南京机电职业技术学院毕业设计(论文)题目 40MHz简易锁相环的设计系部电子工程系专业电子信息技术工程姓名王鑫学号 G*******指导教师吕彬森2015 年 04 月09日摘要在无线收发信机电路中，除了发射机和接收机外，还有一个非常重要的部分就是本地振荡电路。
为了保证本地振荡模块输出信号的频率稳定性和较低的相位噪声，通常本振采用锁相环技术来实现，特别在无线通信领域。
本文阐述了锁相环的基本结构和工作原理，从锁相环稳定性的角度出发，给出了无线通信电路中使用40MHz 锁相环的电路设计，并且将方案中锁相环电路进行了仿真，最终满足40MHz 锁相环的设计要求。
关键词：锁相环；鉴相器；压控振荡器Abstract（外语专业的需要）【英文摘要正文输入】In the wireless transceiver circuit, in addition to the transmitter and the receiver, there is a very important part of the local oscillator circuit is. In order to ensure the stability of the local oscillator module, output signal frequency and low phase noise, the vibration by using phase locked loop technique, especially in the field of wireless communications.This paper introduces the basic structure and working principle of the phase-locked loop PLL, starting from the stability of the 40MHz PLL circuit design is given of the use of wireless communication circuit, and the scheme of PLL circuit simulation, and ultimately meet the design requirements of 40MHz phase locked loop.Keywords: Attenuation network; Attenuation quantity; Amplifier; broadband目录摘要.............................................................................................................................. I I ABSTRACT（外语专业的需要）. (I)目录 (I)1引言............................................................................................... 错误!未定义书签。
2锁相环的简述............................................................................... 错误!未定义书签。
2.1锁相环的分类 (1)2.2锁相环的基本结构和原理 (1)2.3锁相环的应用 (2)3.锁相环路的稳定性分析 (8)4锁相环的电路设计与仿真 (10)4.1频率合成器 (10)4.2单片机 (11)4.3环路滤波器 (11)4.4运算放大器 (11)4.5压控振荡器 (12)4.6锁相环设计仿真 (12)5总结与展望 (13)致谢 (14)参考文献......................................................................................... 错误!未定义书签。
1 引言锁相技术是一种相位负反馈技术，锁相环电路具有极其优良的性能，它的主要特点是：锁定时无剩余偏差、具有良好的窄带载波跟踪性能、具有良好的宽带调制跟踪性能、门限性能好等，因此锁相环电路在电子系统中得到了广泛的应用[1] ，特别是无线通信领域。
通常在设计收发信机时，对于比较低的频率信号，很容易用晶体振荡器实现，但对于类似410MHz 的高频信号，用晶体振荡器不易实现，所以我们采用锁相环(PLL)频率合成的方法来产生。
本文从锁相环的原理开始分析，重点研究了锁相环的稳定性，从中给出了设计410MHz 锁相环的设计思路和电路实现方法。
2 锁相环的简述2.1锁相环的分类锁相环可分为模拟锁相环和数字锁相环。
主要有3种锁相环器件：模拟：低频LM567（NE567）、高频NE564数字：CD4046此外，由于模拟锁相环与数字锁相环在原理上的区别不是很大，因此我们以数字锁相环为主来论述锁相环的基本原理。
2.2锁相环的基本结构和原理锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。
它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
锁相环主要由相位比较器（PD）、压控振荡器（VCO）、环路滤波器(LF)三部分组成，如图2.1所示。
图1 锁相环的基本组成1压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。
施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。
这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致[2]。
这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。
当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。
锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO 输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。
鉴相器是相位比较装置，它比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位，输出反映了输入参考信号与VCO输出信号之间的相位差信息。
模拟锁相环输出两信号相位差的误差电压，数字鉴相器输出两信号相位差的脉冲信号。
环路滤波器是一个低通滤波器，它滤除相差信号中的高频成分和噪声后，得到压控电压，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。
压控电压去控制压控振荡器VCO，压控振荡器是一个电压－频率转换器。
压控电压使VCO输出频率向输入信号频率靠拢，直至频差消失，相位锁定。
凡环路中部分电路采用数字电路者（如数字鉴相器、分频器等），就称为部分数字环。
全数字环中，环路要处理的是数字信号，采用数字滤波的方法。
数字锁相环可分为数字逻辑电路式的锁相环和数字信号处理式的锁相环。
一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，区别是数字锁相环全部采用数字电路。
具体来说数字锁相环由：数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。
一般的数字鉴相器多采用异或逻辑及其变形。
数字环路滤波器一般采用可变计数器。
NCO 一般使用DDS来产生。
分频器则采用数字逻辑或计数器来完成。
2.3锁相环的应用2.3.1在空间技术中的应用——窄带跟踪接收机（锁相接收机）锁相接收机是一种具有窄带跟踪性能的接收机。
主要用于空间技术中的测速与测距，来确定飞行器的运行轨道。
由于飞行器发射功率小，通信距离远，所以收到的信号极其微弱。
另外，考虑到信号有多普勒频移以及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带又必须足够宽，这样，接收机解调器前的信噪功率比必然相当低，一般在-10～-30dB左右。
采用窄带锁相跟踪接收机由于它的带宽很窄，又能跟踪信号，因此，能大大提高接收机的信噪比。
—般说来，可比普通接收机信噪比提高30～40dB，这一优点是很重要的。
图2是锁相接收机的简化框图。
其工作过程如下：图2 锁相接收机的简化框图混频器输入信号电压为1()u t ，它是调频高频信号，中心频率为1ω，，它与外差本振信号2()u t 相混频，2()u t 频率为2ω，它是由压控振荡器频率2/M ω经M 次倍频后得到的。
混频后输出的中频信号3()u t ，其中频频率为3ω,312ωωω=-，经中频放大器放大后在鉴相器内与下一个频率稳定的本地标准中频参考信号4()u t 进行相位比较，4()u t 的频率为4ω。
如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压()d u t 经环路滤波器滤波后就去调整压控振荡器的振荡频率，使混频器的输出频率被锁定在本地标准中频上，即34ωω=。
由图可见，接收机的中频放大器设置在环路内部，依靠环路的跟踪作用，中频信号的频率将保持在调谐回路的中心。
这样，中频放大器的通频带可以做得很窄（例如3～300Hz ），只需覆盖调频信号在载波频率固定情况下的占据频宽就够了。
在载频因多普勒频移等原因产生较大漂移的情况下，由于窄带跟踪环路的作用，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能准确地落在中频通频带的中央，这就实现了窄带跟踪。
在实际空间通信中，飞行器实际的多普勒频移产生的频率变化要比调频信号本身占据的频宽大得多，因而必须采用锁相环构成的窄带跟踪滤波器，才能使这种空间通信有满意的结果，这种窄带跟踪接收机的灵敏度很高，接收微弱信号的能力很强。
2.3.2在调制解调技术中的应用<1> 锁相调频电路应用图3所示的锁相环路调频器电路，可以获得载波频率稳定度很高的调频信号。
实现PLL 调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。
这样，锁相环路实际上是载波跟踪环，调制信号不能通过低通滤波器，也就不能参与环路的交流反馈，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振荡器的中心频率被锁定在晶体振荡频率上。
同时，调制信号加在压控振荡器上，对其中心频率进行调制，因此，输出调频信号的中心频率稳定度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与VCO 的电压控制灵敏度相同，克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。
这种电路的缺点是调制频偏（或相偏）较小。
为了保证调制器具有优良的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM 调制器，这种调制器在很宽的调制频率范围内，频偏正比于调制信号。