基于PLL技术的合成频率源设计

　　1 引言

　　频率源是现代射频和微波电子系统的心脏,其性能直接影响整个电子系统的功能，成为非常重要的部件。

　　频率源分为二大类：自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器、YIG振荡器和波形发生器等。这些频率源的输出频率范围、调谐带宽、近端相噪等各不相同。合成频率源的主要优点是频率稳定度高,尤其是相位噪声低，有的甚至比原子钟的相噪还低，使用灵活、控制方便、性能优越。而缺点是成本高、技术难度大。现代工程设计中对频率源的频率稳定度、精确度、频率范围等技术指标的要求越来越高。要满足现代电子系统的这些要求在很多情况下必须使用频率合成技术。

　　频率合成是指将高精度和高稳定度的标准信号频率通过一系列的算术运算，产生具有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

　　锁相式频率源具有频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点，已被广泛用于各种通信和雷达系统。笔者采用分频锁相频率合成技术设计了1.8 GHz锁相频率源。

　　2 锁相环技术的原理

　　实现频率合成的方法可分为直接合成法与间接合成法。二种频率合成技术的特点见表l。

　　锁相环(PLL)是由鉴相器(PD),环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的自动相位控制系统。如图1所示。

　　其中鉴相器是相位比较装置，用来比较参考信号Ur(t)与压控振荡器输出信号Uo(t)的相位，产生对应于这两个信号相位差的误差电压Ue(t)。环路滤波器的作用是滤除误差信号Ue(t)中的高频成分及噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，二者的差拍频率越来越低，直至二者的频率相同、保持一个较小的剩余相差为止。下面介绍锁相环工作的大致过程：

　　锁相环路(PLL)和AGC、AFC电路一样，也是一种反馈控制电路。它是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频率的目的，从而实现了对信号的频率漂移进行跟踪。在达到同频率的状态下，两个信号之间的稳定相差亦可做得很小。

　　鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号和压控振荡器的输出信号Uo(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Ue(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压、Ue(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，二者的差拍频率越来越低，使两者的频率相同、保持一个较小的剩余相差直至消除频差而锁定为止。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差就会一直变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。所以，锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。