基于鎖相環(huán)（PLL）L波段的頻率合成技術(shù)

趙慧娟（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州,221116）

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基于鎖相環(huán)（PLL）L波段的頻率合成技術(shù)

趙慧娟
（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州,221116）

摘要：頻率合成器是電子設(shè)備的核心部件，其性能的優(yōu)劣影響電子設(shè)備的整體性能。本文研究了一種基于鎖相環(huán)（PLL）L波段的鎖相頻率技術(shù)。其設(shè)計(jì)方案使用MC145152來實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路，外加環(huán)路濾波器LPF和壓控振蕩器VCO等器件來實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的研究設(shè)計(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：頻率合成;鎖相環(huán);壓控振蕩器

0　引言

人類進(jìn)入信息社會(huì)和知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代，信息產(chǎn)業(yè)是未來發(fā)展的重點(diǎn)，將為社會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，信息產(chǎn)業(yè)的興衰，將是21世紀(jì)衡量和再現(xiàn)一個(gè)民族創(chuàng)新和發(fā)展能力、生存和競(jìng)爭能力的重要標(biāo)志。

近年來，鎖相環(huán)路這個(gè)名詞已為廣大電子技術(shù)人員所熟悉，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。例如：許多電子設(shè)備正常工作，一般就需要外部輸入信號(hào)和內(nèi)部振蕩信號(hào)同步，使用一個(gè)鎖相環(huán)路就能夠達(dá)到此目的。鎖相環(huán)路頻率合成技術(shù)，是根據(jù)線性伺服回路控制理論，首先應(yīng)用在掃描同步電路的電視接收機(jī)中，能夠有效地減少對(duì)同步噪聲的影響，從而使電視同步的性能顯著提升。鎖相環(huán)路的低噪聲跟蹤功能，已經(jīng)得到人們的重視，越來越快地發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

頻率合成技術(shù)在20世紀(jì)30年代開始建立，采用直接式合成方法時(shí)，頻率合成器是通過多個(gè)不同頻率的多晶振蕩器參考源合成的。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的方法是使用一個(gè)晶體振蕩器基準(zhǔn)頻率源，通過分頻，倍頻和混頻，以獲得更多的頻率。

頻率合成技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)是一樣的，都是從實(shí)際需要中產(chǎn)生，并不斷加以完善，并在實(shí)踐中得到發(fā)展的。近幾十年來，隨著大規(guī)模集成電路（LSI）以及超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的快速發(fā)展，電腦﹑雷達(dá)、無線電通訊等技術(shù)有了長足的發(fā)展，社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了電子革命的時(shí)代。頻率合成技術(shù)在這場(chǎng)革命中以先進(jìn)的頻率合成技術(shù)，為現(xiàn)代無線電技術(shù)提供高品質(zhì)和靈活的本地振蕩器以及性能測(cè)量參考，起了重要作用。

1　PLL頻率合成技術(shù)

1932年鎖相技術(shù)應(yīng)用在同步接收中，能夠提供輸入信號(hào)的載波頻率與本地信號(hào)檢測(cè)相位同步。然而，由于電路的復(fù)雜性和成本高的原因，它并沒有被廣泛使用。鎖相環(huán)路（PLL）的快速發(fā)展，是從黑白電視水平同步電路中開始的，由于其可以降低噪聲對(duì)同步的影響，使得電視圖像的同步性能得到很大的提高。因此，鎖相環(huán)路得到了快速發(fā)展的契機(jī)。1954年鎖相環(huán)路技術(shù)，又開始應(yīng)用在彩色電視彩色同步信號(hào)的提取中。

60年代以后，鎖相技術(shù)在通信、雷達(dá)、航空航天、船舶、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、紅外、激光、原子能、電視、音響、電機(jī)控制和工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。由于鎖相技術(shù)廣泛使用在電子技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域，這已經(jīng)成為常用的電子器件的一個(gè)基本組成部分。鎖相環(huán)是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是，不使用電感線圈，卻能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的頻率和相位自動(dòng)跟蹤功能。在結(jié)構(gòu)上和有源濾波器一樣，卻和有源濾波器的功能特性不同，它具有與信號(hào)的頻率和相位自動(dòng)跟蹤功能。由于鎖相環(huán)易于集成，又有優(yōu)越的性能，所以集成鎖相環(huán)路是繼集成運(yùn)算放大器之后，又一類具有較大應(yīng)用前景的集成電路?，F(xiàn)在，集成鎖相環(huán)已成為模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)秀典型。

