四川师范大学本科毕业设计基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现学生姓名院系名称专业名称班级级班学号指导教师完成时间年月日基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现电子信息工程专业学生姓名指导老师摘要随着通信信息技术的快速发展,信号产生的方式多种多样,然而数字式锁相环频率合成器在信号产生技术中扮演了越来越重要的作用,数字式锁相环频率合成器在频率频率稳定度和频谱纯度上,频率输出个数上有着巨大的优势,是其他器件所不能代替的!因此在军用和民用雷达领域,各种导航器以及通信领域广泛运用!基于此,本人设计了一个由晶体振荡器和分频器,锁相环路(鉴相器,低通滤波器,压控振荡器)组成的数字式锁相环频率合成器,晶体振荡器的作用是产生一个固定的频率,然后通过分频器得到一个基准频率,锁相环路对基准频率进行频率合成,到最后,合成后的频率经过放大器,使不同的频率的幅度稳定在一定的范围内,这样的话不会是信号不会随着输出频率的变化而减少!数字式锁相环频率合成器是开环系统的,频率转换时间很短,分辨率也较高,结构相对简单,成本也不高,输出的频率在稳定度和精准度上也有很大的优势。
但是,由于毕业在即时间紧张,本人经验有些不足,希望老师和同学们帮助与指导。
关键词:锁相环频率合成晶体振荡器分频器锁相环路The Design and Implementation of Digital Pll Frequency SynthesizerAbstract With the rapid development of communication technology, signal way is varied, but in signal digital phase locked loop frequency synthesizer technology plays an increasingly important role, digital phase locked loop frequency synthesizer on the frequency stability and frequency spectrum purity, frequency output factor has a huge advantage, is cannot replace by other device! So in the field of military and civilian radar, navigator, and widely used communication field.Based on this, I designed a by the crystal oscillator and a frequency divider, phase locked loop (phase discriminator, low-pass filter, a voltage controlled oscillator) consisting of digital phase locked loop frequency synthesizer, the effect of crystal oscillator is a fixed frequency, then a reference frequency is obtained by frequency divider, phase locked loop frequency synthesis was carried out on the fundamental frequency, in the end, after the synthesis of frequency through the amplifier, the size of the different frequency stability in a certain range, so not the signals are not as the change of output frequency and less!Digital phase locked loop frequency synthesizer is the open loop system, frequency conversion time is short, the resolution is higher also, structure is relatively simple, the cost is not high, the output frequency of the in stability and precision also has a great advantage. However, due to the graduation of time is tight, I experience some shortage, hope the teacher and the students help and guidance.Key words: Phase-locked loop Frequency synthesis Crystal oscillator Divider Phase locked loop目录摘要 (I)ABSTRACT ............................................................................................................. I I 目录1 绪论 (1)1.1数字锁相环频率合成器的发展与背景 (1)1.2设计的合理性 (1)2系统理论知识 (4)2.1 频率合成器的工作原理 (4)2.2 锁相环工作原理 (4)2.3 频率合成器的性能指标 (6)2.4 锁相环的主要指标 (6)3 各单元模块电路的设计与实现 (7)3.1 系统原理框图 (7)3.2 信号源产生电路的设计 (7)3.3 分频器电路设计 (8)3.4 可变分频器的电路设计 (9)3.5 锁相环的电路设计 (11)4 硬件电路的仿真与测试 (11)4.1 protues仿真 (11)4.2 protel画的PCB板 (13)4.3 实验结果与数据 (17)5 总结 (19)参考文献 (20)致谢 (20)基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现1 绪论1.1数字锁相环频率合成器的发展与背景在当今信息时代,由于各项信息技术的不断发展和需要,一个频率源的稳定度,频谱的纯度,频率范围,输出频率个数等指标已经被广大设计者和市场需求者看的十分重要,是衡量一个电子产品频率稳定度的重要指标。
以前设计者们为了使电子产品的频率更加稳定和精准,晶体振荡器经常被用来充当使频率更加稳定的一个角色,然而晶体振荡器输出的频率的个数不多,不能满足现在电子市场对频率输出个数多的要求,所以频率合成器被广大设计者日益看重并运用于通信,数字电视,导航,航天等技术领域!频率合成器是对频率经行一个简单处理,如加减乘除运算后,以一个稳定度和准确度都较高的基准频率为参照,产生许多不同频率,它们的稳定度和准确度相似!总之,数字式锁相环频率合成器就是以一个稳定度,纯度较高的基准频率为输入,输出多中稳定度,纯度较好的频率!在当今电子系统中是不可越少的!1.2设计的合理性实现数字式锁相环频率合成器,方法多种多样,各种方案都有各自的特点,作用效果也大不一样。
下面有四种典型的设计方案,都能设计出锁相环频率合成器,然而我们可以通过比较,选出我们需要的更为简洁,功能却很完善,制作成本也较低的一种方案。
首先,对于方案一,如下图1 结构框图图所示:图1 方案一的结构框图方案二的电路结构框图如图2所示:图2 方案二的结构框图方案三的结构框图如图3所示:图3 方案三的结构框图方案四的结构框图如下图4所示:图4 方案四的结构框图在四种方案中,不难发现方案一,方案二,方案三都是硬件电路才能实现的。
对于方案一,不难发现,其实是最易实现制作的,而且它能承担频率合成的,但是相位噪声和杂散的一些电路信号是对它影响比较大的!方案二呢,是一种DDS驱动PLL 的频率合成器。
方案三是一种单片机控制频率合成器。
显然方案一在性能上是劣于方案二和方案三的,但是方案二和方案三却是需要单片机控制的,较为复杂!方案四不同于前三种方案设计,它不是硬件电路来实现的,是需要EDA来控制设计的,还需要在EDA基础上的VHDL语言来编写,也包含了嵌入式的知识!技术是比较先进的,但是要实现频率合成,制作起来是很困难的,而且很复杂!综上所诉,方案二,方案三性能上虽然优于方案一,但是需要计算机来控制单片机,对其进行频率合成。
方案四,需要编程来实现,运用了嵌入式,EDA的知识,较为复杂。
方案一虽然性能上是有些不足,但是完全能实现我的设计要求。
所以我选择方案一来实现我的设计!方案一,这种数字锁相环频率较为简单,组成部分是参考振荡器,参考分频器,PD(鉴相器),LF(低通滤波器),VCO(压控振荡器),可变分频器等构成!综合所述,就是锁相环,N分频器和输入信号构成的!锁相环模块中,我为了降低制作的难度和复杂度,于是鉴相器PD和VCO压控振荡器用的是集成芯片提供!PD鉴相器输入的误差相位误差电压是周期性的脉冲波形,这就需要一个环路低通滤波器使之输出一个直流控制电压,去控制压控振荡器的相位和频率,使它的误差电压减小,这样才能使相差和频差不能达到锁定模式,而且滤波器也可以滤掉电路中的高频噪声和交流谐波分量。
而N分频器的作用就是使经过压控振荡器输出的信号经过N位可控计数器分频后进入PD鉴相器,这样就可以使之与参考频率信号作比较了!信号输入电路就是一个基准信号源,整个系统电路在此基础上对其经行频率合成,基准信号源的稳定度和精准度是会影响到输出频率的稳定度和精准度的!因此,我们队基准信号源的稳定度和精准度的要求是蛮高的!因此,选择方案一是合理的,能胜任本次设计的要求的!2系统理论知识2.1 频率合成器的工作原理频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算,产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。
实现频率合成的电路叫频率合成器,频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。
在通信、雷达和导航等设备中,频率合成器既是发射机频率的激励信号源,又是接收机的本地振荡器;在电子对抗设备中,它可以作为干扰信号放生器;在测试设备中,可作为标准信号源,因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。
早期的频率合成是用多晶体直接合成,以后发展成用一个高稳定参考源来合成多个频率。