頻率自動控制技術

龍璋 黃凱 牛軍偉

【摘要】隨著電子科技的蓬勃發展，各種各樣的電子產品不斷問世，為滿足人類社會發展中需求，電子技術也在不斷改進創新，在這種情況下，頻率自動控制技術也成為其中之一，自動控制技術改進了人們的生產方式，提高了生產效率，自動控制系統廣泛應用于我們的生產生活，如航天航空，醫療電子等。在本文中主要介紹了頻率合成技術的發展以及趨勢，對于模擬頻率合成技術，數字合成頻率技術，PLL， PWM等技術的原理和特點進行了概述。

【關鍵詞】頻率自動控制；模擬頻率合成；數字頻率合成；PLL； PWM

中圖分類號：TP39

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0278（2015）04-112-01

一、頻率合成技術的發展趨勢

頻率自動控制系統在電子設備中廣泛應用于穩頻及鎖相。頻率自動控制的頻率合成法在其發展過程中主要有三個過程：

一個是直接模擬合成頻率，這種方法是直接利用備品，分頻，混頻及濾波，從單一的或者幾種參考頻率中產生多個所需的頻率，該方法頻率轉換時間短，但是體積大、功耗大，現在基本淘汰；第二個就是用鎖相環合成頻率，這種方法是現在用的比較廣泛的，通過鎖相環來完成頻率的加、減、乘、除基本運算，這種方法結構簡化、便于集成，且頻譜純度高，但是高分辨率和快速轉換速度之間不能夠很好地同時達到，所以，一般用于大步進的合成頻率技術中；另一個方法直接數字合成頻率，與前兩者相比，這種方法有著更多的有點：簡單可靠、控制方便，且同時具有很高的頻率分辨率和快速轉換速度，可以實現可編程和全數字化，控制靈活方便，并具有極高的性價比，現在已經較廣泛的應用于電信電子領域，是實現設備全數字化的關鍵技術。

此外，通過脈沖寬度調制技術也能進行頻率的改變。脈沖寬度調制（PWM）是一種模擬控制方式，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，廣泛應用在測量、通信到功率控制與變換的領域中。隨著電子技術發展，脈沖寬度調制技術也出現了多種，包括：等脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法等眾多技術。

自動頻率控制系統的關鍵是一個高精確度的測頻和控制技術，為了更高的精確度，頻率自動控制已經開始朝著混合式技術方向發展，把不同的方法結合起來運用，優勢最大化，缺限最小化。

二、幾種頻率合成技術原理及特點

（一）直接模擬頻率合成（DAFS）

這是最早使用的一種頻率合成方法，它由模擬振蕩器產生參考頻率源，在京諧波發生器產生一系列諧波，然后經混頻，分頻和濾波等處理產生大量的離散頻率。直接模擬頻率合成方法的優點是頻率轉換時間短，相位噪聲低。缺點是由于采用大量的混頻，分頻，倍頻和濾波等模擬硬件設備，使產品的體積大，成本高，結構復雜，容易產生雜散分量，大多數硬件的非線性影響難于抑制。

（二）鎖相環頻率合成（PLL）

鎖相環頻率合成技術中，利用鎖相技術實現頻率的加減乘除運算，即把一個或多個基準頻率源，通過諧波發生器，混頻和分頻等一系列非線性器件，產生大量的諧波或組合頻率，然后利用鎖相環把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一個組合頻率上，由壓控振蕩器間接產生所需要的頻率。

鎖相環頻率合成也包括模擬式和數字式，實際應用中大多應用數字式，數字式鎖相環頻率合成技術，鎖相環路相當于一個窄帶跟蹤濾波器，因此能很好的選擇所需要的信號，抑制雜散分量，且避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。而且一個良好的壓控振蕩器具有高的短期頻率穩定性，而標準頻率源具有高的長期頻率穩定度，這兩者結合形成的信號長期穩定度和短期穩定度都很高，但是缺點是頻率轉換時間較長，單環頻率合成器的頻率間隔不可能做的很小，且系統內的壓控振蕩器帶來的新的噪聲也比較大。

（三）直接數字頻率合成（DDFS）

直接數字頻率合成技術是頻率合成技術的一次革命，直接數字頻率合成器由相位累加器，波形儲存器，D/A和低通濾波器構成。時鐘頻率給定后，輸出信號的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器的位數，相位分辨率取決于波形存儲器的地址線位數，幅度量化噪聲取決于波形存儲器的數據位字長和D/A轉換器的位數，這樣合成信號的頻率，相位和幅度都可由數字信號精確表示。

直接數字頻率合成有著眾多優點：極高的穩定度，極高的頻率分辨率，超高速的頻率轉換時間，變頻相位連續，相位噪聲低，全數字自動化控制，可以合成任意波形，集成度高，容易實現小型化。但同時也有兩個無法完全避免的缺點：輸出帶寬受限和輸出雜散較大。

（四）隨機PWM

早期大功率晶體管主要為雙極型達林頓三極管，存在比較大的問題，隨機PWM誕生，其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。因此，即使在絕緣雙極性晶體管己被廣泛應用的今天，在載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其價值；此外還說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術提供了一個解決這種問題的全新思路。

參考文獻：

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