现代测控电子技术第四章

第四章 频 率 合 成 频率合成技术就是将一个具有低相噪，高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算，从而产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。频率合成技术分为直接频率合成技术、锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。直接频率合成技术是用倍频、分频和混频电路对一个或多个参考频率源进行加、减、乘、除运算，产生所需要的频率信号。这种方法仅适合频率点较少的情况。目前，频率合成的主流技术是锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。1.概述概述 锁相环是能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统。相位同步是指同频率的两个或多个信号的相位变化率一致。锁相环路基本构成如图4.1.1所示。4.1 锁相技术与频率合成锁相技术与频率合成 图4.1.1锁相环的基本构成 锁相环路由鉴相器(PD)、环路低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)三个基本环节组成。锁相环的基本工作过程为：锁相环的基本工作过程为：鉴相器的一端接输入信号Vin(t)，另一端接压控振荡器也就是锁相环的输出信号Vo(t)，相位比较器将Vin(t)和Vo(t)的相位和频率相比较，产生一正比于Vin(t)和Vo(t)的相位和频率差的误差电压Ve(t)，Ve(t)经环路低通滤波器滤波后得到VCO的控制电压Vc(t)。Vc(t)朝着减小输入信号频率fin与VCO输出信号频率fo的频率差的方向改变。当fin足够接近fo时，PLL的性质将迫使fo锁定在输入信号的频率上，即fo=fin，此时输入信号和输出信号的相位差保持在一个有限的恒定值上。2.基于集成锁相环的频率合成器基于集成锁相环的频率合成器1）基本锁相环频率合成器）基本锁相环频率合成器 基本锁相环频率合成器的原理框图见图4.1.2。图4.1.2基本锁相环频率合成器的原理框图合成的频率为改变N即可改变输出频率，实现了由一种频率合成出多种频率。环路中的N分频器可用可编程分频器来实现这就可以按增量fin来改变输出频率。fin就是该频率合成器的频率分辨力。存在的问题：存在的问题：（1）可编程分频器的最高工作频率往）可编程分频器的最高工作频率往往要比合成器所需的工作频率低许多，这往要比合成器所需的工作频率低许多，这样就限制了合成器的输出频率的提高。样就限制了合成器的输出频率的提高。（2）输出频率的分辨力是）输出频率的分辨力是fin，要提高，要提高输出频率的分辨力，就要降低输入频率输出频率的分辨力，就要降低输入频率fin，这与转换时间短的要求相矛盾。，这与转换时间短的要求相矛盾。为了解决上述问题发展了变模分频合成器、多环频率合成器等频率合成器。2）变模分频）变模分频PLL频率合成器频率合成器 变模分频频率合成器又称脉冲吞没技术合成器，基本思路是在反馈通道中的N分频器的前端增加一变模分频器，并对应将N分频器分为两个部分。合成器输出的较高频率先经变模分频器分频至低于可编程分频器上限工作频率的较低频率，然后再由可编程分频器分频后反馈至鉴相器与输入频率比较。由于变模分频器的工作频率上限远高于可编程分频器上限工作频率，因此合成器输出频率远高于基本锁相环频率合成器的输出频率。变模分频器可为多模分频，这里介绍双模分频器，其原理框图见图4.1.3。双模分频器有两个分频模数，当模式控制为高电平时分频模数为M+1，当模式控制为低电平时分频模数为M。图4.1.3 双模分频PLL频率合成器 变模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，它们分别预置在N1和N2，并进行减法计数。设N1N2，则在一完整的周期中，分频数为MN1+N2，则合成器的输出频率为实际使用时N1、N2在不同的范围内变化，N1的最小值应大于N2的最大值，合成器的频率分辨力为N2fin。设M=100，选择N2=199，N1=100199，则合成器的输出频率范围为10001fin19999fin 3）多环频率合成器）多环频率合成器 将多个锁相环路组合使用构成的频率合成器称为多环频率合成器。图4.1.4为双环频率合成器的原理框图。B环为高位环，它提供频率分辨力相对差一些的较高频率输出；A环为低位环，它提供高频率分辨力的较低频率输出。图4.1.4 双环频率合成器原理框图由图可得输出频率为设fin=100kHz，Nb=351396，Na=300399，M=100，则输出频率为fout=35.40039.999MHz，其频率分辨力为1kHz。可见采用双环结构后，既可合成高频率，又提高了频率分辨力。4.2 直接数字频率合成直接数字频率合成4.2.1直接数字频率合成（直接数字频率合成（DDS）技术原理技术原理 DDS主要由相位累加器、相位/幅度变换器、D/A转换器等部分组成，其基本原理框图如图4.2.1所示。图中相位累加器是N位二进制加法器，用于产生相位/幅度变换器的地址信号。图4.2.1 DDS基本原理框图 相位/幅度变换器是存储器，在其中存储了一个周期正弦波的2N个等间隔采样的瞬时幅度数字值。相位累加器在时钟的作用下将频率控制字M与相位累加器上一次的输出值相加，得到新的相位/幅度变换器的存储单元的地址输出；时钟信号将存储器对应单元中的数字值读出，D/A转换器将数字码转换成模拟信号，经后续低通滤波器输出正弦波。