鎖相論文雙環(huán)頻率合成器

1、鎖相技術(shù)課程結(jié)業(yè)論文 題 目 雙環(huán)鎖相頻率合成器電路設(shè)計(jì) 院系名稱： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程10級(jí)3班 學(xué)生姓名： 董 成 成 學(xué) 號(hào)： 201046820509 授課教師： 朱 春 華 2013 年 6 月 28 日 摘要 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)頻率源的要求越來(lái)越高,頻率合成技術(shù)也跟著不斷發(fā)展, 本文介紹了雙環(huán)鎖相頻率合成器的基本原理以及應(yīng)用。本文主要從五個(gè)方面介紹了頻率合成器及應(yīng)用。首先講述了頻率合成器的概念；其次介紹了頻率合成技術(shù)的一些分類、主要指標(biāo)、基本方法；接著介紹了鎖相環(huán)路的原理，基本環(huán)路方程，以及鎖相環(huán)工作過(guò)程和線性分析；最后介紹了頻率合成技術(shù)的重要

2、應(yīng)用:直接數(shù)字式頻率合成（DDS）技術(shù)。關(guān)鍵詞：頻率合成 鎖相環(huán)路 雙環(huán)鎖相頻率合成器 DDS目 次第一章 引言3第二章 頻率合成基本原理42.1 頻率合成概念42.2 頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo)42.2.1 頻率范圍42.2.2 頻率間隔（頻率分辨率）52.2.3 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間52.3 頻率合成器的類型52.3.1 直接式頻率合成器（DS）52.3.2 間接式頻率合成器（IS）52.3.3 直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）7第三章 鎖相環(huán)路的基本工作原理83.1 鎖相環(huán)原理83.2 基本環(huán)路方程93.2.1 鑒相器93.2.2 環(huán)路濾波器103.2.3 壓控振蕩器113.3 環(huán)路相位模型和基本方程

3、123.4 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分析133.4.1 鎖定狀態(tài)133.4.2 跟蹤過(guò)程133.4.3 失鎖狀態(tài)143.4.4 捕獲過(guò)程143.5 鎖相環(huán)路的線性分析14第四章 雙環(huán)鎖相頻率合成器工作原理164.1 雙環(huán)鎖相頻率合成器原理164.2 雙環(huán)鎖相頻率合成器的仿真原理圖16第五章 頻率合成器的應(yīng)用205.1 直接數(shù)字式頻率合成（DDS）技術(shù)20直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）簡(jiǎn)介205.1.2 直接數(shù)字頻率合成的基本原理205.1.3 DDS技術(shù)與傳統(tǒng)的頻率合成相比有如下優(yōu)點(diǎn)21第六章 結(jié)束語(yǔ)24參考文獻(xiàn)25第1章 引言現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為確保通信的穩(wěn)定與可靠，對(duì)通信設(shè)備的頻率準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度

4、提出了極高的要求. 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，要求信號(hào)的頻率越來(lái)越準(zhǔn)確和越來(lái)越穩(wěn)定，一般的振蕩器已不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。晶體振蕩器的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度早已被人們認(rèn)識(shí)，成為各種電子系統(tǒng)的必選部件。但是晶體振蕩器的頻率變化范圍很小，其頻率值不高，很難滿足通信、雷達(dá)、測(cè)控、儀器儀表等電子系統(tǒng)的需求，在這些應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要在一個(gè)頻率范圍內(nèi)提供一系列高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的頻率源，這就需要應(yīng)用頻率合成技術(shù)來(lái)滿足這一需求。第二章 頻率合成基本原理2.1 頻率合成概念頻率合成是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率，這些輸出頻率的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。頻率

5、合成在通信、雷達(dá)、測(cè)控、儀器儀表等電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。用來(lái)產(chǎn)生這些頻率的部件就成為頻率合成器或頻率綜合器。頻率合成器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生大量的輸出頻率，它是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率在頻域進(jìn)行加、減、乘、除來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以用混頻、倍頻和分頻等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率合成器的合成方法有直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個(gè)參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(小于100ns)，但是體積大、功耗大，成本高，目前已基本不被采用。鎖相頻率合成器通過(guò)鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算，其結(jié)構(gòu)是一種閉環(huán)系統(tǒng)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是鎖相頻率合成器。P

6、LL的好處包括：（1）易于集成到IC中。（2）無(wú)線信道間隔中的靈活性。（3）可獲得高性能。（4）頻率合成器外形尺寸較小。2.2 頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo) 頻率合成一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率,由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率.這些輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一致的,頻率合成器就是用來(lái)產(chǎn)生這些頻率的部件.2.2.1 頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍,也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。如果覆蓋系數(shù)k>23時(shí),整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。在頻率合成器中,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于