頻率合成技術(shù)是在上世紀(jì)30年代開始建立的，鎖相環(huán)路（PLL）頻率合成技術(shù)開發(fā)是在20世紀(jì)40年代初，根據(jù)直線伺服閉環(huán)控制理論發(fā)展起來的。到目前為止，頻率合成技術(shù)已有70多年的歷史。在這70年里，經(jīng)歷了大致四個(gè)發(fā)展階段。如果按合成工藝來分，他們分別是：直接式合成，NPLL合成，F(xiàn)NPLL合成和PSG單回路的合成，以及后來的DDS（直接數(shù)字合成）。

2　鎖相環(huán)路工作原理

鎖相環(huán)路作為一種反饋電路，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一個(gè)非常有用的同步技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^鎖相環(huán)，可以使不同的數(shù)據(jù)采集板共享相同的采樣時(shí)鐘。鎖相環(huán)的優(yōu)勢(shì)在于，可使用外部輸入頻率和相位參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)。

基本鎖相環(huán)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，由相位比較器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）和一個(gè)可變分頻器N構(gòu)成。基準(zhǔn)頻率f1和f2的頻率，輸入到相位比較器，然后相位比較器輸出f1和通過環(huán)路濾波器f2的相位誤差信號(hào)（低通濾波器）以獲得一個(gè)DC電平;DC電平輸入至壓控振蕩器，控制其振蕩頻率。VCO的輸出經(jīng)過分頻器，得到頻率f2。負(fù)反饋控制系統(tǒng)，使得f2相位趨向于f1，因此在相位鎖定的情況下，f1和f2是同相的（即頻率相等）。通過調(diào)整分頻值，就可以得到任何壓控振蕩器的輸出頻率fo。事實(shí)上，鎖相環(huán)是一個(gè)相位自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的鎖定狀態(tài)取決于相位差，鎖定狀態(tài)的保持也仍然依賴于相位差的作用。

參考頻率f1和輸出頻率的穩(wěn)定性是相同的。如果參考頻率使用的晶體振蕩器，輸出頻率fo的穩(wěn)定性是跟晶振完全一樣的。此外，其頻率的可變范圍很大，因此，鎖相環(huán)可以說是一個(gè)可變頻率振蕩器。由于鎖相環(huán)提供一種可變的穩(wěn)定的振蕩頻率，所以它的應(yīng)用范圍非常廣。

2.1鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

現(xiàn)代的電子技術(shù)，為獲得高度精確的振蕩頻率，通常使用石英晶體振蕩器。但石英振蕩器的頻率是不容易改變的，使用鎖相環(huán)的分頻、倍頻等頻率合成技術(shù)，就可以得到多頻、高穩(wěn)定性的振蕩信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的頻率大于振蕩器信號(hào)的頻率被稱為鎖相倍頻電路，輸出信號(hào)的頻率比所述振蕩器信號(hào)的頻率小被稱為鎖相分頻器電路。鎖相環(huán)可以用于提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，用做分頻、倍頻及頻率變換等，將它們組合在一起能形成一個(gè)頻率合成器。

3　L波段鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)

3.1頻率合成器性能優(yōu)劣比較

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，從上世紀(jì)70年代末，頻率合成器逐步走向完全集成的方向發(fā)展。各大企業(yè)都在近幾年推出多種中、大規(guī)模PLL頻率合成器電路，國內(nèi)也已生產(chǎn)多種類型的集成鎖相環(huán)頻率合成器部件，并正在開發(fā)若干種優(yōu)選的大規(guī)模集成PLL頻率合成器，這使得頻率合成器的成本，尺寸和功耗大大減少，從而簡化了設(shè)計(jì)和調(diào)試的復(fù)雜性，而可靠性則顯著提高。

PLL合成（PLL）在最近幾年發(fā)展起來的新的合成技術(shù)，頻率分辨率高，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，相位噪聲低等特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出寬頻帶，高分辨率的頻率合成器。

頻率合成器是一個(gè)現(xiàn)代無線通信裝置，是對(duì)無線通信設(shè)備的性能有直接影響的重要組成部分。較早的直接合成（DS）和鎖止合成技術(shù)（PLL）的頻率合成技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)今的直接數(shù)字合成（DDS）。直接數(shù)字合成技術(shù)已經(jīng)具備很高的分辨率，轉(zhuǎn)換速度快，低相位噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信中其到重要作用，但由于材料和技術(shù)問題，輸出頻率始終無法和PLL相比，且由于全數(shù)字化架構(gòu)，輸出信號(hào)具有豐富的雜散分量，限制了其應(yīng)用。

3.2鎖相環(huán)頻率合成器的方案設(shè)計(jì)

