锁相环频率合成器的设计

锁相环频率合成器的应用PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的应用范围很广，在通信中应用的一些，用于从（可能带有噪声的）有用信号里提取时钟信号。在这样的应用中，抑制噪声很重要。n而的频率综合是一个完全不同的应用，此时，不关心参考噪声，但是综合器应用能够快速地从一个频率跳变到另一个频率，因此，最相关的是捕获时间。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建因此，要给每个系统一个优化结果的设计过程很困难，但可以根据一个设计流程来进行设计过程。n这个设计流程不是适用于所有的普遍工具，但至少可以算作一系列设计提示，而且，在大多数设计过程中，的设计是一个迭代的过程，可以从一些初始的假设入手，但可能以最后的设计结果不能接受为结束，因为可能一个或多个参数超出了计划范围，此时可以改变前提条件重复这个流程，直到满足要求。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建集成电路的生产商已经提供了在机上可以运行的设计工具，如发布的一个程序可以用来设计采用流行的集成电路等系列的系统。n以下即为设计流程：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建规定的输入和输出频率，输入和输出频率可能都是常数，或者一个或两个是变量，可以设为1min和1max，2min和2max。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定分频比，在一些应用中，输出频率2总是等于输入频率1，此时分频比为。当用于频率综合器时，可定义其取值范围（minmax）。n自然频率和阻尼因子理论上都是随的变化而变化的，为简化设计，可取mean为maxminNNNmean=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建反馈支路包括一个分频器的锁相环的相位传输函数为：NsFKKsNsFKKsssHdd0012+=ΘΘ=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建自然频率和阻尼因子理论上都是随的变化而变化的，这两个参数为变化近似为，即有N1minmaxminmaxminmaxminmax,NNNNnn==zzwwPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定阻尼因子。当为常量时，ζ也保持为常量，并且可以取任意值。对于常量N，ζ取为0.7为最佳，此时，PLL的响应的Butterworth响应。当N为变量时，可取当N=Nmean时的ζ为0.7。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建是否需要提供噪声抑制。例如，若是需要构建频率综合器，即可忽略噪声，不需要考虑一些参数，如噪声带宽L。但若要抑制噪声，则要考虑L和相关的参数。如果关心噪声，则进入第步，否则跳至第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一定要通过抑制噪声。在噪声存在的情况下，各种数字鉴相器的行为各不相同。在可能缺少参考（输入）信号1的沿情况下，沿敏感的鉴相器，如触发型或就会一直停在某个特定状态。但是当缺少1沿的时候，鉴相器的平均输出信号d将一直保持为。另一个选择是乘法鉴相器，因为这种检测器对电平敏感，其性能与鉴相器相似。如果缺少1的沿，那么流程进入第步，否则进入第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建应该选择鉴相器（或乘法器）。其中乘法鉴相器要从相应器件的数据表中选取鉴相器的增益。若选择，并且采用单电源供电时，可表示为，其中为电源电压。若使用双电源供电时，或者当在明显不等于电源电压的电平处饱和时，使用下式计算增益。其中的输出信号没有达到最大电源摆幅而是在某个高电平和低电平处达到饱和。n然后进入第步pBdUK=p-+-=satsatdUUKPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建可以选择触发器或者作为鉴相器。的捕获范围较大，可以优先选择。若使用单电源，对于触发器，而对于，其增益为p2BdUK=p4BdUK=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建。其与环路的信噪比L之间有如下关系n选择L应使环路信噪比大于某个最小值，典型情况为（）。n输入信噪比i可以估计一个值或是测量出来。n输入端的噪声带宽i是信号源的带宽可是前置滤波器的带宽。n若分频比为变量，因L与ωn和ζ都有关，此时仍取meanLiiLBBSNRSNR2=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定的特性，一般为集成部分。给定电源电压后，数据手册指定了控制电压f的可用范围，而输出频率的范围也是确定的，此时可通过求曲线的斜率得到的增益0。n确定的外部元件值，通常情况下，数据手册就可以找到如何选择的求法。minmaxmin2max20ffuuKPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建计算自然频率，由噪声带宽和阻尼因子求得n此值只对mean有效。⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=zzw412nLBPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定环路滤波器。首先必须选择合适的环路滤波器类型。最简单的一般是采用无源比例积分滤波器。如果想要一个无限的捕获范围，则可选择有源比例积分滤波器。n给定了就可计算两个时间常数了。n设计进入第步。NKKdn,,,,0zwPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建选择鉴相器，因为参考输入端的噪声可以忽略不计，最好选择鉴相器。