基于鎖相環（PLL）L波段的頻率合成技術

趙慧娟（九州職業技術學院,江蘇徐州,221116）

?

基于鎖相環（PLL）L波段的頻率合成技術

趙慧娟
（九州職業技術學院,江蘇徐州,221116）

摘要：頻率合成器是電子設備的核心部件，其性能的優劣影響電子設備的整體性能。本文研究了一種基于鎖相環（PLL）L波段的鎖相頻率技術。其設計方案使用MC145152來實現鎖相環路，外加環路濾波器LPF和壓控振蕩器VCO等器件來實現，具有較強的研究設計價值。

關鍵詞：頻率合成;鎖相環;壓控振蕩器

0　引言

人類進入信息社會和知識經濟發展的時代，信息產業是未來發展的重點，將為社會創造巨大的經濟效益。因此，信息產業的興衰，將是21世紀衡量和再現一個民族創新和發展能力、生存和競爭能力的重要標志。

近年來，鎖相環路這個名詞已為廣大電子技術人員所熟悉，已經逐漸被應用于電子技術的各個領域。例如：許多電子設備正常工作，一般就需要外部輸入信號和內部振蕩信號同步，使用一個鎖相環路就能夠達到此目的。鎖相環路頻率合成技術，是根據線性伺服回路控制理論，首先應用在掃描同步電路的電視接收機中，能夠有效地減少對同步噪聲的影響，從而使電視同步的性能顯著提升。鎖相環路的低噪聲跟蹤功能，已經得到人們的重視，越來越快地發展，目前已經廣泛應用于各個領域。

頻率合成技術在20世紀30年代開始建立，采用直接式合成方法時，頻率合成器是通過多個不同頻率的多晶振蕩器參考源合成的。隨著技術的發展，新的方法是使用一個晶體振蕩器基準頻率源，通過分頻，倍頻和混頻，以獲得更多的頻率。

頻率合成技術與其他科學技術是一樣的，都是從實際需要中產生，并不斷加以完善，并在實踐中得到發展的。近幾十年來，隨著大規模集成電路（LSI）以及超大規模集成電路（VLSI）技術的快速發展，電腦﹑雷達、無線電通訊等技術有了長足的發展，社會已經進入了電子革命的時代。頻率合成技術在這場革命中以先進的頻率合成技術，為現代無線電技術提供高品質和靈活的本地振蕩器以及性能測量參考，起了重要作用。

1　PLL頻率合成技術

1932年鎖相技術應用在同步接收中，能夠提供輸入信號的載波頻率與本地信號檢測相位同步。然而，由于電路的復雜性和成本高的原因，它并沒有被廣泛使用。鎖相環路（PLL）的快速發展，是從黑白電視水平同步電路中開始的，由于其可以降低噪聲對同步的影響，使得電視圖像的同步性能得到很大的提高。因此，鎖相環路得到了快速發展的契機。1954年鎖相環路技術，又開始應用在彩色電視彩色同步信號的提取中。

60年代以后，鎖相技術在通信、雷達、航空航天、船舶、儀器儀表、計算機、紅外、激光、原子能、電視、音響、電機控制和工業上獲得了廣泛的應用。由于鎖相技術廣泛使用在電子技術各個領域，這已經成為常用的電子器件的一個基本組成部分。鎖相環是一個反饋控制系統，其最大的特點是，不使用電感線圈，卻能實現輸入信號的頻率和相位自動跟蹤功能。在結構上和有源濾波器一樣，卻和有源濾波器的功能特性不同，它具有與信號的頻率和相位自動跟蹤功能。由于鎖相環易于集成，又有優越的性能，所以集成鎖相環路是繼集成運算放大器之后，又一類具有較大應用前景的集成電路。現在，集成鎖相環已成為模擬技術和數字技術相結合的優秀典型。

頻率合成技術是在上世紀30年代開始建立的，鎖相環路（PLL）頻率合成技術開發是在20世紀40年代初，根據直線伺服閉環控制理論發展起來的。到目前為止，頻率合成技術已有70多年的歷史。在這70年里，經歷了大致四個發展階段。如果按合成工藝來分，他們分別是：直接式合成，NPLL合成，FNPLL合成和PSG單回路的合成，以及后來的DDS（直接數字合成）。