L波段是指頻率在1-2GHz的無線電波波段，L波段可被用于DAB、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。頻率合成器作為一種相位鎖定裝置，是一種頻率穩(wěn)定度較高的離散間隔型頻率信號(hào)發(fā)生器。它被廣泛地應(yīng)用在通信、雷達(dá)、儀器儀表、高速計(jì)算機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)中。頻率合成器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了四種主要技術(shù)，即：直接頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和混合式頻率合成技術(shù)。而我們選用的方法正是鎖相頻率合成技術(shù)方案。

PLL合成技術(shù)具有頻率高、寬帶、頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但其頻率切換速率低，輸出頻率間隔較大。設(shè)計(jì)中采用晶振作為參考源，提供給PLL頻率合成器。其功能框圖如圖3-2所示。

圖3-2　L波段鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖

4　電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1PLL的設(shè)計(jì)

在本方案中，我們采用MOTOROLA的MC145152來實(shí)現(xiàn)。MC145152是單片PLL芯片，其性能優(yōu)良，使用MC145152來實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路，只需外加一階環(huán)路濾波器和VCO，參考分頻比和分頻比均采用外部控制模式。MC145152的外圍電路（包含鑒相器PD、計(jì)數(shù)器、基準(zhǔn)振蕩頻率）設(shè)計(jì)如圖5-1。

圖中K6、K7、K8是撥碼開關(guān)，Y2是晶振，C38電容采用云母電容，其他電容采用瓷片電容。晶體振蕩器是頻率綜合器中關(guān)鍵的部件，它的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，我們選擇的是13MHZ恒溫晶體振蕩器。

圖4-1　MC145152的外圍電路圖

4.2環(huán)路濾波器（LPF)的設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，影響整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)的特性，包括鎖定速度、相位噪聲、反饋的穩(wěn)定性等。優(yōu)先選用性能優(yōu)異的CA3140運(yùn)放，能夠滿足單電源供電、GDB大于1MHZ，電壓轉(zhuǎn)換速率快，輸入阻抗的的性能要求LPF的設(shè)計(jì)如圖5-2。

4.3壓控振蕩器（VCO）的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)VCO技術(shù)指標(biāo)的要求，優(yōu)先采用MC1648芯片，R30用于調(diào)整芯片的輸出管腳電平的幅度，減小失真。L6是空心電感線圈，D5、D6、D7、D8是變?nèi)荻O管，采用FV1043.

VCO的設(shè)計(jì)如圖5-3。

4.4電源、分頻器的設(shè)計(jì)

做穩(wěn)定性高的電子設(shè)備，電源的穩(wěn)定性就很重要。使用線性穩(wěn)壓電源會(huì)比較合適，因?yàn)槠浼y波比開關(guān)電源小，這里采用了LM7805和LM7812穩(wěn)壓芯片。12V的電源只用于LPF，提高LPF的供電電壓，可以擴(kuò)大PLL的頻率變化范圍；其余都采用5V供電。前置分頻器選用MC12022芯片，配合MC145152的MC引腳使用。

圖4-3　壓控振蕩器（VCO）的電路圖

圖4-4　分頻器的電路圖

5　總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)際的測(cè)試記錄數(shù)據(jù)為：本振輸出頻率：900MHZ~1200MHZ，輸出功率：≥+5 dBm，

相位噪聲：-75dBc/Hz@10KHz。從測(cè)試結(jié)果看,相位噪聲,頻率雜散水平及頻率分辨率都是比較理想的，從而證實(shí)了其可行性和前瞻性，同時(shí)也表明MC145152在相位噪聲、雜散抑制度、諧波抑制度等方面確有很好的表現(xiàn)。另外,設(shè)計(jì)電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)小型化，非常適合應(yīng)用在對(duì)性能價(jià)格比有較高要求的通信及測(cè)量設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)

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趙慧娟，女，漢族，江蘇，1981年12月生，中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院在讀工程碩士。

Frequency synthesis technique based on phase locked loop (PLL) L band

Zhao Huijuan
(Jiuzhou College of Vocation and Technology,Xuzhou Jiangsu,221116)

Abstract：Frequency synthesizer is the core component of the electronic equipment,the performance of the performance of the overall performance of the electronic equipment.In this paper,a phase locked loop frequency technique based on phase locked loop (PLL) L band is studied.Its design scheme uses MC145152 to realize the phase locked loop,the external loop filter LPF and the voltage controlled oscillator VCO and other devices to achieve,with a strong research and design value.

Keywords：frequency synthesizer;phase locked loop;voltage controlled oscillator

作者簡介