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多波形数字频率合成器

作者:dolphin时间:2012-09-07

1频率合成器简介
在现代电子学的各个领域,常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。尤其是随着通信事业的发展,频道的分布日趋密集,要求有高精度、高稳定度的通信频率。用常规的信号发生器无法满足要求。为解决这个难题,人们提出频率合成器的方案。
1.1频率合成的原理
频率合成是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率,经过一系列算术运算,产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。虽然只要求对频率进行算术运算,但是由于需要大量有源和无源器件,使频率合成系统相当复杂,这项技术一直发展缓慢。直至电子技术高度发展的今天,微处理器和大规模集成电路大量使用,频率合成技术才有迅速发展,并得到广泛应用。
1.2锁相频率合成器
频率合成器有多种方法实现,其中利用锁相环的相位锁定特性,获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路,称为锁相频率合成器。由于锁相环具有良好的窄带滤波特性,输出的波形纯净,并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。这些优点使其成为当前最主要的频率合成器,尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来,使频率合成器实现更方便,性能更好。
锁相频率合成器的原理框图如图1所示。其基准频率通常由相对频稳度为
10-6的晶体振荡器产生,经M倍分频后提供适当的基准频率。虚线框中的电路是频率合成器的核心部分--锁相环,它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为fo=(N/M)fi。改变分频比N或M,可方便地获得大量离散频率的输出信号。


图1锁相频率合成器原理框图
1.3锁相环的基本原理
锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统,可分为模拟锁相环和数字锁相环,它们都包括三个基本的组成部分:鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。它们可和÷N电路构成一个闭合的相位反馈控制电路,这里以模拟锁相环例,简要介绍其工作原理。
鉴相器是一个相位比较电路,其核心是一个乘法器,它把输入信号ui(t)与输出信号uo(t)的相位进行比较,产生与两信号的相位差对应的误差电压ud(t),实现相位-电压的转换。为了分析方便,设压控振荡器的自由振荡角频率ωo’为参考频率,则输入信号角频率ωi和压控振荡器的实际振荡频率ωo可分别表示为:
ωi=ωo '+dθi(t)/dt (1)
ωo=ωo'+dθo(t)/dt (2)
式中θi(t)、θo(t)分别是输入信号和输出信号的瞬时相位。设输入信号ui(t)=Uicos[ωo't+θi(t)],输出信号uo(t)=Uocos[ωo't+θo(t)+φo],其中φo为输出信号的初始相位,为分析方便设φo =90°。将ui(t)和uo(t)相乘并滤掉高频分量后,误差电压与相位差的关系可表示为:
ud(t)=Kdsinθe(t) (3)
式中Kd为鉴相器的鉴相灵敏度,由鉴相器的增益和输入输出信号的幅度决定Kd=KmUiUo/2,θe(t)=θi(t)–θo(t)为输入信号与输出信号的瞬时相位差。
由于鉴相特性呈正弦函数,在±90°之间θe(t)为单值对应关系。而实际上要求θe(t)的范围小于±30°,这时,sinθe(t)≈θe(t),则鉴相特性近似为线性函数:
ud(t)=Kdθe(t)
环路滤波器是一个低通滤波器,其作用是滤除误差电压中的高频分量和噪声,通常采用有源比例积分滤波器。在运放的开环增益很高时,这种滤波器的性能是非常理想的。

 
图2模拟乘法器作为鉴相器

图3环路滤波器
压控振荡器VCO是一个电压-频率(或相位)变换电路。其振荡频率fo受uc(t)的控制。集成锁相环中的VCO通常为RC弛张振荡器。振荡器的瞬时振荡频率为
ωo(t)=ωo’+Sfuc(t)(4)
式中ωo’为压控振荡器的自由振荡角频率,Sf为压控灵敏度,uc(t)是环路滤波器的输出,设滤波器的冲击响应为f(t),则uc(t)为ud(t)和f(t)的卷积,即uc(t)=ud(t)*f(t)
将(2)式和(4)式比较,可得
dθo(t)/dt=Sfuc(t)(5)
以上说明了锁相环中各部件的特性,根据这些特性,可得到环路的基本方程
dθe(t)/dt=Δωo –SfKdsinθe(t)*f(t)(6)
式中Δωo=dθi(t)/dt=ωi -ωo'
式(6)是一个非线性微分方程,它完整地描述了环路闭合后所发生的控制过程。方程右边的第一项Δωo表示输入信号的角频率ωi偏离VCO自由振荡角频率ωo'的数值,称为固有角频差。而方程右边的第二项表示VCO在控制电压uc(t)的作用下产生振荡角频率偏离ωo'的数值,称为控制角频差。dθe(t)/dt则表示环路闭合后,VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值,称为剩余角频差。因此方程表明,环路闭合后的任一瞬间,剩余角频差等于固有角频差与控制角频差之差。若输入信号为一固定频率,则固有角频差为一常数,那么在环路进入锁定的过程中,控制角频差会不断增大,当增大到等于固有角频差Δωo时,即dθe(t)=0,θe(t)=θi(t)-θo(t)为一固定值,误差电压ud(t)=Kdsinθe(t)也保持不变,则VCO的振荡频率ωo等于输入信号频率ωi,环路便进入锁定状态,压控振荡器输出稳定而准确的信号频率。
2多波形数字频率合成器设计方案
这里给出一设计实例,是用频率合成技术实现的多波形信号发生器。设计要求能输出方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形;要求采用数字频率合成器,使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当;要求使用单片机进行控制,用键盘设置波形和频率,并用LED显示。输出信号的频率分成两档:高档频率范围为25kHz~16383kHz,按基准频率1kHz为单位设置;低档频率范围为100Hz~16380Hz,按基准频率10Hz为单位设置。以下简单介绍电路的结构和特点。
2.1电路结构 


频率合成器CN0245:
www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0245/vc.html



评论

李雪峰 · 2012-08-31 16:39:34

频率合成器CN0245:

http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0245/vc.html?utm_source=EEPW&utm_medium=RF_center&utm_campaign=RFJul2012

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