频率合成器及应用毕业论文.docx

《频率合成器及应用毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率合成器及应用毕业论文.docx（44页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、频率合成器及应用毕业论文目 录第1章绪论11.1 频率合成器的研究背景11.2 频率合成器的研究现状 1第2章频率合成技术31. 1频率合成技术概述32. 2频率合成器的主要指标33. 3频率合成的基本方法54. 4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声62. 4. 1长期频率稳定度62. 4. 2相位噪声62.4.3噪声来源7第3章 直接频率合成（DS）技术83.1直接频率合成器的基本原理和组成83. 2直接频率合成器的几个主要组成电路93.1.1 2. 1混频器93.1.2 倍频器113.1.3 分频器133.1.4 压控振荡器143.1.5 石英晶体振荡器15第4章 间接频率合成（IS）技

2、术一锁相频率合成技术174.1锁相环路的基本组成和工作原理174. 1. 1锁相环路的基本组成 174.L2锁相环的基本原理 184. 2锁相环路的相位模型及动态方程204. 2. 1锁相基本方程和相位模型（时域）204. 2. 2锁相基本方程和相位模型（复频域）214.2.3锁相环路的工作状态21第5章 直接数字频率合成(DDS)技术245.1 直接数字频率合成的基本原理251 .1.1 DDS技术与传统的频率合成相比有如下优点265 . 1.2 DDS组成及其特点275.2 直接数字频率合成的相位噪声和杂散285. 2. 1直接数字频率合成的相位噪声285. 2.2直接数字频率合成的杂散分

3、析295. 2.3降低杂散电平的方法295.3集成直接数字频率合成器的芯片介绍和应用325. 3.1集成直接数字频率合成器的芯片介绍325. 3.2 DDS直接数字频率合成技术在铁路信号系统中的应用33结束 语36致 谢37参考文献38兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）第1章绪论1.1频率合成器的研究背景频率合成（频率综合）是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。实现频率合成的电路叫频率合成器，频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。在通信、雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振

4、荡器；在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。频率源是雷达、通信、电子系统实现高性能技术指标的关键部分，许多现代电子设备和系统的功能的实现，都直接依赖于所用的频率源的性能，因此，频率源被人们喻为是众多电子系统的“心脏”，而当今高性能的频率源都是通过频率合成技术来实现的。频率合成技术大约出现于20世纪30年代，最初产生并进入实现应用的是直接频率合成技术，它具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但是，由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，直接式频率合成器的结构复杂、体积大、成本高，而且容易产生过多的杂

5、散分量，难以达到较高的频谱纯度。到60年代末70年代初，相位反馈理论和模拟锁相技术在频率合成领域里的应用，引发了频率合成技术发展史上的一次革命，相参锁相式合成技术就是这场革命的直接产物。随后数字化的锁相环路器件,如数字鉴相器、数字可编程分频器等器件的出现，以及其在锁相频率合成技术中的应用,标志着数字锁相频率合成技术得以实现。由于不断吸收和利用脉冲计数器、小数分频器、多模分频器等数字技术发展的新成果，数字锁相频率合成技术日益成熟，锁相式频率合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且可避免使用大量滤波器，十分有利于集成化和小型化。止匕外，还具有良好的长期频率稳定

6、度和短期频率稳定度。但是，由于锁相环本身是一个惰性环节，使得频率锁定时间较长，故锁相式频率合成器的频率捷变时间较长。目前，锁相环频率合成器在各电子领域中获得较为广泛的应用。L2频率合成器的研究现状频率合成技术是现代雷达，通信等电子系统实现高性能指标的关键技术之一.传统的频率合成技术包括模拟直接式频率合成和间接式频率合成。近几年来随着大规模集成电路和高速数字电路技术的日益成熟，以全数字结构为特征的直接数字频率合成技术得到了迅速发展，从而引发了频率合成领域的一次革命。它突破了传统频率合成器的诸多局限，具有相对带宽很宽，频率分辨率很高，频率捷变速度快，频率变换时输出信号相位保持连续和全球集成化等优点

7、，这些优点是由于DDS的全数字结构所赋予的，但也正是这种全数字结构造成了 DDS的主要缺陷，即输出相位噪声和杂散电平高。兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）第2章 频率合成技术2.1 频率合成技术概述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。直接数字式频率合成（DDS）技术的出现，导致了频率合成领域的第二次革命。1971 年 J.Tierney、 C.M.Rader 和 B.Goid 在 A Digital FrequencySynthesizer 一文中发表了关于新型数字频率合成的研究成果，第一次提出了具有工程实现可能和实际应用价值的直接数字频率合成的概

8、念。尽管当时该项技术未能立即得以普遍的重视，但是随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS逐渐充分体现出其具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨力很高、输出相位连续、可以输出宽带正交信号、任意波形输出能力、数字调制功能、可编程，以及全数字化结构便与集成等优越性能。DDS的缺点是工作频带的限制和杂散抑制差。近年来，随着单片锁相式频率合成器等芯片的发展，锁相式、直接数字式，以及直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）相结合所构成的频率合成器，以其容易实现系列化、小型化、模块化、工程化和其优越的性能已逐步成为三中最为典型、用处最为广泛的频率合成器。更宽的工作频带、更精确的频率分辨力、更低