2　鎖相環路工作原理

鎖相環路作為一種反饋電路，在數據采集系統中，鎖相環是一個非常有用的同步技術，因為通過鎖相環，可以使不同的數據采集板共享相同的采樣時鐘。鎖相環的優勢在于，可使用外部輸入頻率和相位參考信號控制環路內部振蕩信號。

基本鎖相環是一個負反饋系統，由相位比較器（PD）、環路濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）和一個可變分頻器N構成。基準頻率f1和f2的頻率，輸入到相位比較器，然后相位比較器輸出f1和通過環路濾波器f2的相位誤差信號（低通濾波器）以獲得一個DC電平;DC電平輸入至壓控振蕩器，控制其振蕩頻率。VCO的輸出經過分頻器，得到頻率f2。負反饋控制系統，使得f2相位趨向于f1，因此在相位鎖定的情況下，f1和f2是同相的（即頻率相等）。通過調整分頻值，就可以得到任何壓控振蕩器的輸出頻率fo。事實上，鎖相環是一個相位自動控制系統，它的鎖定狀態取決于相位差，鎖定狀態的保持也仍然依賴于相位差的作用。

參考頻率f1和輸出頻率的穩定性是相同的。如果參考頻率使用的晶體振蕩器，輸出頻率fo的穩定性是跟晶振完全一樣的。此外，其頻率的可變范圍很大，因此，鎖相環可以說是一個可變頻率振蕩器。由于鎖相環提供一種可變的穩定的振蕩頻率，所以它的應用范圍非常廣。

2.1鎖相環在頻率合成電路中的應用

現代的電子技術，為獲得高度精確的振蕩頻率，通常使用石英晶體振蕩器。但石英振蕩器的頻率是不容易改變的，使用鎖相環的分頻、倍頻等頻率合成技術，就可以得到多頻、高穩定性的振蕩信號輸出。輸出信號的頻率大于振蕩器信號的頻率被稱為鎖相倍頻電路，輸出信號的頻率比所述振蕩器信號的頻率小被稱為鎖相分頻器電路。鎖相環可以用于提高振蕩器的頻率穩定度，用做分頻、倍頻及頻率變換等，將它們組合在一起能形成一個頻率合成器。

3　L波段鎖相頻率合成器的設計

3.1頻率合成器性能優劣比較

隨著大規模集成電路技術的飛速發展，從上世紀70年代末，頻率合成器逐步走向完全集成的方向發展。各大企業都在近幾年推出多種中、大規模PLL頻率合成器電路，國內也已生產多種類型的集成鎖相環頻率合成器部件，并正在開發若干種優選的大規模集成PLL頻率合成器，這使得頻率合成器的成本，尺寸和功耗大大減少，從而簡化了設計和調試的復雜性，而可靠性則顯著提高。

PLL合成（PLL）在最近幾年發展起來的新的合成技術，頻率分辨率高，轉換時間短，相位噪聲低等特點，可以設計出寬頻帶，高分辨率的頻率合成器。

頻率合成器是一個現代無線通信裝置，是對無線通信設備的性能有直接影響的重要組成部分。較早的直接合成（DS）和鎖止合成技術（PLL）的頻率合成技術，發展到現今的直接數字合成（DDS）。直接數字合成技術已經具備很高的分辨率，轉換速度快，低相位噪聲等優點，在無線通信中其到重要作用，但由于材料和技術問題，輸出頻率始終無法和PLL相比，且由于全數字化架構，輸出信號具有豐富的雜散分量，限制了其應用。

3.2鎖相環頻率合成器的方案設計

L波段是指頻率在1-2GHz的無線電波波段，L波段可被用于DAB、衛星導航系統等。頻率合成器作為一種相位鎖定裝置，是一種頻率穩定度較高的離散間隔型頻率信號發生器。它被廣泛地應用在通信、雷達、儀器儀表、高速計算機及導航系統中。頻率合成器經過幾十年的發展，形成了四種主要技術，即：直接頻率合成技術、鎖相頻率合成技術、直接數字頻率合成技術和混合式頻率合成技術。而我們選用的方法正是鎖相頻率合成技術方案。