7、壓控振蕩器的特性。 2.2.2 頻率間隔（頻率分辨率） 頻率合成器的輸出是不連續(xù)的。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器,對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。2.2.3 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率,并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。它與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)系。4準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值,即頻率誤差。而頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi),頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小。 2.3 頻率合成器的類型 頻率合成器可分為直接式頻率合成器,間接式（或鎖相）頻率合成器和直

8、接式數(shù)字頻率合成器。下面介紹鎖相環(huán)頻率合成器為主。2.3.1 直接式頻率合成器（DS） 直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號(hào)源。這種頻率合成器原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。其合成方法大致可分為兩種基本類型:一種是所謂非相關(guān)合成方法;另一種稱為相關(guān)合成方法。 2.3.2 間接式頻率合成器（IS） 間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器,也是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。 直接式頻率合成器中所固有的那些缺點(diǎn),如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等,在鎖相頻率合成器中就大大減少了。基本的鎖相頻率合成器如圖下所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后,相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的,即

9、圖 2-1 基本鎖相環(huán)頻率合成器基本組成VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍,即轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于鎖相環(huán)的非線性性能,精確的表達(dá)式目前還難以導(dǎo)出,工程上常用的經(jīng)驗(yàn)公式為轉(zhuǎn)換時(shí)間大約等于25個(gè)參考頻率的周期。分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。例如fr=10Hz,則fs=2.5s,這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。 固定分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻比,超高速器件的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器,則可大大提高VCO的工作頻率,如圖833所示。前置分頻器的分頻比為M,則可得混頻后用低通濾波器取出差頻分量,分頻器輸出頻率為因此2.3.3 直接數(shù)字式頻率

10、合成器（DDS）直接數(shù)字式頻率合成器是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種器件,它采用全數(shù)字技術(shù),具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低等特點(diǎn),并具有很強(qiáng)的調(diào)制功能和其它功能。 第三章 鎖相環(huán)路的基本工作原理3.1 鎖相環(huán)原理 PLL是一種反饋控制電路，其特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因PLL可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以PLL通常用于閉環(huán)跟蹤電路。PLL在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱的由來(lái)。PLL通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)

11、和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，PLL組成的原理框圖如圖1所示。 圖3-1 鎖相環(huán)組成設(shè)參考信號(hào) 式中 ur為參考信號(hào)的幅度 r為參考信號(hào)的載波角頻率 r(t)為參考信號(hào)以其載波相位rt為參考時(shí)的瞬時(shí)相位 若參考信號(hào)是未調(diào)載波時(shí)，則r(t)= 1=常數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)為 式中 Uo為輸出信號(hào)的振幅 o為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率 o (t)為參考信號(hào)以其載波相位ot為參考時(shí)的瞬時(shí)相位, 在VCO未受控制前他是常數(shù)，受控之后他是時(shí)間函數(shù)。則兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差為由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為 鑒相器是相位比較器，他把輸出信號(hào)uo(t)和參考信號(hào)ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)

12、于兩信號(hào)相位差e (t)的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號(hào)的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來(lái)越小，直至頻差消除而被鎖定。 因此，鎖相環(huán)的工作原理可簡(jiǎn)述如下：首先鑒相器把輸出信號(hào)uo(t)和參考信號(hào)ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)反應(yīng)兩信號(hào)的相位差e (t)大小的誤差電壓ud(t)，ud(t)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器的過(guò)濾得到控制電壓uc(t)。uc(t)調(diào)整VCO的頻率向參考信號(hào)的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定鎖定后兩信號(hào)

13、之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即此時(shí)，輸出信號(hào)的頻率已偏離了原來(lái)的自由頻率o控制電壓uc(t)=0時(shí)的頻率，其偏移量由上式得到這時(shí)輸出信號(hào)的工作頻率已變?yōu)橛纱丝梢?jiàn)，通過(guò)過(guò)鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)與參考信號(hào)同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相差。3.2 基本環(huán)路方程 為了建立鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型，首先建立鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型。3.2.1 鑒相器 鑒相器(PD)又稱相位比較器，它是用來(lái)比較兩個(gè)輸出信號(hào)之間的相位差e (t)。鑒相器輸出的誤差信號(hào)ud(t)是相差e (t)的函數(shù)。 鑒相器按其鑒相特性分為正弦型，三角形和鋸齒波形。作為原理分析，通常使用正

