锁相环频率合成器设计与Simulink仿真

摘要：介绍了锁相环频率合成器的的组成及工作原理，并基于Simulink 平台对双环锁相4倍频频率合成器进行了模型设计，仿真结果表明了设计的正确性及可行性。

Abstract: The principle and the composition of Frequency Synthesizer Based on Phase-1ocked Loop is introduced, and the Simulink module of Fourth Frequency-Multiply Frequency synthesilzer with Double Phase-Lock Loops is designed. The correctness and feasibility of this design is verified by simulation result.

关键词：锁相环；频率合成器；simulink

Key words: Phase-locked loop；frequency synthesizer；simulink

中图分类号：TP914 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）23-0135-02

0引言

频率合成是通信、测量系统中常用的一种技术，它是将一个或若干个高稳定度和高准确度的参考频率经过各种处理技术生成具有同样稳定度和准确度的大量离散频率的技术。频率合成器通常分为直接式频率合成器、间接式频率合成器、直接式数字频率合成器（DDS）。间接式频率合成器也称锁相式频率合成器，它是利用锁相环路的窄带跟踪特性，在石英晶体振荡器提供的基准频率源作用下，产生出一系列离散的频率。锁相式频率合成器的优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成，具有极低的相位噪声和杂散[1]。

1锁相环的工作原理

锁相环是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的反馈控制电路。锁相环主要由鉴相器、压控振荡器（VCO）及环路滤波器组成[2]，如图1所示。鉴相器通常由乘法器来实现，鉴相器输出的相位误差信号e（t）经过环路滤波器滤波后，作为压控振荡器的控制信号，而压控振荡器的输出s（t）又反馈到鉴相器，在鉴相器中与输入信号r（t）进行相位比较。锁相环是一个相位负反馈系统，当环路锁定后，压控振荡器的输出信号相位将跟踪输入信号v（t）的相位变化，而相位保持一个微小误差。

2锁相环频率合成器的工作原理

在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相环频率合成器，如图2所示。锁相环频率合成器主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO及可变分频器构成[3]。

由石英晶体振荡器产生一高稳定度的标准频率源fs，经参考分频器进行R分频后，得到参考频率fr，即：

fr=fs/R（1）

参考频率fr被送入锁相环路中鉴相器的一个输入端，设压控振荡器VCO的输出信号频率为fo，该信号N次分频之后送入鉴相器的另一个输入端。当锁相环路锁定时，鉴相器两个输入端的信号频率相等，即：

fr=fo/N（2）

因此，VCO的输出信号频率为：

fo=N・fr=N・fs/R（3）

改变分频系数N，就可得到不同频率的输出信号，fr为频率合成器的频率分辨率。

3单环频率合成器的缺陷

由以上分析可知，单环频率合成器的频率分辨率等于输入鉴相器的参考频率fr，频率分辨率太低。要提高频率分辨率，有两种途径：一、减小输入参考频率fr。但减小fr，环路滤波器的带宽也要压缩，这样，环路的捕捉时间或跟踪时间就要加长，即频率合成器的频率转换时间加大。二、在锁相环路输出端进行M分频，VCO输出信号的频率为：fo=N・fr /M，频率分辨率为fr /M。只要M足够大，就可以得到很大的频率分辨率。但这种技术的问题是环路工作频率需比要求的输出频率高M倍，有时是难以做到的[4]。故以上两种方案都是不妥当的。为了提高频率分辨率，常采用多环构成的频率合成技术。

4双环锁相频率合成器及simulink建模仿真

4.1 双环锁相频率合成器图3为双环锁相频率合成器组成框图[5]。它由两个锁相环路组成，A环路为N倍频，B环为窄带跟踪环。当锁相环路锁定时，鉴相器两个输入端的信号频率相等，则输出信号的频率fo及频率分辨率?驻f分别为：

fo=fb=fa/M=N・fr/M（4）

?驻f=fr/M（5）

由上可知，输入参考频率fr不变，频率转换时间也不变。但A环路输出接入固定分频器M后，使输出频率间隔减小了M倍，即可以使合成器在高参考频率下得到小的频率间隔。

4.2 双环锁相4倍频频率合成器simulink建模仿真双环锁相4倍频频率合成器模型如图4所示。其中1kHz的正弦波信号源通过RELAY 模块转换为双极性矩形脉冲。锁相环路滤波器均设置为8阶，Analog Filter Design的截止频率设置为1kHz，Analog Filter Design1的截止频率设置为4kHz。VCO的的压控灵敏度均设置为1Hz/V，Voltage-Controlled Oscillator的中心频率设置为8kHz，Voltage-Controlled Oscillator1的中心频率设置为4kHz。系统仿真波形见图5所示，仿真结果表明所设计模型实现了4倍频功能。

5结束语

提出了一种基于锁相环的频率合成技术，详细阐述了锁相频率合成器的工作原理。并基于Simulink平台对双环锁相4倍频频率合成器进行了模型设计及仿真，仿真结果验证了设计的正确性及可行性。该频率合成器在通信以及现代工业各个领域都将有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]马宇飞，李署坚.锁相式频率合成器的设计与改进[J].电讯技术，2010，50（7）:110-114.

[2]薛茹.一种锁相频率合成器的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（2-2）:308-309.

[3]胡宴如，耿苏燕.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009:294-296.

[4]张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994:147-149.

[5]詹剑.程控双环锁相频率合成器[J].兰州铁道学院学报，1989，8（1）:35-40.