锁相与频率合成技术共69页
锁相环(PLL)频率合成调谐器
锁相环（PLL）频率合成调谐器调谐器俗称高频头，是对接收来的高频电视信号进行放大（选频放大）并通过内部的变频器把所接收到的各频道电视信号，变为一固定频率的图像中频（38MHz）和伴音中频以利于后续电路（声表面滤波器、中放等）对信号进行处理。
调谐器（高频头）原理：高频放大：把接收来的高频电视信号进行选频放大。
本机振荡器：产生始终高于高频电视信号图像载频38MHz的等幅载波，送往混频器。
混频器：把高频放大器送来的电视信号和本机振荡器送来的本振等幅波，进行混频产生38MHz的差拍信号（即所接收的中频电视信号）输出送往预中放及声表面滤波器。
结论：简单的说：只要改变本机振荡器的频率即可达到选台的目的）一、电压合成调谐器：早期彩色电视接收机大部分均采用电压合成高频调谐器，其调谐器的选台及波段切换均由CPU输出的控制电压来实现（L、H、U波段切换电压及调谐选台电压），其中调谐选台电压用来控制选频回路和本振回路的谐振频率，调谐选台电压的任何变化都将导致本机振荡器频率偏移，选台不准确、频偏、频漂。
为了保证本机振荡器频率频率稳定，必须加上AFT系统。
由于AFT系统中中放限幅调谐回路和移相网络一般由LC谐振回路构成，这个谐振回路是不稳定的，这就造成了高频调谐器本机振荡器频率不稳，也极易造成频偏、频漂。
二、频率合成调谐器1、频率合成的基本含义：是指用若干个单一频率的正弦波合成多个新的频率分量的方法（频率合成调谐器的本振频率是由晶振分频合成的）。
频率合成的方法有很多种。
下图为混频式频率合成器方框图以上图中除了三个基频外还有其“和频”及“差频”输出（还有各个频率的高次谐波输出）。
输出信号的频率稳定性由基准信号频率稳定性决定，而且输出信号频率误差等于各基准信号误差之和，因此要想减少误差除了要提高基准信号稳定度之外还应减少基准信号的个数。
2、锁相环频率合成器：其方框图类似于彩色电视接收机中的副载波恢复电路，只是在输入回路插入了一个基准信号分频器（代替色同步信号输入）而在反馈支路插入一个可编程分频器（代替900移相）。
锁相技术及频率合成
技术优势与挑战
技术优势
PLL和FS的结合可以实现快速频率切 换、低相位噪声、高分辨率等优点。
技术挑战
需要解决PLL和FS之间的相位噪声传 递和杂散抑制等问题，以确保输出信 号的质量。
实际应用案例
通信系统中的频率合成
用于产生稳定的本振信号，确保接收和发射信号的稳定性和准确 性。
雷达系统中的频率合成
锁相技术原理
锁相技术的基本原理是利用负反馈控制，将外部输入信号与 内部振荡信号进行相位比较，并根据比较结果调整内部振荡 器的参数，使两者的相位保持一致。
当外部输入信号的频率与内部振荡信号的频率相差较小时， 锁相环能够自动跟踪输入信号的频率，并保持两者之间的相 位差恒定。
锁相技术的应用
锁相技术在通信、雷达、导航 、测量等领域得到广泛应用。
智能化
利用人工智能和机器学习技术，实 现锁相技术及频率合成的智能化控 制，提高系统的自适应性。
研究热点与前沿
宽频带、高精度频率合成
01
研究宽频带、高精度频率合成技术，以满足通信、雷达、电子
对抗等领域的需求。
快速频率跳变
02
研究快速频率跳变技术，实现快速切换和灵活的通信方式，提
高通信系统的抗干扰能力和保密性。
电子对抗
在电子对抗领域，锁相技术和频率合成技术用于生成干扰信号和探测信
号，对于提高电子设备的抗干扰能力和探测能力具有重要作用。
02
锁相技术概述
锁相技术定义
Байду номын сангаас
01
锁相技术是一种通过相位比较和 调整实现信号频率跟踪和锁定相 位的电子技术。
02
它利用外部输入信号与内部振荡 信号的相位比较，自动调整内部 振荡器的参数，使两者的相位保 持一致。
锁相频率合成器的设
摘要频率源是现代通信系统的心脏，其稳定与否直接影响到系统的正常工作。
现代通信系统对于稳定的频率源的需求也越来越广泛，而频率稳定度问题则已成为许多现代通信系统和设备的一个关键性技术问题。
如今锁相技术以其独特和优良的性能在调制解调、频率合成、FM立体声解码等方面普遍应用。
锁相环路具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可以提取淹没在噪声之中的信号;用高稳定的参考振荡器锁定，可以提供一系列频率高稳定的频率源。
本文主要讨论了基于锁相环的宽带调频电路的设计问题。
