基于当代锁相环频率合成器的设计与实现分析

摘要 经济的不断发展，科技的不断进步，不论是在计算机、通信、卫星定位，还是雷达、航空航天、遥感技术等方面，都取得了巨大的进步。与此同时，人们对频率度的稳定性、频率的范围和频率的纯度等方面的要求也在不断提高，为了满足人们对频率合成器的要求，必须要不断提高频率合成器的稳定性。在现代化的电子系统中，频率合成器的应用变得越来越广泛，市场需求也在不断增加。本篇文章主要讲述了当代锁相环频率合成器的发展现状和原理，通过分析和研究，找到锁相环频率合成器的设计方法。

关键词 锁相环；频率合成器；工作原理

中图分类号 TN741

文献标识码 A

文章编号 （2014）13-0117-01

在无线通信领域中，由锁相环组成的频率合成器发挥着越来越重要的作用。它的工作原理主要是无线接收机接收锁相环频率合成器的输出信号，把这输出信号当做该接收机的本振信号，这使得频率解调器和频率调制器根据输入信号产生载波的过程。对于当代的锁相环频率合成器，它产生的频率源主要应用于规模较大的数字视频图像处理，包括了系统时钟和传输的倍率同步时钟。整个系统的性能跟频率合成器的性能息息相关，系统性能主要是时钟的误差和不确定性这两方面，为了不断提高系统的稳定性和优良性，就必须要保证时钟在抖动和寄生信号这两方面的的性能。在实际应用中，频率合成器经历了从最初的直接合成模拟式频率合成器到锁相环频率合成器，再到最后的直接数字频率合成器这三个不同的发展过程，但锁相环频率合成器的应用就目前来讲是最广泛的。

一、当代锁相环频率合成器的发展

自动频率控制技术和自动相位控制技术的相互结合就是本文所要研究的锁相环。早在二十世纪二十年代，通过运用数学理论知识，人们就已经展开了对锁相环的研究。在随后的几十年，随着科技的不断进步，人们对锁相环的研究也在不断深入，早期应用于黑白电视机的接收机同平电路上，到后来应用于导弹信标的跟踪滤波器中，随着应用范围的不断变宽，逐步应用与航空航天、数字电视、遥感等高科技技术中，无形中在改变着人们的生活，同时也为人们的生活带来了很多的便利。在所有的锁相环频率合成器中，采用CMOS工艺来进行制作的占绝大部分，最主要的原因就是生产成本低，所以占据了主要市场。随着人们的不断研究，CMOS这项工艺的尺寸在不断减小，使得它的工作频率大大提高，使得锁相环的性能也有了较大的提高。

二、锁相环频率合成器的原理

（一）锁相环的工作原理。锁相环由一个源极跟随器、一个齐纳二极管、一个亚控振荡器和两个鉴相器共同组成。第一个鉴相器有两种类型，一种是异，另一种是门，两个输入端分别是3脚或和14脚，主要区别是14脚可以和大小信号直接链接，而3脚不可以。第二个鉴相器是4组边沿触发器。现在的锁相环主要是通过集成电路来进行使用，相比之前的模拟电路，不仅是在性能上还是在功能上，都有了很大的进步。现在的锁相环在锁定时具有易于集成、没有剩余频率差，而且具有较好的窄带载波跟踪性能和宽带调制跟踪性能等优势，这些优点都使得锁相环在生活中的应用越来越广泛。

（二）频率合成器工作原理。由一个或多个频率的稳定性和精确度很高的参考信号通过频率域的线性运算，产生跟之前稳定度和精确度相同的频率的过程就是我们所说的频率合成。频率合成器就是合成频率的电路，是一个比较重要的部分。在通信和导航设备中，频率合成器不仅可以作为发射机频率的激励信号源，同时也可以作为接收机的振荡器；在电子设备中，它以干扰信号放生器的形式存在；在测试设备应用中，它是标准的信号源。应用广泛，在测量设备中应用频率合成技术不仅可以提高测量的精度，而且也可以与微处理器相结合，实现测量的自动化。

三、锁相环频率合成器的设计

在设计之前，首先要确定电路的组成方案。方案如下：

（一）设计振荡源。振荡器是CMOS和1M晶体共同组成的1MHZ振荡器，工作原理可以根据下图中可以看出：电容C1和C2共同构成了谐振电路。

（二）鉴相器设计。在一些小频率合成器中，电流泵型数字式鉴频鉴相器的使用是比较广泛的，它的输出端显示的是电流信号，通过流过的电流差值就是电流的宽度，极性可以表示流过电流的正负，环路滤波器通过鉴相器可以将电流信号转变为电压，及时控制VCO的变化。鉴相器必须具有以下特点：输出的纹波小；鉴相范围宽度一定；比较容易集成。

（三）N分频的设计。N分频的设计方案主要有三种，第一种是用一片CD4016作为分频器组成1-9HZ的频率合成器，4016分为一、二、三…八、九等分频器，将这些分频器放入设计的1/N中的分频器中，可以得到1-9HZ的频率合成器。第二种方法是采用单片CD4522构成1-9HZ的频率合成器，对于单片CD4522，它设置有三个拨盘开关，4个100欧的电阻，主要是用于保护当开关处于断开时，是低电平的状态。开关处于不同的地方，则显示的电平也是不一样的。通过显示不同的数据，可以得到不同的频率，也就形成了1-9HZ的频率合成器。第三种，也是应用最广泛的一种，当拨盘开关显示多少时，则VCO输出的信号就是多少，打破了前两种方法的局限，可以实现频率从1-999HZ的变化，大大加大了频率的变化范围。所以在实际应用中，大多采用的是第三种方法。下面是第三种设计方法。

四、应用实例

以ADF4108作为频率合成器的设计核心，选用适合的外部压控振荡器和相应的环路滤波器，可以设计出满足需要的频率合成器。选用发射机中的频率合成器进行分析，它工作的频率范围是5.3HZ到5.7HZ，在这个频率期间，外部采用50欧的电阻，接到参考时钟ADF4108的输入端，在设备里面进过分析得到1MHZ的参考频率间隔。

五、结语

经济的不断发展，带来了锁相环频率合成器的飞速发展。锁相环电路构成频率合成器已经成了现代微处理器中越来越重要的部件，锁相环性能的好坏可以直接决定芯片中工作频率的高低。在现代设计中，时钟的频率越来越高，这也说明了锁相环对于芯片的重要性也在不断提升。通过了解锁相频率合成器的工作原理，可以加深我们对它的了解，这也方便了我们在实际中对锁相环频率合成器的应用。科学的不断进步，相信锁相环频率合成器的设计会越来越先进，更好的服务于社会。

参考文献：

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