n计算其检测增益（单电源供电）pBdUK=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定的特性（同第步过程）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定环路滤波器类型，一般选择无源比例积分滤波器（同第步）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建为确定自然频率，此时考虑的动态特性，即输入信号频率变化或分频比变化时的动态响应。有三种情况：n频率综合器（希望快速反应），用p来确定的剩余参数，流程进入第步；n频率综合器（产生很多频率），用捕获带作为关键参数，流程进入第步；PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建其它更一般的情况，捕获时间和捕获带都不是要的关注参数，则指定其它最有意义的指标。比较简单的方式是设定这样一个指标，即假设锁定时间L（即快捕时间）或者直接指定自然频率，则流程进入第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建给定最大捕获时间，计算滤波器的时间常数τ1（或τ1+τ2）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建计算自然频率。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定滤波器的元件值。n的值可任意选择，但选择的值应使两个电阻值的取值较合理（千欧姆兆欧姆范围内）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建由捕获带和阻尼因子计算自然频率，设计进入第步PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建给定捕获时间，计算自然频率，设计进入第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建这个设计流程比较复杂，但是仍有一些更为特殊的参数没有考虑进去，例如频率综合器输出信号的频谱纯度和相关的量。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建设计要求：n产生频率：频率，间隔为；n器件：锁相环（），计数器（或分频器），电阻，电容；n滤波器：采用无源比例积分滤波器（无源滞后超前结构）；n电源电压DD。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建决定输入、输出频率范围：输入频率为固定值。输出频率范围在。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建分频比设为变化，对于分频比为为了优化，此时设ζ=0.7，见第3步。maxmin≈=NNNmeanPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建反馈支路包括一个分频器的锁相环的相位传输函数为：NsFKKsNsFKKsssHdd0012+=ΘΘ=PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建自然频率和阻尼因子理论上都是随的变化而变化的，这两个参数为变化近似为，即有N1minmaxminmaxminmaxminmax,NNNNnn==zzwwPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建阻尼因子介于之间是最适宜的，只要分频比变化不大，阻尼因子的变化是可以接受的，例如，当变化倍时，大约变化倍，这个变化是可以容忍的。n应该避免ζ发生很大变化，因为在那种情况下得到的最小的ζ会使环路开始振荡，而最大的ζ使系统响应缓慢。若N在很大范围内变化时，常常要给PLL强制定义多个频率范围，然后根据情况，相应地切换频率范围。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建决定阻尼因子为（）则当N=100时，当N=200时，这在一个可接受的范围内。minmaxminmaxminmaxminmax,NNNNnn==zzww59.0min≈z83.0max≈zmaxmin≈=NNNmeanPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建这是频率综合器的设计，一般不需要考虑噪声，直接跳至第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建选择鉴相器类型，因为参考输入端的噪声可以忽略不计，最好选择（鉴频鉴相器），因捕获范围较大。n鉴相器增益为radVKd/4.045==pPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建确定的特性。给定电源电压后，数据手册指定了控制电压f的可用范围，而输出频率的范围也是确定的，此时可通过求曲线的斜率得到的增益0。n确定外围电阻电容值，由手册中的多个曲线图求得。minmaxmin2max20ffuuKPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建选择环路滤波器，确定环路滤波器。首先必须选择合适的环路滤波器类型。最简单的一般是采用无源比例积分滤波器。如果想要一个无限的捕获范围，则可选择有源比例积分滤波器。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建设定一些的动态性能，比较合理的是假设能够在足够短的时间内锁定，可设快捕时间L。n流程进入第步。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建，计算自然频率为1-sTLnPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建使用无源比