以MOTOROLA 公司生产的大规模集成芯片MC145146为核心元件,配以周边MC12017,MC1648等器件，设计了可以与宽带调频电路接口的锁相环，软件部分采用单片机控制频率的编辑和显示，更加直观和方便。
关键词：锁相环、频率合成器、鉴相器、调频ABSTRACTThe frequency source is the key specification of a modem communication system. The modern communication systems require more and more stable frequency source, and the problem of the frequency stability has become a key technique problem of most electronic instruments. The PLL circuits are global used in modulation and demodulation、frequency synthesize、FM stereo decode and so on. The PLL circuits has the characteristic of carrier track. As a narrow band fitter, it can pick up the signal which is submerged in the noise. When it is locked with a high-stable reference oscillator, it can be a high-stable frequency source which can offer series of frequency. This paper mainly discusses the design problems of broadband frequency modulation circuits based on PLL. With the main devices MC145146、MC12017、MC1648 which are manufactured by MOTOROLA. The work includes designing a PLL which is able to interface with a broadband frequency modulation circuits, making the corresponding hardware and finishing the testing of the hardware.Key words: PLL ; frequency-synthesizer；phase detector；modulation目录第1章绪论 (1)1.1锁相技术的发展概况 (1)1.2频率综合技术及其发展 (1)1.3锁相环路的工作特点 (3)1.4设计任务与实现方案 (3)第2章锁相频率合成器的设计 (5)2.1锁相频率合成器 (5)2.1.1 锁相环路的基本组成 (5)2.1.2 使用前置分频器的锁相频率合成器的组成 (6)2.1.3 变模分频锁相频率合成器 (6)2.2基于MC145146的锁相频率合成器的设计 (8)2.2.1 频率合成芯片MC145146及其外接部分的设计 (9)2.2.2 环路滤波器的设计 (12)2.2.3 压控振荡器的设计 (13)2.2.4 前置预分频器的设计 (15)2.3本设计中参数的确定 (16)2.4本章小结 (18)第3章单片机控制部分 (19)3.1单片机控制的原理 (19)3.2单片机控制部分主要程序模块的处理流程图 (21)3.3本章小结 (23)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (27)附录A 全电路原理总图 (28)第1章绪论1.1 锁相技术的发展概况锁相技术是实现相位自动控制的一门学科。
锁相技术及频率合成
FM /RF 输入1
FM /RF
12 13
输入2
15
VC O 2 输入
3
VC O
输出 4
Uc 16
PD
A3 1
偏压参考源
环路 滤波器
14
13
LF
VC O
56
接定时 电 容C T
去加重 10
A1
A2
9 FM 解调输出
限幅器
7 跟踪范 围控制
8 － U c或 地
