频率合成器的应用方向及前景

[摘 要]频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备，分为直接合成和锁相环合成两种。随着科学技术的发展，频率合成器应用越发广泛，其中单环锁相环频率合成器，直接数字合成（DDS）激励锁相环（PLL）的方式越来越受到关注，本文针对频率合成器在各个方面的应用及广泛的应用前景进行了深入研究。

[关键词]频率合成器；DDS；PLL

中图分类号：TN74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0282-01

在当今飞速发展的情况下，传统的核磁共振波谱仪已逐渐不能满足社会的需求，要求着具有低相位噪声、高稳定度、高分辨率等特性的新型技术浮出水面。频率合成器有直接式频率合成器，直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式。它们优缺点不同，使得其应用的场合便不同，本研究将对三种模式均进行详细分析。

1.针对频率合成器工作原理的分析

频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。其中频率合成源是微波系统的重要功能单元，在收发信机、雷达探测、通信、检测仪器等电子设备中被广泛使用。从普通VCO、介质振荡器（CRO）、同轴振荡器（DRO）、钇铁石榴石振荡器（YIG）中选择合适的振荡器配以各种合成技术，从而提供性价比最高的频率合成源，配以大洋微波开发的先进的开环预置、闭环实时修正等辅助捕获技术，可提供极短的频率转换时间[1]。

2.针对直接式频率合成器的分析

这是最早出现最先使用的一种频率合成器。它是由一个或多个晶体振荡器经过开关转换、分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。虽然提出的时间早，最初的方案也显得十分落后，但由于直接模拟合成具有频率捷变速度快，相位噪声低的主要优点而使之在频率合成领域占有重要的地位。直接模拟频率合成器容易产生过多的杂散分量以及设备量大是其主要缺点。近年来随着声表面波（SAW）技术的发展，新型的SAW直接式频率合成器实现了较低的相位噪声、更多的跳频频道、快的频率捷变速度、小体积和中等价格。预计随着SAW技术的成熟，SAW直接频率合成技术将使直接模拟频率合成器再现辉煌。

3 针对直接数字式频率合成器的分析

3.1 直接数字式频率合成器的内容及历史

DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。DDS历史悠久，1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的《A Digital Frequency Synthesizer》一文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理[2]。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近10年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。目前，DDS技术已经在雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领域得到了十分广泛的应用。

3.2 直接数字式频率合成器的深入研究

就目前的科学技术，可以看出，其工作原理为：将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术，DDS把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号。在本系统中，DDS的具体工作过程是由N位相位累加器、N位加法器和N位累加寄存器组成。每来一个时钟脉冲，N位加法器将频率控制字K与N位累加寄存器输出的累加相位数据相加，并把相加后的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制字K相加；另一方面将这个值作为取样地址送入幅度/相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和 LPF将波形数据转换成所需要的模拟波形。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。虽然DDS优点十分多，但其缺点限制了它的应用范围，当然现代的科技已经将其逐渐完善。

4.针对锁相频率合成器的分析

4.1 锁相环

锁相环 （phase-locked loop）为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有VCO（和PLL IC ，压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达到锁频的目的，能使压控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路[3]。锁相环可以分为模拟锁相环和数字锁相环，它们的工作原理也不相同。模拟锁相环主要由相位参考提取电路、压控振荡器、相位比较器、控制电路等组成。压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号，把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器，用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化，实现锁相，从而达到同步。而数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。

4.2 锁相频率合成器的深入研究

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一信号的调制和解调；第二信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。

5 频率合成器的广阔应用前景

在电子科技不断更新的今天，频率合成器的应用也得到了稳步的提高，在医疗系统、广播电视设备、电动调节、信息网络等，都起到了非常好的应用。而直接数字频率综合技术可以编辑程序、相位度可以以自由调控、频率改变周期速度快、解析度强、频率分布曲线强、频率传递覆盖广、产生的正弦曲线信号和余弦曲线信号等高质量性能。正因为以上的功能，直接数字频率综合技术在频率合成器当中广泛应用。而且直接数字频率综合技术是全数字化组成的，在元件集成模块、主板元件损耗非常小、占用空间也相对减少、本身重量降低，非常适合编辑程序的操作，而且可以应用到更多的领域当中，在成本降低的同时大幅度提高质量。

6 结语

随着社会的高速发展，科学技术的不断发展，频率合成器的应用前景不断扩大，即使存在方方面面的问题，但由于不断引进先进技术以及逐渐完善我国技术，使得存在的问题逐渐改善。本研究深入探讨了频率合成器的分类，各个工作原理以及方向性的发展，我国政府应大力支持频率合成器的发展，大力投入人力物力，使频率合成器可以更广泛的应用于生活中，更好的为我国人民服务。

参考文献

[1] 高树亭，高峰，徐盛旺，等.合成频率源工程分析与设计[M].北京：兵器工业出版社，2008.

[2] 杨杰，杨光，蒋国琼，等.基于DDS的低杂散捷变频频率合成器设计[J].信息与电子工程，2011，9（4）：501-504.

[3] 杨光，蒋国琼，董洪新，等.模拟锁相陶瓷介质振荡器技术[J].信息与电子工程，2010，8（2）：169-172.