频率自动控制技术

【摘要】随着电子科技的蓬勃发展，各种各样的电子产品不断问世，为满足人类社会发展中需求，电子技术也在不断改进创新，在这种情况下，频率自动控制技术也成为其中之一，自动控制技术改进了人们的生产方式，提高了生产效率，自动控制系统广泛应用于我们的生产生活，如航天航空，医疗电子等。在本文中主要介绍了频率合成技术的发展以及趋势，对于模拟频率合成技术，数字合成频率技术，PLL， PWM等技术的原理和特点进行了概述。

【关键词】频率自动控制；模拟频率合成；数字频率合成；PLL； PWM

中图分类号：TP39

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2015）04-112-01

一、频率合成技术的发展趋势

频率自动控制系统在电子设备中广泛应用于稳频及锁相。频率自动控制的频率合成法在其发展过程中主要有三个过程：

一个是直接模拟合成频率，这种方法是直接利用备品，分频，混频及滤波，从单一的或者几种参考频率中产生多个所需的频率，该方法频率转换时间短，但是体积大、功耗大，现在基本淘汰；第二个就是用锁相环合成频率，这种方法是现在用的比较广泛的，通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除基本运算，这种方法结构简化、便于集成，且频谱纯度高，但是高分辨率和快速转换速度之间不能够很好地同时达到，所以，一般用于大步进的合成频率技术中；另一个方法直接数字合成频率，与前两者相比，这种方法有着更多的有点：简单可靠、控制方便，且同时具有很高的频率分辨率和快速转换速度，可以实现可编程和全数字化，控制灵活方便，并具有极高的性价比，现在已经较广泛的应用于电信电子领域，是实现设备全数字化的关键技术。

此外，通过脉冲宽度调制技术也能进行频率的改变。脉冲宽度调制（PWM）是一种模拟控制方式，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的领域中。随着电子技术发展，脉冲宽度调制技术也出现了多种，包括：等脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法等众多技术。

自动频率控制系统的关键是一个高精确度的测频和控制技术，为了更高的精确度，频率自动控制已经开始朝着混合式技术方向发展，把不同的方法结合起来运用，优势最大化，缺限最小化。

二、几种频率合成技术原理及特点

（一）直接模拟频率合成（DAFS）

这是最早使用的一种频率合成方法，它由模拟振荡器产生参考频率源，在京谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频，分频和滤波等处理产生大量的离散频率。直接模拟频率合成方法的优点是频率转换时间短，相位噪声低。缺点是由于采用大量的混频，分频，倍频和滤波等模拟硬件设备，使产品的体积大，成本高，结构复杂，容易产生杂散分量，大多数硬件的非线性影响难于抑制。

（二）锁相环频率合成（PLL）

锁相环频率合成技术中，利用锁相技术实现频率的加减乘除运算，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器，混频和分频等一系列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然后利用锁相环把压控振荡器的频率锁定在某一个组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率。

锁相环频率合成也包括模拟式和数字式，实际应用中大多应用数字式，数字式锁相环频率合成技术，锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，因此能很好的选择所需要的信号，抑制杂散分量，且避免了大量使用滤波器，十分有利于集成化和小型化。而且一个良好的压控振荡器具有高的短期频率稳定性，而标准频率源具有高的长期频率稳定度，这两者结合形成的信号长期稳定度和短期稳定度都很高，但是缺点是频率转换时间较长，单环频率合成器的频率间隔不可能做的很小，且系统内的压控振荡器带来的新的噪声也比较大。

（三）直接数字频率合成（DDFS）

直接数字频率合成技术是频率合成技术的一次革命，直接数字频率合成器由相位累加器，波形储存器，D/A和低通滤波器构成。时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器的位数，相位分辨率取决于波形存储器的地址线位数，幅度量化噪声取决于波形存储器的数据位字长和D/A转换器的位数，这样合成信号的频率，相位和幅度都可由数字信号精确表示。

直接数字频率合成有着众多优点：极高的稳定度，极高的频率分辨率，超高速的频率转换时间，变频相位连续，相位噪声低，全数字自动化控制，可以合成任意波形，集成度高，容易实现小型化。但同时也有两个无法完全避免的缺点：输出带宽受限和输出杂散较大。

（四）随机PWM

早期大功率晶体管主要为双极型达林顿三极管，存在比较大的问题，随机PWM诞生，其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。因此，即使在绝缘双极性晶体管己被广泛应用的今天，在载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其价值；此外还说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术提供了一个解决这种问题的全新思路。

参考文献：

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