数字频率合成器的研究.docVIP

引言 （一）数字频率合成器的发展现状及研究概况 数字频率合成器是一种基础测量仪器,到目前为止已有30多年的历史,早期设计师们追求的目标主要是扩展测量范围,再加上提高测量的精度、稳定度等，这些也是人们衡量数字频率计的技术水平，决定数字频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日益完善，成熟。应用现代技术可以轻松的将数字频率计的测频上限扩展到微波频段。 随着科学技术的发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。对低档产品要求操作简单方便，测量（足够）宽、可靠性高、价格低。而对于中高档产品要求有高的分辨率、高精度、高稳定度、高测量速率；除了通用频率计所具有的功能外，还要求有数据处理功能，统计分辨功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能，这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。 目前国外市场上的频率计数器, 都是基于脉冲计数的原理, 其功能除了直接测量频率值外, 还可测量信号周期、多周期、时间间隔、脉冲宽度、频率比、占空比、统计计数等, 有的甚至可以测量频率参数以外的参数, 如电压、相位、功率等。这种以频率测量为主体的多功能数字式测量仪器, 也称电子计数器。 综观国内研制生产的数字式频率计, 虽然在采用大规模集成电路和专用集成电路、改进设计、强化多功能和小型化等方面取得很大进展, 但其技术性能与国外同类先进产品相比, 仍有差距。 （二）数字频率合成技术 频率合成理论于20世纪30年代提出，利用单个或多个晶振作为基准信号源，通过分频器、倍频、混频等方法，产生大量的离散频率信号。 频率合成的方法很多，大致可分为直接合成法和间接合成法两种。直接合成法式通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。直接合成法的优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。但它也存在一些不可克服的缺点，用这次方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于大量的倍频，混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。而间接合成法就是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。 50年代，随着数字集成电路以及微电子技术的发展，出现了数字式频率合成器和直接数字频率合成器[14]。 二数字锁相法 对锁相环的讨论与很多其他领域的分析相关，包括对闭环控制理论的理解。可以使用控制理论中的负反馈概念，对于闭环系统的性能进行调整。响应时间、瞬态性能、带宽、阻尼比率和相位裕度等指标可以用于描述锁相环的工作。 在绝大多数的锁相环中，至少有两个元件是高频元件：压控振荡器（VCO）和鉴相器（PD），还有可能有一些其他高频元件，如放大器、混频器及其他振荡器等。在锁相环中倍频可能会需要数字集成电路。这些集成电路需要数字控制来设置所需的频率。现在有很多集成电路可以在单芯片内集成多个锁相环功能块。绝大部分是接口控制是数字的。 在锁相环中，模拟电路设计可能是最具有挑战的是设计工作。很多滤波器电路都采用运算放大器。环路滤波器要用反相电路。积分电路等用于控制锁相环运行。电阻电容电路用于提供相移以确保环路的稳定性。 （一）单环数字式频率合成器 目前，应用最常用的频率合成法之一是数字锁相法，采用单环数字式频率合成器和多环数字式频率合成器。 如图2-1所示为最基本的单环数字式频率合成器。它采用了： 可变程序分频器N 晶体振荡器经R分频得到基准信号fr VCO输出f0经N分频得到fv. （图2-1） 如图所示，高稳定度的参考振荡源信号经R次分频后，得到频率为fr的参考脉冲信号。同时压控振荡器的输出经N次分频后得到频率为fv的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。当环路处于锁定状态时，则有输出信号：f0=Nfv=Nfr。显然，只要改变分频比N，即可实现输出不同频率的f0的目的，从而实现了由fr合成f0的目的。 （二）多环数字式频率合成器 在不降低参考频率的情况下，提高频率分辨率的一个方法就是采用多环频率合成的方法，常见的有双环和三环的频率合成器。如图2-2所示就是一个三环锁相频率合成器： (图2-2) 如图2-2所示，它由三个锁相环路和一个混频电路构成，设环路A输出频率为f0 经过一个M倍的固定分频器后得到fA FA=f0÷M=(NA/M)fI 频率分辨率为 △fA=(1/M)fi 显然环锁相频率合成器与单环数字式频率合成器相比就可以频率分辨率提高M倍。 三直接数字频率合成法 直接数字频率合成技术具有频率分辨率高、频率转换时间短、输出频率相对带宽较宽、频率捷变时相位连续以及任意波形