1、嵌入式系统设计专业：电气工程及其自动化学号：030940819姓名：孟祥阳题目：基于 ARM 的频率合成器的设计摘 要频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。本文系统地阐述了锁相环频率合成器的基本工作原理，较深入地分析了锁相环路的组成和工作过程，建立其相位模型以及动态方程，并且对环路滤波器和各组成部分进行了详细的分析。在此基础上，针对CD4046系统的技术特点，以集成数字锁相芯片为核心精心设计了频率合成电路，构成了多频点输出频率合成器。为了改善环路的捕获性 ，进一 相器输出电 的 频分量和 频 ， VCO 电 的 的 生输出以及其 各种 散 ，对环路滤波
2、器进行了 点设计，合理 和计 了环路的 数，进 集成锁相环频率合成电路的 了 分，为 CD4046系统了的本currency1。“：频率合成器 锁相环路 CD4046 目 fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 1fl一 频率合成基本原理fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 1 1 频率合
3、成的fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 1 频率合成器的 技术标fififififififififififififififififififififififififififififi 1 3 锁相频率合成器fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 3fl 锁相环路的基本工作原理和 ”404的 fifififififififififififififififi 4
4、1 锁相环路的工作原理 fifififififififififififififififififififififififififififififififififi 4 锁相环路各组成部分的作用fififififififififififififififififififififififififififififi 4 3 数字 锁相环路”404fifififififififififififififififififififififififififififififififififi 4 ”404的 fififififififififififififififififififififififififififi
5、fifififififififififififififi ”404工作原理fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi ”404型用电路fifififififififififififififififififififififififififififififififififififi fl 频率合成器的设计 作 fifififififififififififififififififififififififififififififififi 93 1 的设计标和 fifififififif
6、ifififififififififififififififififififififififififi 93 设计 fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 93 3 设计电路 fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 103 4 电路 作fifififififififififififififififififififififififi
7、fififififififififififififififififi 10 fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 1文fififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififififi 13引 言频率合成是以一个或量的 准 和 的标准频率作为 频率，此 出多个或大量的输
8、出频率， 输出频率的准 频率是一 的。频率合成在通信 器 电 系统 的用，频率合成器 频率合成器 数字 频率合成器及锁相频率合成器种基本模 。 种 于环系统， 频率 ，分 率较 点锁相频率合成器是一种环系统，其频率 和分 率 种，其 构 ，成本 ，并且输出频率的准 于 种，此本文用基于锁相环PLL技术的锁相频率合成。PLL的 ：1 于集成 IC 。2无线信道 隔 的灵活性。3可获 性 。4频率合成器外形尺寸较小。第一章 频率合成基本原理1 1 频率合成 的频率合成是 一个或多个频率 和精 很 的 信号currency1通过频率域的线性运 ，产生 同样 和精 的大量离散频率的过程。现频率合成的电
9、路叫频率合成器，频率合成器是现代电 系统的 组成部分。在通信 和 航 设备 ，频率合成器既是射机频率的激励信号currency1，又是 收机的本地荡器；在电 对抗设备 ，它可以作为干扰信号放生器；在 试设备 ，可作为标准信号currency1，此频率合成器被人们称为许多电 系统的“心脏”。早期的频率合成是用多晶体 合成，以后展成用一个 currency1来合成多个频率。20世纪50年代出现了 频率合成技术。 在 用频段上， 50年代 期仍局限于 波范围。60年代 期，带 可变分频的数字锁相 频率合成器问世。60年代后期，全晶体管化的微波频率合成技术已用于通信设备。随着大规模集成电路的展，新的全