图7.16 L562方框图
运放输入 1 2
第7章 锁相技术及频率合成
相应地，鉴相器输出的误差电压ud(t)=AdsinΔωit。 显然，ud(t)是频率为Δωi的差拍电压。下面分三种情况 进行讨论：
(1)Δωi(t)较小，即VCO的固有振荡频率ωr与输入信 号频率ωi相差较小。
(2)Δωi较大，即ωr与ωi相差较大，使Δωi超出环路 滤波器的通频带，但仍小于捕捉带Δωp。
7.1.2 锁相环路的数学模型
1. 鉴相器
在锁相环路中，鉴相器是一个相位比较装置，用
来检测输入信号电压ui(t)和输出信号电压uo(t)之间的相 位差，并产生相应的输出电压ud(t)。
设压控振荡器的输出电压uo(t)为
uo(t)=Uomcos［ωrt+φo(t)］
(7―1)
设环路输入电压ui(t)为
锁定条件可写成
lim de(t) 0
t dt
(7―21)
把dφe(t)/dt＝0代入式(7―20)，可得
Asine(t)i
(7―22)
第7章 锁相技术及频率合成
上式表明，环路锁定时控制频差等于固有频差。
由于锁定时,φe(t)=φe(∞)，故由上式可得
频率合成技术
1、直接模拟频率合成
直接模拟频率合成技术是一种早期旳频率合成技术，它用一种或几 种参照频率源经谐波发生器变成一系列谐波，再经混频、分频、倍频和 滤波等处理产生大量旳离散频率，这种措施旳优点是频率转换时间短、 相位噪声低，但因为采用大量旳混频、分频、倍频和滤波等途径，使频 率合成器旳体积大、成本高、构造复杂、轻易产生杂散分量且难于克制。 不能实现单片集成，逐渐被锁相频率合成，直接数字频率合成技术替代。
K
累加寄存器输出旳累加相位数据相加，把相加后旳成果送至累加寄存器旳数据输入端。累 加寄存器将加法器在上一种时钟脉冲作用后所产生旳新相位数据反馈到加法器旳输入端， 以使加法器在下一种时钟脉冲旳作用下继续与频率控制字相加。这么，相位累加器在时钟 作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此能够看出，相位累加器在每一种时钟 脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出旳数据就是合成信号旳相位，相位 累加器旳溢出频率就是DDS输出旳信号频率。
DDS问世之初，构成DDS元器件旳速度旳限制和数字化引起旳噪声这两个主要缺 陷阻碍了DDS旳发展与实际应用。近几年超高速数字电路旳发展以及对DDS旳进一步 研究，DDS旳最高工作频率以及噪声性能已接近并到达锁相频率合成器相当旳水平。
2、锁相频率合成技术 （1）锁相环路工作原理
PD ————产生误差电压 ，LF ————产生控制电压， VCO ————产生瞬时输 出频率
PLL环路在某一原因作用下，利用输入与输出信号旳相位差产生误差电压，并滤除其 中非线性成份与噪声后旳纯净控制信号控制压控振荡器，使相位差朝着缩小固有角频 差方向变化，一旦相位差趋向很小常数（称为剩余相位差）时，则锁相环路被锁定了，
波形存储器设计主要考虑旳问题是其容量旳大小，利用波形幅值旳奇、偶对称特征，能够节省3/4 旳资源，这是非常可观旳。为了进一步优化速度旳设计，能够选择菜单Assign|Global Project Logic Synthesis旳选项Optimize10(速度)，并设定Global Project logic Synthesis Style为FAST，经寄存器性 能分析最高频率到达100MHz以上。用FPGA实现旳DDS能工作在如此之高旳频率主要依赖于FPGA先 进旳构造特点。
锁相环倍频
锁相环倍频锁相环倍频是一种常用的频率合成技术，可以将输入的信号倍频到更高的频率。
它在现代通信、雷达、微波、光纤通信等领域中得到广泛应用。
本文将对锁相环倍频的原理、应用和实现进行详细阐述。
一、锁相环倍频的原理锁相环倍频是利用锁相环的稳定性和反馈控制能力来实现的。
锁相环由一个相频比较器、一个电压控制振荡器（VCO）、一个相位误差检测器、滤波电路和一个反馈回路组成。
1.相频比较器：将输入信号和VCO的输出信号进行比较，得到相位误差信号。
2.VCO：根据相频比较器输出的相位误差信号，调整自身的频率。
3.相位误差检测器：检测VCO输出信号的相位与输入信号的相位之间的差异。
4.滤波电路：将相位误差信号进行滤波处理，得到控制VCO频率的电压信号。
5.反馈回路：将滤波电路输出的电压信号反馈给VCO，控制VCO的频率与输入信号的频率保持一致。