频率控制字M表示累加器的输出以步长M步进，则合成正弦波的频率为DDS的最小输出频率也即是频率分辨力DDS的最高输出频率 结果说明，采用DDS技术合成频率时，所能合成的最高频率为时钟频率的一半。频率分辨力取决于相位累加器的位数N，N越大，分辨力越高，频率步进值越小。但是，随着N值的增大，存储器的容量也将增大。例如，在DDS中为了提高频率分辨力，一般取N=2432，如果N位全部用来寻址波形存储器,那么存储器的容量将需要22432位，这是不现实的。在实际应用中只截取N位中的高H位来寻址存储器，而舍去低位。截取通过将频率控制字M乘以一个系数实现，系数为2N-H，因此实际的相位累加器输出以步长2N-HM步进，其高H位地址以M 为步长步进，高H位地址作为波形存储器的地址。4.2.2 基于集成基于集成DDS芯片的直接数字频芯片的直接数字频率合成器率合成器 以AD公司的AD9850为例加以介绍。1.AD9850概述概述 AD9850可以直接构成可编程数字频率合成器或时钟发生器，其输出是频率和相位可编程的正弦波。其DDS内核提供了32位的频率调节字，当时钟频率为125MHz时，输出的频率分辨力为0.0291Hz，最高合成频率可以达到基准时钟频率的一半(62.5MHz)。芯片5位相位调节位,输出相位的增量可以数字调节，其增量值为180，90，45，22.5，11.25，以及它们的任意组合。D/A转换器的输出经外部的滤波器滤波后输至内部高速比较器，比较器即产生低跳变的方波输出，使AD9850可用作捷变时钟发生器。频率和相位的调节与控制由控制字控制，控制字由外部输入，其方式可以是并行字节的形式输入，也可以是串行输入。并行方式输入时，按字节反复输入5次共40位控制字，第一个字节控制有5位相位调节位，1位节电使能位，2位保留控制位；第2至第5字节组成了32位频率字。串行方式输入时，控制字按位依次从引脚25端输入。2.AD9850的内部结构及工作原理的内部结构及工作原理 AD9850的内部结构框图见图4.2.2所示。内部集成有高速DDS、10位高速D/A转换器，高速比较器，数据输入寄存器和频率/相位数据寄存器。DDS输出数字正弦波，其输出频率为式中M为32位频率调节字，由外部输入。fck为由CLKin引脚输入的基准时钟。图4.2.2 AD9850的内部结构框图 AD9850的频率和相位调节、休眠模式的设定是通过编程40位寄存器实现的，编程方式有并行与串行两种。（1）并行方式：40位控制字通过8位数据总线由并行加载通道分5次连续写入，5次加载完毕后，FQ_UD的上升沿将数据输入寄存器中的40位控制字并行加载至频率/相位数据寄存器，更新频率及相位，并复位数据输入寄存器地址指针指向第一个寄存器。5个字节控制字位定义见表4.2.1。表4.2.1 8位并行加载控制字节位定义控制字D7D6D5D4D3D2D1D0W0相位-b4相位-b3相位-b2相位-b1相位-b0电源保留位保留位W1频率-b31(MSB)频率-b30频率-b29频率-b28频率-b27频率-b26频率-b25频率-b24W2频率-b23频率-b22频率-b21频率-b20频率-b19频率-b18频率-b17频率-b16W3频率-b15频率-b14频率-b13频率-b12频率-b11频率-b10频率-b9频率-b8W4频率-b7频率-b6频率-b5频率-b4频率-b3频率-b2频率-b1频率-b0(LSB)（2）串行方式：W_CLK上升沿按位将控制字通过串行加载端加载至输入数据寄存器，40次加载完毕后，FQ_UD的上升沿将数据输入寄存器中的40位控制字并行加载至频率/相位数据寄存器，更新频率及相位。40位控制字位定义见表4.2.2。表4.2.2 40位串行加载控制字位定义位位定义位位定义位位定义位位定义D0频率-b0(LSB)D10频率-b10D20频率-b20D30频率-b30D1频率-b1D11频率-b11D21频率-b21D31频率-b31(MSB)D2频率-b2D12频率-b12D22频率-b22D32保留位D3频率-b3D13频率-b13D23频率-b23D33保留位D4频率-b4D14频率-b14D24频率-b24D34电源休眠D5频率-b5D15频率-b15D25频率-b25D35相位-b0(LSB)D6频率-b6D16频率-b16D26频率-b26D36相位-b1D7频率-b7D17频率-b17D27频率-b27D37相位-b2D8频率-b8D18频率-b18D28频率-b28D38相位-b3D9频率-b9D19频率-b19D29频率-b29D39相位-b4(MSB)特别注意：并行加载或串行加载时均并行加载或串行加载时均有两位为制造商保留控制位，用于测试芯有两位为制造商保留控制位，用于测试芯片目的，此时，片目的，此时，AD9850将会暂时停止工作，将会暂时停止工作，两位控制位的内容必须避免设置成表两位控制位的内容必须避免设置成表4.2.3给出的数据。给出的数据。表4.2.3 制造商保留内部测试控制码加载方式制造商保留码并行1）W0=XXXXXX102）W0=XXXXXX01串行1）D32=1；D33=02）D32=0；D33=13）D32=1；D33=13.AD9850构成的频率合成器构成的频率合成器 AD9850构成的基本频率合成器如图4.2.3所示。频率调节字由D0-D7端输入，基准频率由CLKin端输入，Rset端对地接一3.9k电阻，用于设定D/A转换器的满度输出电流Iout=10mA，Rset与Iout的关系为 图4.2.3 AD9850构成的基本频率合成器 D/A转换器的电流输出转换成电压后由低通滤波器滤波，滤波器输出至比较器的输入，最终在Qout端得到方波形式的频率输出fout。