PLL合成技術具有頻率高、寬帶、頻譜質量好的優點，但其頻率切換速率低，輸出頻率間隔較大。設計中采用晶振作為參考源，提供給PLL頻率合成器。其功能框圖如圖3-2所示。

圖3-2　L波段鎖相環實現框圖

4　電路的設計與實現

4.1PLL的設計

在本方案中，我們采用MOTOROLA的MC145152來實現。MC145152是單片PLL芯片，其性能優良，使用MC145152來實現鎖相環路，只需外加一階環路濾波器和VCO，參考分頻比和分頻比均采用外部控制模式。MC145152的外圍電路（包含鑒相器PD、計數器、基準振蕩頻率）設計如圖5-1。

圖中K6、K7、K8是撥碼開關，Y2是晶振，C38電容采用云母電容，其他電容采用瓷片電容。晶體振蕩器是頻率綜合器中關鍵的部件，它的好壞直接關系到整個系統的性能。因此，我們選擇的是13MHZ恒溫晶體振蕩器。

圖4-1　MC145152的外圍電路圖

4.2環路濾波器（LPF)的設計

整個設計中，環路濾波器的設計很關鍵，影響整個鎖相環系統的特性，包括鎖定速度、相位噪聲、反饋的穩定性等。優先選用性能優異的CA3140運放，能夠滿足單電源供電、GDB大于1MHZ，電壓轉換速率快，輸入阻抗的的性能要求LPF的設計如圖5-2。

4.3壓控振蕩器（VCO）的設計

根據設計VCO技術指標的要求，優先采用MC1648芯片，R30用于調整芯片的輸出管腳電平的幅度，減小失真。L6是空心電感線圈，D5、D6、D7、D8是變容二極管，采用FV1043.

VCO的設計如圖5-3。

4.4電源、分頻器的設計

做穩定性高的電子設備，電源的穩定性就很重要。使用線性穩壓電源會比較合適，因為其紋波比開關電源小，這里采用了LM7805和LM7812穩壓芯片。12V的電源只用于LPF，提高LPF的供電電壓，可以擴大PLL的頻率變化范圍；其余都采用5V供電。前置分頻器選用MC12022芯片，配合MC145152的MC引腳使用。

圖4-3　壓控振蕩器（VCO）的電路圖

圖4-4　分頻器的電路圖

5　總結

本設計實際的測試記錄數據為：本振輸出頻率：900MHZ~1200MHZ，輸出功率：≥+5 dBm，

相位噪聲：-75dBc/Hz@10KHz。從測試結果看,相位噪聲,頻率雜散水平及頻率分辨率都是比較理想的，從而證實了其可行性和前瞻性，同時也表明MC145152在相位噪聲、雜散抑制度、諧波抑制度等方面確有很好的表現。另外,設計電路簡單，易于實現小型化，非常適合應用在對性能價格比有較高要求的通信及測量設備中。

參考文獻

[1]Behzad Razavi.射頻微電子[M].北京:清華大學出版社,2006

[2]陸繼炳,楊濤.X波段點頻源及S波段收發單元設計[D].電子科技大學碩士學位論文,2011

[3]葉莉娜,陳宏素等基于鎖相環技術的X波段頻率源的研制[J].微波學報,2010,(8):311-313

趙慧娟，女，漢族，江蘇，1981年12月生，中國礦業大學信電學院在讀工程碩士。

Frequency synthesis technique based on phase locked loop (PLL) L band

Zhao Huijuan
(Jiuzhou College of Vocation and Technology,Xuzhou Jiangsu,221116)

Abstract：Frequency synthesizer is the core component of the electronic equipment,the performance of the performance of the overall performance of the electronic equipment.In this paper,a phase locked loop frequency technique based on phase locked loop (PLL) L band is studied.Its design scheme uses MC145152 to realize the phase locked loop,the external loop filter LPF and the voltage controlled oscillator VCO and other devices to achieve,with a strong research and design value.

Keywords：frequency synthesizer;phase locked loop;voltage controlled oscillator

作者簡介