第10章频率合成器.ppt

第10章 频率合成器 10.1 频率合成器的基本原理 10.2 锁相环频率合成器PLL 10.3 直接数字频率合成器DDS 10.4 PLL＋DDS频率合成器  10.1 频率合成器的基本原理 10.1.1 频率合成器的主要指标 除了振荡器的基本指标外,频率合成器还有其他一些指标。经常需要考查的指标有频率、 功率、 相位、 噪声等。 1. 频率有关指标 频率稳定度: 与振荡器的频率稳定度相同, 包括时间频率稳定度和温度频率稳定度。 频率范围: 频率合成器的工作频率范围,由整机工作频率确定,输出频率与控制码一一对应。 频率间隔: 输出信号的频率步进长度,可等步进或不等步进。 频率转换时间: 频率变换的时间,通常关心最高和最低频率的变换时间,即最长时间。 2. 功率有关指标 输出功率: 振荡器的输出功率,通常用dBm表示。 功率波动: 频率范围内,各个频点的输出功率最大偏差。 3. 相位噪声 相位噪声是频率合成器的一个极为重要的指标,与频率合成器内的每个元件都有关。降低相位噪声是频率合成器的主要设计任务。下面将详细讨论。 4. 其他 控制码对应关系: 指定控制码与输出频率的对应关系。 电源: 通常需要有两组以上电源。 10.1.2 频率合成器的基本原理 1. 直接频率合成器 直接频率合成器是早期的频率合成器。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。 例如,为了从10 MHz的晶体振荡器获得为1.6 kHz的标准信号,先将10 MHz信号经5次分频后得到2 MHz的标准信号,然后经2次倍频、 5次分频得到800 kHz标准信号,再经5次分频和100次分频就可得到1.6 kHz标准信号。同理, 如果想获得标准的59.5 MHz信号,除经倍频外,还将经两次混频、滤波。 直接频率合成方法的优点是频率转换时间短,并能产生任意小数值的频率步进。但是它也存在缺点,用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于采用了大量的倍频、 混频、 分频、 滤波等电路,给频率合成器带来了庞大的体积和重量,而且输出的谐波、 噪声和寄生频率均难以抑制。 1) 基本原理 锁相环频率合成器的基本原理如图10 - 1 所示。压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较,当振荡频率调整到接近于基准信号的某次谐波频率时,环路就能自动地把振荡频率锁到这个谐波频率上。这种频率合成器的最大优点是结构简单,指标可以做得较高。由于它是利用基准信号的谐波频率作为参考频率的,故要求压控振荡器的精度必须在±0.5fR以内,如超出这个范围,就会错误地锁定在邻近的谐波上,因此,选择频道比较困难。另外,它对调谐机构性能要求也较高,倍频次数越多,分辨率就越差,因此,这种方法提供的频道数是有限的。 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,即在锁相环路中插入一个可变分频器,如图10-2所示。这种频率合成器采用了数字控制的部件,压控振荡器的输出信号进行N次分频后再与基准信号相位进行比较,压控振荡器的输出频率由分频比N决定。当环路锁定时,压控振荡器的输出频率与基准频率的关系是f=NfR。从这个关系式可以看出,数字式频率合成器是一种数字控制的锁相压控振荡器,其输出频率是基准频率的整数倍。通过控制逻辑来改变分频比N,压控振荡器的输出频率将被控制在不同的频率上。 例如,基准频率fR＝1 kHz,控制可变分频比N＝50 000～40 001,则压控振荡器的输出频率将为500.00～400.01 kHz(频率间隔为10Hz)。因此,数字式频率合成器可以通过可变分频器的分频比N的设计,提供频率间隔小的大量离散频率。这种频率合成法的主要优点是锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器,具有良好的窄带跟踪滤波特殊性和抑制输入信号的寄生干扰能力,节省了大量滤波器,有利于集成化、 小型化。另外,它有很好的长期稳定性,从而使数字式频率合成器有高质量的信号输出。因此,数字锁相合成法已获得越来越广泛的应用。 3. 直接数字频率合成器（DDS） 直接数字频率合成技术是从相位概念出发,直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。 近年来技术和器件水平的不断发展,使DDS技术得到了飞速的发展,它在相对带宽、 频率转换时间、 相位连续性、 正交输出、 高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统的频率合成技术,是目前运用最广泛的频率合成方法。 DDS以有别于其他频率合成方法的优越性