锁相环倍频的工作原理是通过调整VCO频率，使得反馈回路能够将输入信号与VCO输出信号的相位保持恒定，从而实现对输入信号的倍频。
二、锁相环倍频的应用锁相环倍频广泛应用于各种需要高稳定性和高精度的频率合成系统中。
下面介绍几个典型的应用场景。
1.通信领域：在无线通信中，锁相环倍频可以将基带信号倍频到射频频率，用于信号的调制和解调。
它可以使得信号频率更高，提高通信信号的传输距离和抗干扰能力。
2.雷达系统：在雷达系统中，锁相环倍频可以将低频信号倍频到微波频率，用于雷达的脉冲压缩和信号处理。
它可以提高雷达系统的分辨率和目标检测能力。
3.光纤通信：在光纤通信系统中，锁相环倍频可以将低频光信号倍频到高频光信号，用于光时钟的生成和光信号的调制。
它可以实现光信号的稳定传输和高速通信。
三、锁相环倍频的实现锁相环倍频的实现需要选择合适的锁相环参数和设计合理的电路结构。
下面介绍几种常用的锁相环倍频实现方案。
1.模拟锁相环倍频：模拟锁相环倍频使用模拟电路实现，具有延迟小、稳定性好等特点。
它适用于频率较低的应用场景，如音频信号的倍频。
锁相频率合成.pptx
20，B = 200~300。求合成器输出频率o 的范围和频率分辨率。
fr
PDA
LFA
M
VCOA
A环
fA
NA
PDC
LFC
C环
BPF
PDB
LFB
VCOB
fB
VCOC
B环
NB
=
=
输出的周期个数为个。也就是说，整个电路的分频因子为，合
成器的输出信号频率为：
o = 1 + 2 r
第12页/共20页
变模分频合成器
合成器集成电路
晶振
参考分频器
fr
PD
N1
LF
VCO
fd
N2
fo
模式控制
V /V 1
➢ 特点
①
双模分频PLL合成器的频率分辨率为r ；
②
两个可编程分频器的工作频率为o /( + 1)或o /；也就是说合成
出频率为o /( + 1)；
d)
双模分频器输出2 个周期的脉冲（输入端输入了2 ( + 1)个周期）后，
2 分频器的计数变为0，此时，模式控制将变为低电平，同时，双模分
频器的分频模数变为，也就是说，双模分频器的输出频率将变为o /；
第9页/共20页
变模分频合成器
合成器集成电路
晶振
b)
双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，它们分别预置在1
和2 ，其中1 > 2 ；
第8页/共20页
变模分频合成器
合成器集成电路
锁相式数字频率合成器的设计
课程设计题目: 锁相式数字频率合成器的设计已知技术参数和设计要求：12 3 4一、锁相式数字频率合成器设计方框图二、锁相式数字频率合成器设计要求1、要求设计出数字锁相式频率合成器的完整电路。
2、晶体振荡器部分要求用数字电路设计（可以参考CD4060 74LS04等）。
3、要求1/M分频器分别产生，1KH Z、2KH Z、4KH Z的方波信号，并且通过开关分别选择其中之一接入锁相环的相位比较器输入端作为 f R。
4、要求频率合成器输出的频率范围f o分别为（0000~9999 ）X 1KH Z、（0000~9999 ）X 2KH Z、（0000~ 9999 ）X 4KH Z，并且设计出相对应的1/N分频器（四位）。
5、锁相环型号：选择LM4046、或CD4046。
石英晶体选择4.096MH Z或8.192MH Z等，其他集成电路及元器件根据设计要求自己选择。
6、用Protel 99SE或Protel DXP画出锁相式数字频率合成器的原理方框图、电路图、仿真波形图（仿真1/N分频器和1/M分频器输出信号波形）、然后画出PCB图。
7、计算当F r =1Kh Z、2KH Z、4KH Z时1/M分频器应该是多少分频，锁相式数字频率合成器输出频率计算：f0=?（每个人计算f0= ?的要求见附录一电子表格）。
8、主要参数测试：包括晶体振荡器输出频率；1/M分频器输出频率；1/N可编程分频器的测试；锁相环的扑捉带和同步带测试方法；锁相环压控振荡器的控制特性曲线测试方法，（以上测试要说明用何种仪器）。
做出误差分析。
9、编写出数字锁相式频率合成器的课程设计报告。
3 4工作计划安排：课程设计动员、下达任务书、查阅和收集资料。
根据课程设计任务书要求，设计和计算电路。
学习用Protel 99SE 或Protel DXP 画出电路的 工作原理图、PCB 图和元器件清单。
对设计电路进行调试、 仿真并写出课程设计报告。
上交课程设计论文。