步系统等。 锁相环具有的载波跟踪特性，使其可以作为一个窄带跟踪 滤波器，用于提取淹没在噪声之中的信号；也可作为高稳定的振 荡源，经过分频后提供一系列高精确度和高稳定度的频率信号； 还可用于相位测量与频率测量。
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5.4 实训 5.4.1 VCO压控振荡器 压控振荡器
1．实训目的 ． （1）进一步理解VCO压控振荡器工作原理，掌握其典型电路组成。 （2）熟悉测试仪器的使用。 2．实训器材 ． 3．实训内容 ． （1）自行选择某一电路。 （2）搭接、调试实验电路。 （3）为变容二极管加上合适偏置电压，检测电路是否起振。 （4）电路起振后，改变变容二极管控制端电压VD，取5～8个值，自行列表，逐点测试，完成VD－f0特性 测试。 （5）将VD用信号发生器产生的低频正弦信号代替，用示波器观测VCO输出波形的变化。 4．注意事项 ． （1）VCO电路元器件型号和数值需选择合理。 （2）电路搭接需正确无误，设备连接正确。 （3）爱护仪器设备，养成良好的实训操作习惯，严格遵守实训章程。 5．实训报告要求 ． 画出VCO实际电路，整理实训步骤，分析实训结果。 返回第5单元目录