14、弦型，較為典型的正弦鑒相器可用模擬乘法器與低通濾波器的串接構(gòu)成。下圖是正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型和鑒相特性。 圖3-2 正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型 圖3-3 正弦鑒相器的鑒相特性3.2.2 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器（LF）是一個(gè)線性低通濾波器，用來(lái)濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起到?jīng)Q定性作用。環(huán)路濾波器由線性原件電阻、電容、和運(yùn)算放大器組成。它是一個(gè)線性系統(tǒng)。 常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無(wú)源比例積分濾波器和有源積分濾波器三種。下面以介紹有源比例積分濾波器為主有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器由運(yùn)算放大器組成。當(dāng)運(yùn)放器開(kāi)環(huán)電壓增益A為有限值時(shí)，他的傳遞函數(shù)為式中

15、 1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。由圖1-4可見(jiàn)，它也具有低通特性與比例作用。相頻特性也有超前校正的作用。圖3-4 有源比例積分濾波器及其特性3.2.3 壓控振蕩器 壓控振蕩器（VCO）是一個(gè)電壓-頻率變換器，再換路政作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓uc(t)的線性的變化，即 式中v(t)是VCO的瞬時(shí)角頻率，K0是線性特性斜率，表示單位控制電壓，可使VCO角頻率變化的數(shù)值。因此又稱為VCO的控制靈敏度與增益系數(shù)，單位為rad/s*v.在鎖相環(huán)路中，VCO的輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率，而是瞬時(shí)相位，即將此式與uo(t)=Uocos0t+2(t)，比較，可以知0t為

16、參考時(shí)的輸出瞬時(shí)相位，由此可見(jiàn)，VCO在鎖相環(huán)中起了一次積分作用，因此也稱他為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。上式就是壓控振蕩器相位控制的模型，若對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可得到在復(fù)頻域的表示式和VCO 的傳遞函數(shù)為 下圖為VCO的復(fù)頻域的數(shù)學(xué)模型。3.3 環(huán)路相位模型和基本方程 上面分別得到了鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的模型，將三個(gè)模型連接起來(lái)，就可以得到鎖相環(huán)路的模型。如下圖1-5所示圖3-5 鎖相環(huán)路相位模型復(fù)時(shí)域分析時(shí)可用一個(gè)傳輸算子F(p)來(lái)表示。其中（p=d/dt）是微分算子。由上圖可以得出鎖相環(huán)路的基本方程。得設(shè)環(huán)路輸入一個(gè)頻率r和相位r均為常數(shù)的信號(hào)，即 式中，0是控制電壓uc(t)=0時(shí)

17、VCO的固有振蕩頻率，r是參考輸入信號(hào)的相位。令 則 將式（11）代入式（10）可得固有頻率輸入時(shí)的環(huán)路基本方程在閉環(huán)之后的任何時(shí)刻存在著如下關(guān)系：瞬時(shí)頻差=固有頻差-控制頻差，記為即 3.4 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分析 由鎖相環(huán)路的基本方程，求解此方程，就可以獲得鎖相環(huán)路的各種性能指標(biāo)，如鎖定、跟蹤、捕獲、失鎖等。但要嚴(yán)格的求解基本方程式往往是比較困難的。式中已認(rèn)為壓控振蕩器的控制為線性，但因鑒相特性的非線性，基本方程是非線性方程。又因?yàn)閴嚎卣袷幤鞯墓逃蟹e分作用，基本方程至少是一階非線性微分方程。若在考慮環(huán)路濾波器的積分作用，幾班方程可能是高階的。3.4.1 鎖定狀態(tài)當(dāng)在環(huán)路作用下，調(diào)整控制頻

18、差等于固有頻差時(shí)，瞬間相差e(t)趨向于一個(gè)固定值，并一直保持下去，即滿足此時(shí)認(rèn)為鎖相環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。 圖3-7 鎖相環(huán)路的鎖定狀圖3.4.2 跟蹤過(guò)程 跟蹤是在鎖定的前提下，輸入?yún)⒖碱l率和相位在一定的范圍內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)的信號(hào)與相位以同樣的規(guī)律跟隨變化，這一過(guò)程稱為環(huán)路的跟蹤過(guò)程。 圖3-8 鎖相環(huán)路的跟蹤狀態(tài)圖3.4.3 失鎖狀態(tài)失鎖狀態(tài)是瞬時(shí)頻差r-v總不為零的狀態(tài)。這時(shí)環(huán)路具有頻率牽引效應(yīng)。 圖3-9鎖相環(huán)路的失蹤狀態(tài)圖3.4.4 捕獲過(guò)程 若環(huán)路原本是失鎖的，但環(huán)路能夠通過(guò)自身的調(diào)節(jié)由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程稱為捕捉過(guò)程。3.5 鎖相環(huán)路的線性分析 鎖相環(huán)路的線性分析

