第十章 频率合成器

第十章频率合成器频率合成器技术十近代射频/微波系统的主要信号源。调频电台、捷变频雷达、移动通信等核心无线系统都采用频率合成器。而且现代电子测量仪器的信号源都是频率合成器频率合成技术：将一个高稳定度和高精度的标准频率信号经过加、减、乘、除等四则算术运算以及倍频、分频和混频等手段，产生有相同稳定度的大量离散频率频率合成器种类1直接频率合成器2锁相环频率合成器（PLL）3直接数字频率合成器（DDS）4PLL＋DDS混合结构其中第一种已经很少使用了，第二、三、四种都有广泛应用1直接频率合成器基准信号通过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，经过混频、分频、倍频、滤波等进行频率的变换和组合，产生大量离散频率，最后取出所需频率优点：频率转换时间短，并能产生任意小数值的频率步进缺点：采用大量倍频、分频电路，造成合成器庞大体积和重量，而且输出谐波、噪声和寄生频率难以抑制2锁相环频率合成器（PLL）把压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器进行相位比较，当两者接近时，环路就自动把振荡频率锁到这个谐波频率上优点：结构简单，指标可以做的较高缺点：提供的频道数有限1基本原理2数字式频率合成器数字式频率合成器是锁相环频率合成器的一种改进形式。压控振荡器输出信号进行N次分频后再与基准信号进行相位比较，当环路锁定时，压控振荡器的输出频率与基准频率的关系ƒ＝NƒR。其输出频率为参考频率的整数倍优点：锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波器特性和抑制输入信号的寄生干扰能力。有利于小型化，集成化。被广泛应用PLL基本理论基本锁相环结构典型ChargePump锁相环输入与输出关系PLL开环增益反馈路径传输函数闭环增益系统中个部分的传输函数非VCO源传输函数曲线VCO传输函数曲线各部分对总的输出相噪恶化关系曲线VCO相位噪声对输出信号的相位噪声的影响相位噪声恶化计算3直接数字频率合成器（DDS）从相位概念出发，直接合成所需要波形DDS优点：1输出频率相对带宽较宽（50％ƒs）2频率转换时间短（改变控制字，经过一个时钟周期就可实现）3频率分辨率极高（由累加器位数N决定，分辨率可达1Hz，甚至到1mHz）4相位变化连续（保持了信号相位的连续性）5输出波形灵活（在DDS内部加上相应控制实现调频、调相和调幅，改变DDS波形存储器实现任意波形输出）DDS缺点：1最高输出频率受限2输出杂散大4PLL＋DDS频率合成器用DDS作为PLL的可变参考源1.DDS作为参考源2.DDS内插合成3.DDS倍频方案锁相环频率合成器PLL现代PLL的基本结构频率合成器的组成元器件有：标准晶振频率源、频率合成芯片、环路滤波器、压控振荡器、单片机或者其他数字控制芯片1晶体振荡器常用的有恒温晶振OCXO、温补晶振TCXO、数字温补DCXO，频率稳定度等指标都非常高2PLL集成电路包括参考标准频率源的分频器、VCO输出信号分频器、鉴相器、输出电荷泵等。上述两个分频器可对标准频率和输出频率进行分频，得到两路同频信号，再进行相位比较，相位差送入电荷泵（电荷泵输出电流于相位差成比例），输出给LPF专成误差电压控制VCO。常用PLL芯片的公司有MOTOROLA、HITTITE、LM、AD等，典型有LM2326系列，以及AD4360系列3压控振荡器VCO利用可变电容器实现输出频率调节的振荡器国内十三所以及国外的MINI、HITTITE、Z-COMM等公司的VCO指标都非常可靠4低通滤波器LPF鉴相器输出不但包括直流误差控制信号，还包括一些高频谐波成分，会影响VCO电路工作，需要用低通滤波器滤除，防止对VCO电路造成干扰。LPF对整个频率合成的的性能影响很大，直接影响到频率合成器的相位噪声和切换速度，所以设计频率合成器时应该重点设计。而且对于锁相源，其他器件选定之后，其特性指标就已经确定，所以低通滤波器设计是锁相源设计的重点。四种不同形式的环路滤波器LPF利用ADF4360集成VCO系列构成的PLL频率合成器利用ADIsimPLL设计软件根据所选元器件参数设计三阶无源LPF滤波器CPo24Vtune7Refin16Notes:1.ADF4360-XcontainsanintegratedVCO2.ConsultdatasheetforfullpinoutdetailRset13MUXOUT20GndGndGndLE19Data18Clock17AVddDVddADF4360-XRset4.70kRFOutA4RFOutB5C339.0pFR29.50kC147.0pFC2330pFR19.10kFoutV+GndReference10.0MHzVSupply锁相环PLL频率合成器电路原理图ADF4360系列PLL频率合成器实物图LM2326＋独立VCO频率合成器