锁相技术课程论文论文题目：锁相技术双环频率合成器设计专业：信息类班级：信息113班学号：**********姓名：指导教师：魏平俊教授2014年5月锁相技术双环频率合成器设计（中原工学院信息113班）摘要本文主要介绍了锁相环和锁相频率合成的数学模型，工作原理及频率合成器的应用。

双环频率合成器的优点是杂波抑制度高、调试方便；缺点是频率转换速度比直接合成慢。

频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。

频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

频率合成理论自20世纪30年代提出以来，已取得了迅速的发展。

关键词锁相环锁相环数学模型锁相环相位模型频率合成器双环频率合成器的工作原理双环频率合成器的原理图1．1．1.引言双环频率合成器的设计实现避免了一些单环频率合成器的缺点，有助于辅助环的性能改善，使频率合成器得到了更广泛的应用。

也锻炼了我的思考能力，学会灵活运用软件，有助于我综合能力的提高。

锁相环是种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。

锁相环由三部分组成，它包含压控振荡器，鉴相器和环路滤波器三个基本部件，三者组成一个闭合环路，输入信号为，输出信号为，反馈至输入端。

2、鉴相器鉴相器是使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。

表示其间关系的函数称为鉴相特性。

鉴相器是锁相环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。

3、振荡器对振荡器的要求有：低相位噪声，频率精确度，宽调谐范围，调谐线性度，宽带调制能力，低功耗，小尺寸，可以集到芯片上。

1．1．2 锁相环的数学模型1．1．3 锁相环的线性化相位模型图2 锁相环的线性化相位模型当输入与输出的相位线性化差小于30度是，鉴相器可以线性化。

线性化后的锁相环相位模型如图2。

1．1．4锁相环的频率特性1.锁相环路的捕捉特性当环路未加输入信号ui(t)时，VCO 上没有控制电压，它的振荡频率为ωr 。

若将频率ωi 恒定的输入信号加到环路上去，固有频差（起始频差）Δωi=ωi-ωr ，因而在接入ui(t)的瞬间，加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差相应地，鉴相器输出的误差电压ud(t)=Adsin Δωit 。

显然，ud(t)是频率为Δωi 的差拍电压。

下面分三种情况进行讨论：(1)Δωi(t)较小，即VCO 的固有振荡频率ωr 与输入信号频率ωi 相差较小。

(2)Δωi 较大，即ωr 与ωi 相差较大，使Δωi 超出环路滤波器的通频带，但仍小于捕捉带Δωp 。

0()()te i i t t dt t ϕωω=∆=∆⎰（3）Δωi很大，即ωr与ωi相差很大，使Δωi不但远大于环路滤波器的通频带，而且大于捕捉带Δωp。

2.锁相环路的跟踪特性当环路锁定后，如果输入信号频率ωi或VCO振荡频率ωo发生变化，则VCO 振荡频率ωo跟踪ωi而变化，维持ωo=ωi的锁定状态，这个过程称为跟踪过程或同步过程。

相应地，能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|Δωi|，称为锁相环路的同步带或跟踪带，用ΔωH表示。

2．1双环频率合成器工作原理2．1．1双环频率合成器环概念1.频率合成器是指能对频率进行加减乘除运算，将一个或几个标准频率变成多个频率的电子装置。

2.频率合成器的主要性能指标：（1）频率范围：频率范围是指频率合成器输出频率的最小值和最大值之间的变化范围。

（2）频道数与频道间隔：频道数是指频率合成器所能提供的频率个数。

频道间隔是指两个相邻频道之间的频率差。

（3）频率转换时间:频道转换时间是指频率合成器从某一频率转换为另频率所需要的时间，它包括频道置定时间以及捕捉时间。

（4）长期频率稳定度：长期频率稳定度是指一天以上时间范围内的频率稳定度，它主要是由振荡器器件老化，环境温度和湿度变化等因素引起的。

（5）噪声性能频谱纯度和短期频率稳定度和瞬间频率稳定度。

3．频率合成器分为直接式频率合成和锁相式频率合成以及直接数字式频率合成。

该课题所设计的双环频率合成器主要是锁相式频率合成。

锁相式频率合成器又称间接式频合器，是在20世纪50年代出现的第二代频率合成技术。

它利用一个或多个锁相环来完成频率变换任务。

目前已有许多频率合成器专用锁相集成电路，给制作体积小、性能好、价格低的频率合成器带来了极大的方便。

这种方法的优点是杂波抑制度高、调试方便；缺点是频率转换速度比直接合成慢。

这种方法仍在广泛使用中。

2．1．2双环频率合成器原理图3 双环频率合成器图3是双环频率合成器的方框图。

环路分主环（I）和辅助环（II），它们通过混频器MX结合在一起。

主环提供输出，由于它的参考频率fr1，与单环频合器相比，在输出频率相同的情况下，分频比N1可以大大降低，有利于减小环路的输出杂波和相位噪声，并改善捕捉性能。

辅助环的主要作用在于保证必要的频道间隔，其参考频率为fr2。

由于辅助环的输出频率大大低于主环，因此分频比也可大大降低，同样有利于辅助环性能的改善。

双环频合器的主要特点在于将单环中的巨大分频比由两个环路来负担，使这两个环的分频比都比较小，同时将两个单环尤其是主环的参考频率大幅度提高，从而满足了参考频率高、分频比小和频道间隔窄等要求。