19、的前提是環(huán)路同步，線性分析實(shí)際上是鑒相器的線性化。雖然壓控振蕩器也可能是非線性的，但只要恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)與使用就可以做到控制特性線性化。鑒相器在具有三角波和鋸齒波鑒相特性是具有較大的線性范圍. 而對(duì)于正弦型鑒相特性,當(dāng)e6時(shí),可把原點(diǎn)附近的特性曲線視為斜率為Kd的直線,如圖821所示。因此,式(821)可寫(xiě)成用Kde(t)取代基本方程式和Udsine(t)可得到環(huán)路的線性基本方程式中，K=K0Kd稱為環(huán)路增益。K的量綱為頻率。式相應(yīng)的鎖相環(huán)線性相位模型如圖下所示。3-10 正弦鑒相器線性化特性曲線 圖3-11 線性化鑒相器的模型圖3-12 鎖相環(huán)的線性相位模型(時(shí)域)第四章 雙環(huán)鎖相頻率合成器工作原

20、理4.1 雙環(huán)鎖相頻率合成器原理晶振PD1LF1VCO1÷R÷N1MX（）÷10晶振VCO2晶振LF2晶振PD2晶振÷N2晶振 圖4-1 雙環(huán)頻率合成器圖3是雙環(huán)頻率合成器的方框圖。環(huán)路分主環(huán)（I）和輔助環(huán)（II），它們通過(guò)混頻器MX結(jié)合在一起。主環(huán)提供輸出，由于它的參考頻率fr1，與單環(huán)頻合器相比，在輸出頻率相同的情況下，分頻比N1可以大大降低，有利于減小環(huán)路的輸出雜波和相位噪聲，并改善捕捉性能。輔助環(huán)的主要作用在于保證必要的頻道間隔，其參考頻率為fr2。由于輔助環(huán)的輸出頻率大大低于主環(huán)，因此分頻比也可大大降低，同樣有利于輔助環(huán)性能的改善。雙環(huán)頻合器的

21、主要特點(diǎn)在于將單環(huán)中的巨大分頻比由兩個(gè)環(huán)路來(lái)負(fù)擔(dān)，使這兩個(gè)環(huán)的分頻比都比較小，同時(shí)將兩個(gè)單環(huán)尤其是主環(huán)的參考頻率大幅度提高，從而滿足了參考頻率高、分頻比小和頻道間隔窄等要求。本方案的頻率關(guān)系為fo1=N1*fr1+fr2*N2/104.2 雙環(huán)鎖相頻率合成器的仿真原理圖 圖4-2 雙環(huán)頻率合成器的仿真原理圖 原理圖中的參數(shù)為：模塊0（信源）的輸出頻率fr1=100Hz,模塊18的輸出頻率fr2=10Hz,模塊18的分頻比為10，模塊17的分頻比N1=20，模塊19的分頻比為10，模塊20的分頻比N2=100，所以fo1=N1*fr1+fr2*N2/10=2100Hz。由模塊3（信宿）的輸出頻譜

22、圖可只，環(huán)路在2100Hz出鎖定。而模塊4的輸出近似為直流，因?yàn)轭l率差為0，而頻率和被低通濾波器濾掉。第五章 頻率合成器的應(yīng)用5.1 直接數(shù)字式頻率合成（DDS）技術(shù)直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）簡(jiǎn)介 近年來(lái)，隨著單片鎖相式頻率合成器等芯片的發(fā)展，鎖相式、直接數(shù)字式，以及直接數(shù)字頻率合成器（DDS）和鎖相環(huán)（PLL）相結(jié)合所構(gòu)成的頻率合成器，以其容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化、工程化和其優(yōu)越的性能已逐步成為三中最為典型、用處最為廣泛的頻率合成器。更寬的工作頻帶、更精確的頻率分辨力、更低的相位噪聲和寄生特性、更寬的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，以及減小體積、降低功耗是對(duì)現(xiàn)代頻率合成器提出的越來(lái)越嚴(yán)重的要求。DD