9、的相位噪声和寄生特性、更宽的频率转换时间，以及减小体积、降低功耗是对现代频率合成器提出的越来越严重的要求。DDS+PLL混合式频率合成技术将DDS的高频率分辨力和快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机结合，以尽可能全面的满足各种系统对频率源苛刻的要求。目前，开发应用最为广泛的一种方法，是采用DDS技术、变频技术和锁相环技术来实现高性能的频率合成器。近年来，随着通信、雷达技术的发展，对系统相位噪声的要求越来越高。DDS与PLL相结合所构成的频率合成器，以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应，成为比较理想的频率源。2.2 频率合成器的主要指标为了正确理解、使用与设计频率合

10、成器，首先应对它的质量指标进行了解。频率合成器的使用场所不同，对它的要求也不全相同。大体说来，有如下儿项主要技术指标：频率范围、频率间隔、频率稳定度和准确度、频率纯度(杂散输出和相位噪声)、频率转换时间等等。合成器的体积、重量、功耗与成本等，就是由这些指标决定的。(1)频率范围这是指频率合成器的工作频率范围，视用途而定，有短波、超短波微波等频段。一般包括合成器输出信号的中心频率九及带宽Bo(2)频率间隔频率合成器的输出频谱是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔又称为分辨力。不同用途的频率合成器对频率分辨力有不同的要求。有的可以达到MHz的分辨力，有的可达到kHz级的分辨

11、力，有的则需要达到Hz甚至是mHz级的分辨力。(3)频率稳定度和准确度频率稳定度是指在一定的时间间隔内，合成器输出频率变化的大小。频率准确度是指频率合成器的实际输出频率偏离标称工作频率的程度。频率准确度与稳定度之间有区别又有联系，只有稳定才能保证准确。因此，常将工作频率相对于标称值的偏差也计入在不稳定偏差之内，因此，只需考虑频率稳定度即可。频率稳定度从时域角度分为长期稳定度、短期稳定度和瞬时稳定度。其中，长期稳定度是指在年、月等长期时间内频率的变化，频率的漂移主要是有石英晶体振荡器老化引起的，属于确定性的变化。短期稳定性是指日、小时内的频率变化。这种频率的变化实际上是晶振老化漂移和频率的随机起

12、伏引起的。瞬时稳定度是秒，甚至是毫秒时间内频率的漂移。这个漂移是随机的，主要由噪声和干扰引起的。(4)频率转换时间频率合成器从一个频率转换到另一个频率，并且达到稳定所需要的时间称之为频率转换时间。在雷达、通信，以及电子对抗等许多领域，对频率合成器的频率转换时间往往提出了严格甚至苛刻的要求，频率转换时间有时要达到us数量级。在各种频率合成方法当中，直接合成与直接数字频率合成的转换时间是极短的。对于锁相频率合成器而言，频率转换时间就是环路的锁定时间，其数值大约为参考时钟周期的25倍。（5）频率纯度频谱纯度是指合成器信号源输出频谱偏离纯正弦波谱的量度。影响信号源频谱纯度的因素较多，主要包括：相位噪声

13、。AM噪声。非谐波相关杂散边带（杂散）。谐波相关带。有源器件产生的闪烁噪声。分频器的噪声。倍频器的噪声。上述影响频谱纯度的7个因素中，其主要作用的是相位噪声和杂散，因此，在以后讨论频率稳定度和频谱纯度时主要考虑这两个指标。（6）系列化、标准化和模块化的可实现性。任何单只频率合成器不可能包含所有频段，因此有系列化要求。另外，在实现不同频率合成器时，还要考虑所有模块的通用性（在转换频段工作时，需要换模块的品种越少越好）和互换性。（7）成本、体积及质量。2. 3频率合成的基本方法频率合成法基本上可分为直接合成法和间接合成法。而在具体实现中又可划分为三种，即通常所知的直接模拟频率合法、间接锁相式合成法

14、、直接数字频率合成法。对于这三种方法的比较如下。（1）直接模拟频率合成技术：直接模拟合成利用倍频（乘）、分频（除）、混频（加减）和滤波技术，所需的频率是从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生。它的优点是频率转换时间短，载频相位好等。缺点是该方法采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件导致了硬件电路体积大、功耗大且容易产生过多的杂散分量，元件差难以抑制的非线性影响，所以合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。（2）间接锁相式（PLL）频率合成技术：该技术能够很好选择频率、抑制杂散分量,而且频率的稳定性很好。但是，由于锁相环有惰性，该技术中频率转换时间和频率分辨率难找到平衡点，因而该技术

15、一般用于步进较大的频率合成中。（3）直接数字频率合成法：即DDS技术，该技术采用数字化技术，引入“相位”的概念，是通过控制相位的变化速度来直接产生各种频率的信号。DDS具有可编程、相位可控、频率转换快、分辨率高、频谱纯度高、频率输出范围宽、生成的正弦/余弦信号正交特性好等优良性能，所以在现代频率合成领域中地位日益重要。而且DDS是全数字化结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、易于程序控制、灵便实用，性价比很高，故应用广泛。2. 4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声2. 4.1长期频率稳定度频率稳定度a频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用fO表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为 f,则频率稳定度的定义为频率稳定度式中为K为频率稳定度。K=Af/ fO式(2. 1)一般频率稳定度可以取1X10-52X10-5