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频率合成技术 2015年全国大学生电子设计竞赛讲座 哈尔滨工程大学信通学院 频率合成器 一.频率合成器分类及主要技术指标 1.什么是频率合成? 频率合成是利用一个（或几个）高准确度和高稳定度的基准频率,通过一定的变换与处理后,形成一系列等间隔的离散频率。这些离散频率的频率准确度和稳定度都与基准频率相同，而且能在很短的时间内，由某一频率切换到另一频率。 2.频率合成器的分类 ①直接式频率合成器 ②锁相频率合成器 ③直接式数字频率合成器 3.主要技术指标 (1)工作频率范围 最高与最低输出频率所确定的频率范围。 (2)频率间隔 每个离散频率之间的最小间隔称为频率间隔，又称分辨力。 不同用途的合成器，对频率间隔的要求也不同。短波单边带通信的频率间隔一般为100Hz，有时也取10Hz、1Hz、0.1Hz。超短波通信则多取50KHz，有时也取25KHz。 (3)频率转换时间 合成器从某一频率转换到另一频率并达到稳定所需的时间。 (4)频率稳定度与准确度 频率稳定度是指在规定时间内，合成器输出频率偏离标称值的相对变化的大小。准确度是表示实际工作频率与标称值的差。二者有密切关系。 (5)频谱纯度 频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。 二. 直接频率合成器 1.基本原理 采用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准源，经过具有加减乘除运算功能的混频器、倍频器、分频器产生所需的新频率，由具有选频功能的滤波器和电子开关阵进行频率选择，可产生大量的频率间隔较小的离散频率系列。 2.单个基准源的直接频率合成器 直接式频率合成器 基准频率是由谐波发生器提供，发生器引出了10条谐波输出线，其频率分别为0~9MHz。 3.直接式频率合成器的特点 直接式频率合成器的频率跳变一般是通过控制滤波器、电子开关阵实现，频率切换时间主要受限于选频电路、电子开关阵的响应速度。 优点是频率转换时间比较短，能产生任意小的频率间隔。 缺点是频率范围有限，离散频率点不能太多。 由于采用了大量的倍频器、分频器，特别是混频器，使输出信号中的寄生频率成分和相位噪声显著加大。 而过多的滤波器又使设备庞大，成本较高，使其发展受到了限制。 三.锁相频率合成器 1.锁相环路基本原理 (1)鉴相器及其相位模型 鉴相器是相位比较器，其功能是用来比较输入信号的相位和压控振荡器(VCO)输出信号的相位，其输出电压与这两个信号的相位差成正比。 任何一个理想的模拟乘法器都可以作为鉴相器。 鉴相器的相位模型 设输入信号电压和压控振荡器输出信号电压分别为 式中，URm为输入信号电压的振幅； ωR为输入信号的角频率；θR(t)为输 入信号以其载波相位ωRt为参考的瞬时相位； UVm为压控振荡器输出信号电压的振幅；ω0压控振荡器输出信号的中心角频率；θV (t)为压控振荡器输出信号以相位ω0t为参考的瞬时相位。 为了便于比较两信号之间的相位差，规定统一以压控振荡器在控制电压uc(t)=0时的振荡角频率ω0确定的相位ω0t为参考相位。这样就可以将输入信号改写为 式中，θ1(t)=(ωR-ω0)t+θR(t)称为输入信号以相位ω0t为参考的瞬时相位。 经相乘器，uR(t)与uV(t)相乘后，设其输出为 式中，KM为乘法器的系数，单位1/V。 因环路中有环路滤波器，它只允许低频分量通过。乘法器的输出可认为只有低频分量。则 θe(t)=θ1(t)- θV(t)为鉴相器输入信号的瞬时相差， 结论： (1)乘法器作为鉴相器,在输入特定条件下的鉴相特性是正弦特性,如图9.2.2所示 ； (2)鉴相器的作用是将两个输入信号的瞬时相位差θe(t)变为输出电压ud(t),其作用可以用图9.2.3所示数学模型来表示。 (3)鉴相器的