23、S+PLL混合式頻率合成技術(shù)將DDS的高頻率分辨力和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，以盡可能全面的滿足各種系統(tǒng)對(duì)頻率源苛刻的要求。目前，開(kāi)發(fā)應(yīng)用最為廣泛的一種方法，是采用DDS技術(shù)、變頻技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的頻率合成器。 近年來(lái)，隨著通信、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)相位噪聲的要求越來(lái)越高。DDS與PLL相結(jié)合所構(gòu)成的頻率合成器，以其優(yōu)越的相位穩(wěn)定性和極低的顫噪效應(yīng)，成為比較理想的頻率源。5.1.2 直接數(shù)字頻率合成的基本原理DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。電路包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、

24、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）。頻率累加器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)X（frequency data或相位步進(jìn)量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成，對(duì)代表頻率的2進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生累加結(jié)果Y。幅度/相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波形寄存器，以供查表使用。讀出的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器DDS的理論基礎(chǔ)是Shannon抽樣定理。抽樣定理內(nèi)容是：當(dāng)抽樣頻率大于等于模擬信號(hào)頻率的2倍時(shí)，可以由抽樣得到的離散信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)。在DDS中，這個(gè)過(guò)程被顛倒過(guò)來(lái)了。DDS不是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，而是一個(gè)假定抽樣過(guò)程已經(jīng)發(fā)生且抽樣的值已經(jīng)量

25、化完成，如何通過(guò)某種映射把已經(jīng)量化的數(shù)值送到D/A及后級(jí)的LPF重建原始信號(hào)的問(wèn)題。 正弦輸出的DDS原理框圖如圖5.1所示。圖5.1 正弦輸出的DDS原理框圖圖中的系統(tǒng)時(shí)鐘及參考頻率源為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于DDS中各器件同步工作。DDS 工作時(shí)，頻率控制字FCW在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)與相位累加器累加一次，得到的相位值（0-2）在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)以二進(jìn)制碼的形式去尋址正弦查詢表ROM，將相位信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字化正弦幅度值，ROM輸出的數(shù)字化波形序列再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)現(xiàn)量化數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，最后DAC輸出的階梯序列波通過(guò)低通濾波器（LPF）平滑濾波后得到一個(gè)純凈的正弦信

26、號(hào)。 5.1.3 DDS技術(shù)與傳統(tǒng)的頻率合成相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)頻率切換時(shí)間短DDS的頻率轉(zhuǎn)換可以近似認(rèn)為是即時(shí)的，這是因?yàn)樗南辔恍蛄性跁r(shí)間上是離散的，在頻率控制字K改變以后，要經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以說(shuō)它的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期=1/fc。如果fc =10MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間即為100ns，當(dāng)時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)換時(shí)間將會(huì)更短，但再短也不能少于數(shù)門(mén)電路的延遲時(shí)間。目前，集成DDS產(chǎn)品的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)10ns的量級(jí)，這是目前常用的鎖相頻率合成技術(shù)無(wú)法做到的。(2)頻率分辨率高DDS的最低輸出頻率fo=fomin= fc/ M=fc

27、/2N，也就是它的最小頻率步進(jìn)量,其中N為相位累加器的位數(shù)，可見(jiàn)只要相位累加器有足夠的字長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)非常精密的分辨率沒(méi)有多大的困難。例如可以實(shí)現(xiàn)Hz、mHz甚至Hz的頻率分辨率，而傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)這樣的頻率分辨率十分困難，甚至是不可能的 。(3)相位變化連續(xù)DDS改變輸出頻率實(shí)際上改變的是每次的相位增量，即改變相位的增產(chǎn)速度。當(dāng)頻率控制字由Kl變?yōu)镵2之后，它是在己有的積累相位nK1 之上，再?zèng)]次累加K2，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號(hào)相位的連續(xù)性。這在很多對(duì)頻率合成器的相位要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合非常有用。(4)具有低相位噪聲和低漂移DDS系統(tǒng)

28、中合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號(hào)的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其具有極好的相位噪聲和漂移特性。(5)易于集成、易于調(diào)整DDS中除了DAC和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理器件，不需要任何調(diào)整。當(dāng)然DDS技術(shù)也有其不可避免的缺點(diǎn)： （1）雜散抑制差：這是DDS 的一個(gè)主要的缺點(diǎn)，由于DDS 一般采用了相位截?cái)嗉夹g(shù)，它的直接后果是給DDS 的輸出信號(hào)引入了雜散，同時(shí)波形存儲(chǔ)器中波形幅度量化所引起的有效字長(zhǎng)效應(yīng)和D/A 的非理想特性也都將對(duì)DDS 的雜散抑制性能產(chǎn)生很大的影響，但目前DDS 采用了許多新的抑制雜散辦法以及新器件結(jié)構(gòu)的不斷