本方案的频率关系为fo1=N1*fr1+fr2*N2/102 频率合成器的应用2.1 频率合成器芯片早期的频率合成器主要由分立元器件来实现。

80年代以来，微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得频率合成器趋于全集成化，所有电路都集成在一块芯片上。

频率合成器的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、系列品种更加完善。

双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。

频率合成器已经与通信系统收发信机的射频电路集成在一起，形成了集接收机、发射机、频率合成器于一体的SOC芯片。

生产频率合成器芯片的厂商主要有美国的AD公司、国家半导体公司、Motorola公司、Qualco mm公司；日本的富士通公司和荷兰的Philips公司。

2.2 频率合成器的EDA实现在有些场合，专用DDS芯片在控制方式、转化速度等方面往往与系统的要求差距很大，这时可用EDA(电子设计自动化)技术按照自己的需要来设计基于DDS 的ASIC。

用EDA 技术来实现的过程是：首先按照“自顶向下”的设计思想，用VHDL(硬件描述语言)或图形输入等方法来编辑DDS的功能电路，然后经过功能仿真、编译、后仿真、编程验证等步骤，最后将后仿真正确的文件经编程电缆下载到FPGA中，该FPGA即为所定制的ASIC。

2.3 直接数字频率合成的DSP实现DDS的DSP实现方法基于在单位圆上有2个极点(e±jφ)的数字谐振器，这种IIR滤波器的脉冲响应h(n)＝sinnφμ(n)，是幅度为1的等幅正弦波，对应的Z变换为H(z)＝sinφz－1／(1－2 cosφz－1＋z－2)，差分方程为：h(n)＝c0δ(n－1)＋c 1h(n－1)－h(n－2)，其中c0＝sinφ，c1＝2cosφ。

输出频率fo与极点位置关系为φ＝2πfoTs(Ts为采样周期)，故fo与滤波器系数的关系为c0＝sin2πfoTs，c1＝2cos2πfoTs。

若把fo写成fo＝(m／n)fs 的形式(其中m、n 为整数)，则有c0＝sin(2πm/n)，c1＝2cos(2πm/n)。

这样通过改变m、n值就可以合成不同的频率。

可以用DSP芯片来实现基于这种算法的DDS。

用这种方法可以产生比采用正弦查表法更多的频率，更关键的是在特定频率时的谐波失真很小。

而以DSP芯片为核心的硬件设计，又使其具有设计简单、小型、可靠等优点。

在系统分析了频率合成技术的发展史以及大致的技术发展方向后，我通过参阅一些论文以及老师介绍的参考书，总结了下直接数字频率合成与传统频率合成技术的比较。

在这个过程中，加深了我对DDS的理解，虽然我借鉴了很多资料，但是我的收获也是很大的，在以后的学习以及设计过程中，如果我遇到了相关的问题，也有了大致的解决问题的思路与方法的选择。

在频率合成（FS）技术发展的历史中，直接模拟合成技术是早期使用的一种较为广泛的技术。

直接模拟合成利用倍频（乘法）、分频（除法）、混频（加减法）和滤波技术，从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生所需的频率。

该方法的优点是频率转换时间短（小于100ns），载频相位噪声好等。

但缺点是实现设备体积大、功耗大且易产生过多的杂散分量，频谱纯度不高，合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。

因此，直接模拟合成已逐渐不再使用。

目前使用最为广泛的频率合成技术就是锁相环（PLL）合成技术。

该技术利用锁相环完成对参考频率源的加、减、乘、除运算，从而得到预期的频率。

锁相技术具有良好的窄带跟踪特性，可以根据需要选择频率信号。

相对于直接模拟频率合成而言，锁相环具有频谱纯度高，能有效抑制杂散分量且结构简单、易于集成等特点。

但是，锁相环存在高分辨率和快速转换速度之间的矛盾，故而一般用于大步进频率合成技术中。

参考文献[1] 王福昌，鲁昆生. 锁相技术应用.华中科技大学出版社，2009.6 ．[2] 张厥胜,郑继禹,万心平. 锁相技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社.2006.。