10、数字化的频率合成技术 以现。80年代频率合成技术进入毫米波范围。频率合成技术 用于通信 航 和 量 设备 。 量设备用频率合成技术 量精 ，并 于微 理机相 合现 量的自动化。际的频率合成设备通常用以下种技术： 1 频率合成，即DDS技术。 点是响快，缺点是成本 ，且 做任意频率的合成， 用于军事通信。 2 锁相环频率合成技术，即PLL。 点是成本 ，可合成任意频率，缺点是响慢， 用于民用设备。 3 DDS+PLL技术。 合上述 者 点， 用在专业领域。在本文 我们 用锁相环频率合成技术。 1 频率合成器的 技术标在以下的性 标 ， 在收信机设计 将很大的程 上影响通信传输的 效性标。每一次送
11、 收的改变，都经历一次频率合成的跟踪锁过程。频率合成器的性 需一系列标来 征，一般以下述基本标衡量其劣：频率范围 频率分 力 频率 频率准 和 频谱 系列化 标准化及模块化的可现性 成本 体积及质量。 1频率范围：频率合成器输出频率最 和最 之 的频段宽 。一般来说，频率范围决 于 荡器的频率范围。2频率 隔：频率合成器2个相邻输出频率点之 的 隔，频率范围和频率 隔共同决 了信道数量。3 ：频率值生改变 完成并 锁 所需的 1 3 锁相频率合成器环试锁环相频率合成器。在基本锁相环路的 通道 入分频器， 可构成 环锁相环频率合成器，其方 1-1所 。图1-1 单环锁相环频率合成器第二章 锁相环
12、路的基本工作原理和CD4046的介绍 1 锁相环路的工作原理锁相环是一种自动相位 APC系统，是现代电 系统 用 的一个基本部 ，它的基本作用是在环路 生产一个荡信号，其相位“锁 ”在环路输入信号的相位上。所 相位锁 个信号的频率完全相 ，者的相位 值。 下 2-1是锁相环路的组成 。图2-1 锁相环路的组成框图 锁相环路各组成部分的作用 利用锁相环技术现频率合成。它 利用一个 频率 和 频率准的信号currency1晶体荡器合成出大量的 同样性 的离散频率。频率合成器的核心组成是锁相环路PLL。锁相环路是一种相位 系统，它利用相位 来现频率锁 ，即“锁相”，现锁相的方 称为锁相技术。环路滤波
13、器 通特性，它可以 通滤波器的作用， 的是它对环路 数的 着决 性的作用，它对环路的各 性 都 着 的影响。常用的环路滤波器 ：RC积分滤波器 无currency1积分滤波器 currency1积分滤波器 无currency1积分滤波器。其特点 ：PD LF VCO)(tui)( i)(tud )(tuc )(tuo)( o1. 频信号的 ， 锁相环的捕 和跟踪范围。2. 相频特性 ， 频率很 ， 相位 作用。 个相位 作用对改善环路的 性是 用的。 currency1 积分滤波器的特点是 相位 作用。3 荡器是一种电 频率变 ，在环 作为被 荡器，它的荡频率随输入 电 uc(t)线性地变化。
14、际用 的 荡器的 特性是 限的线性 范围。 出 个范围之后 灵 下 。 荡器是一个 线性 特性的 频荡器，对它的基本是：频率 期 和 期 ； 灵 Ko ； 特性的线性；线性域宽 。 种之 是的，设计 currency1“。 荡器的型 很多，常用的 LC 荡器 晶体 荡器 荡器和RC 荡器 种。 3 数字 锁相环路 ”404锁相集成电路 于性 fifl 用方 ， 被许多电 设备所 用。集成锁相环路已成为锁相技术的一 进展。锁相环是一个相位 系统，最大特点是可以 用电线，现对输入信号频率和相位的自动跟踪。 于锁相环路 于集成化，是运放以后的又一用途 的集成电路。此外数字集成化电路对 大锁相环路的
15、和 锁相环性 很多，在数字 频率合成器 被大量用，是模技术和数字技术相 合的 型。锁相环路 ” 相器用数字 相器， 称为数字 锁相环路。数字 锁相环路的工作频率范围宽，”其VCO用RC荡器，工作频率最 可 。常用的数字锁相环路 ：CD4046，MC145152，MC145156。CD4046锁相环用的是RC型 荡器， 外 电 Ct和电R3作为 放电 。 PLL对跟踪的输入信号的频率宽 需外 电R4。 于VCO是一个电 荡器，对 电 Ct的 电电 9输入的 电 成 ， VCO的荡频率 于 电 。 VCO 电 为0 ，其输出频率最 ； 输入 电 于电currency1电 VDD ，输出频率线性地大
16、 最 输出频率。VCO荡频率的范围 R3 R4和Ct决 。 于它的电和放电都 同一个电 Ct完成，它的输出波形是对称方波。一般规 CD4046的最 频率为1.2MHz(VDD=15V)，”VDD15V，fmax 一 。CD4046 部 线性放大器和 形电路，可将14输入的100mV的微 输入信号变成方波或信号送 相器。currency1跟踪器是为1的放大器，VCO的输出电 经currency1跟踪器10作FM 用。 管可 用，其值为5V，”TTL电路 ，可用作 电currency1。环路相位模型 2-2。图2-2 环路相位模型 4 ”404 的CD4046的 列，用16 列 ，其管 列 2-3
17、所 。 1：相位输出 ，环路人锁 为 电 ，环路 锁 为 电 。 2：相位 较器 的输出 。 3： 较信号输入 。 4： 荡器输出 。 5： ， 电 ， 电 许 荡器工作。 7：外 荡电 。 16：电currency1的 和 。 9： 荡器的 。 10： 输出 ，用于FM 。 12：外 荡电。 13：相位 较器的输出 。 14：信号输入 。 F(p)(te)(1 t )(tud )(tuc )(2 tu)sin(dU pKo15： 部 立的 管 。图2-3 CD4046引脚图 ”404 工作原理2-4输入信号 Ui 14输入后，经放大器A1进行放大 形后 相位 较器 的输入 ， 3K 2， 较器 将 3输入的较信号Uo输入信号Ui作相位 较， 相位 较器输出的 电 U出 者的相位 。U经R3 R4及C2滤波后 一 电 Ud 荡器VCO的输入 9， VCO的荡频率f2， f2信号频率f1。VCO的输出又经 器 进入相位 较器 ， Ui进行相位 较，最后 f2 f1， 者的相位 为一 值，现了相位锁 。
