电子信息工程毕业论文锁相频率合成器设计.doc
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1、三 江 学 院本科毕业设计(论文)题 目 锁相频率合成器设计 电子信息工程 院(系) 电子信息工程 专业学生姓名 崔俊 学号 B07091005 指导教师 蒋榴英 职称 副教授 起讫日期 2011-2-212011-6-3 设计地点 三江学院 摘 要随着电子技术的发展,要求信号的频率越来越准确和越来越稳定,一般振荡器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高稳定度早已被人们认识,成为各种电子系统的必选部件。但是它的频率变化范围很小,频率值不高,很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求,在这些应用领域,往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源,这就需要应用频率合成技术
2、来满足这一需求。本文将全面介绍目前应用最广的锁相频率合成器,以及它的组成和各个组成模块的工作原理。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。本文详细论述了集成锁相环路(CD4046芯片)的功能,以及它在电路中的工作原理。关键词: 频率合成器 ;锁相环;CD4046 AbstractWith the development of electronic technology, the requirements are more frequent signal increasing accuracy and stability, the general oscillator system can
3、not meet design requirements. Crystal oscillator of high stability has long been recognized, a variety of electronic system components must be elected. But its a very small frequency changes in the scope, frequency value is not high, it is difficult to meet the communications, radar, monitoring and
4、control, instrumentation and other electronic systems in these applications often require a frequency range provides a wide range of high accuracy and high stability frequency source, which requires the application of frequency synthesis technology to meet this need. In this paper, a comprehensive i
5、ntroduction to the most widely PLL frequency synthesizers, as well as its various components of the composition and working principle module. Phase-locked loop is componented by the phase detector, loop filter and VCO. This paper introduce integrated PLL (CD4046 chip) function and its place in the c
6、ircuit works. Key words: frequency synthesizer ;PLL;CD4046目 录第一章 前言1第二章 锁相频率合成器32.1锁相环32.2频率合成器42.3锁相频率合成器5第三章 锁相频率合成器设计63.1总体设计方案63.2各部分电路设计63.2.1标准信号源设计63.2.2集成锁相环CD404683.2.3可变分频器设计103.3锁相频率合成器电路图12结束语13致 谢14参考文献15第一章 前言现代通信系统中,为确保通信的稳定与可靠,对通信设备的频率准确率和稳定度提出了极高的要求。 随着电子技术的发展,要求信号的频率越来越准确和越来越稳定,一般的
7、振荡器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高准确度和高稳定度早已被人们认识,成为各种电子系统的必选部件。但是晶体振荡器的频率变化范围很小,其频率值不高,很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求,在这些应用领域,往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源,这就需要应用频率合成技术来满足这一需求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换,产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。频率合成理论自20世纪30年代提出以来,已取得了迅速的发展,逐渐形成了目前的4种技术:直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术
8、。频率合成器和常规的振荡式正弦信号频率源相比,其优点是:1具有较高的频率长期稳定度。2易于实现数字置定和显示频率。由于频率合成器便于直接用数字显示频率,这样可提高频率的分辨能力和频率置定的重复性。由于具有上述优点,频率合成器在通信设备(或通信系统)中得到广泛应用,其工作频率精确和稳定,并能使收、发信机实现无搜索、无微调的快速通信。频率合成器还广泛地应用于雷达、导航、频率时间标准等各个技术领域。例如,在雷达及电子对抗中,利用频率合成器可以迅速而又准确地改变频率,以避开敌机的侦察和干扰。在各种精密仪表中,频率合成器能提供高分辨力、低噪声(相位噪声)的信号,以适应各种精密测量的需要。随着频率合成器是
9、从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件。它在信息通信方面也得到了广泛的应用,并有新的发展。随着数字技术的飞速发展,使频率合成技术也跃上了一个新的台阶。 传统的频率合成器,通常从一排晶体振荡器产生的各种频率通过开关进行频率混合,或者采用锁相(PLL) 技术实现频率合成。早期的频率合成器主要由分立元器件来实现。80年代以来,微电子技术和计算机技术的飞速发展,使得频率合成器趋于全集成化,所有电路都集成在一块芯片上。频率合成器的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、系列品种更加完善。双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。频率合成
10、器已经与通信系统收发信机的射频电路集成在一起,形成了集接收机、发射机、频率合成器于一体的SOC芯片。生产频率合成器芯片的厂商主要有美国的AD公司、国家半导体公司、Motorola公司、Qualco mm公司;日本的富士通公司和荷兰的Philips公司。现代通信与电子系统的发展,对频率合成技术在多个性能方面提出了更高的要求,也使得频率合成技术朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率间隔的微细化、频率改变高速化的方向发展。这也必将使得频率合成技术在信号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域得到更加广泛的应用。锁相频率合成技术是运用锁相和数字分频器相结合的技术对信号频率进行四则
11、运算,谐波分量是利用锁相环的窄带滤波特性加以滤除的,由于它不采用传统的谐波发生器、倍频器等器件,从而使频率合成器结构简单,造价低,并且有良好的噪声特性。锁相频率合成方法的优点是稳频和杂散抑制好,调试方便。目前,锁相频率合成技术已得到最为广泛的应用。第二章 锁相频率合成器2.1锁相环锁相环是指一种电路或者模块,它用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的(或者说,相干的)。由于锁定情形下(即完成捕捉后),该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差,所以很形
12、象地称其为锁相器。而一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是: 1 鉴相器:用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度; 2 可调相/调频的时钟发生器器:用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器, 内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能; 3 环路滤波器:用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。 相当于一个负反馈环路结构,所以一般称为锁相环(PLL: Phase Locking Loop) 锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的
13、,可以用于恢复载波也可以用于恢复基带信号时钟。 如图,2-1,锁相环由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差 ,并输出误差电压Ud 。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除,形成压控振荡器(VCO)的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率拉向环路输入信号频率,当二者相等时,环路被锁定 ,称为入锁。参考信号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输出信号 图2-1 锁相环结构图2.2频率合成器频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率,由此导出多个或
14、大量的输出频率,这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。用来产生这些频率的部件就成为频率合成器或频率综合器。频率合成器通过一个或多个标准频率产生大量的输出频率,它是通过对标准频率在频域进行加、减、乘、除来实现的,可以用混频、倍频和分频等电路来实现。其主要技术指标包括频率范围、频率间隔、准确度、频率稳定度、频率纯度以及体积、重量、功能和成本。频率合成器的合成方法有直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波,从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快(小于100ns),但是体积大、功耗大,成本高,目前已基本不被采用。锁相频率合
15、成器通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算,其结构是一种闭环系统。其主要优势在于结构简化、便于集成,且频率纯度高,目前广泛应用于各种电子系统。直接式频率合成器中所固有的那些缺点,在锁相频率合成器中大大减少。频率合成器有各种不同的实现方法,其性能也有很大的差异,但其主要的性能指标相同,主要有如下几种。(1)频率范围 频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围,也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示(k又称之为波段系数)。如果覆盖系数k23时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。 (2)频率间隔(频率
16、分辨率) 频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。(3)频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。(4)准确度与频率稳定度 频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。 2.3锁相频率合成器锁相频率合成的基本方法是:锁相环路对高稳定度的参考振荡器锁定,环内串接可编程的程序分频器,通过编程改变程序分频器的分频
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- 电子信息工程 毕业论文 频率 合成器 设计
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