赵慧娟（九州职业技术学院,江苏徐州,221116）



基于锁相环（PLL）L波段的频率合成技术

赵慧娟
（九州职业技术学院,江苏徐州,221116）

摘要：频率合成器是电子设备的核心部件，其性能的优劣影响电子设备的整体性能。本文研究了一种基于锁相环（PLL）L波段的锁相频率技术。其设计方案使用MC145152来实现锁相环路，外加环路滤波器LPF和压控振荡器VCO等器件来实现，具有较强的研究设计价值。

关键词：频率合成;锁相环;压控振荡器

0　引言

人类进入信息社会和知识经济发展的时代，信息产业是未来发展的重点，将为社会创造巨大的经济效益。因此，信息产业的兴衰，将是21世纪衡量和再现一个民族创新和发展能力、生存和竞争能力的重要标志。

近年来，锁相环路这个名词已为广大电子技术人员所熟悉，已经逐渐被应用于电子技术的各个领域。例如：许多电子设备正常工作，一般就需要外部输入信号和内部振荡信号同步，使用一个锁相环路就能够达到此目的。锁相环路频率合成技术，是根据线性伺服回路控制理论，首先应用在扫描同步电路的电视接收机中，能够有效地减少对同步噪声的影响，从而使电视同步的性能显著提升。锁相环路的低噪声跟踪功能，已经得到人们的重视，越来越快地发展，目前已经广泛应用于各个领域。

频率合成技术在20世纪30年代开始建立，采用直接式合成方法时，频率合成器是通过多个不同频率的多晶振荡器参考源合成的。随着技术的发展，新的方法是使用一个晶体振荡器基准频率源，通过分频，倍频和混频，以获得更多的频率。

频率合成技术与其他科学技术是一样的，都是从实际需要中产生，并不断加以完善，并在实践中得到发展的。近几十年来，随着大规模集成电路（LSI）以及超大规模集成电路（VLSI）技术的快速发展，电脑﹑雷达、无线电通讯等技术有了长足的发展，社会已经进入了电子革命的时代。频率合成技术在这场革命中以先进的频率合成技术，为现代无线电技术提供高品质和灵活的本地振荡器以及性能测量参考，起了重要作用。

1　PLL频率合成技术

1932年锁相技术应用在同步接收中，能够提供输入信号的载波频率与本地信号检测相位同步。然而，由于电路的复杂性和成本高的原因，它并没有被广泛使用。锁相环路（PLL）的快速发展，是从黑白电视水平同步电路中开始的，由于其可以降低噪声对同步的影响，使得电视图像的同步性能得到很大的提高。因此，锁相环路得到了快速发展的契机。1954年锁相环路技术，又开始应用在彩色电视彩色同步信号的提取中。

60年代以后，锁相技术在通信、雷达、航空航天、船舶、仪器仪表、计算机、红外、激光、原子能、电视、音响、电机控制和工业上获得了广泛的应用。由于锁相技术广泛使用在电子技术各个领域，这已经成为常用的电子器件的一个基本组成部分。锁相环是一个反馈控制系统，其最大的特点是，不使用电感线圈，却能实现输入信号的频率和相位自动跟踪功能。在结构上和有源滤波器一样，却和有源滤波器的功能特性不同，它具有与信号的频率和相位自动跟踪功能。由于锁相环易于集成，又有优越的性能，所以集成锁相环路是继集成运算放大器之后，又一类具有较大应用前景的集成电路。现在，集成锁相环已成为模拟技术和数字技术相结合的优秀典型。

频率合成技术是在上世纪30年代开始建立的，锁相环路（PLL）频率合成技术开发是在20世纪40年代初，根据直线伺服闭环控制理论发展起来的。到目前为止，频率合成技术已有70多年的历史。在这70年里，经历了大致四个发展阶段。如果按合成工艺来分，他们分别是：直接式合成，NPLL合成，FNPLL合成和PSG单回路的合成，以及后来的DDS（直接数字合成）。

2　锁相环路工作原理

锁相环路作为一种反馈电路，在数据采集系统中，锁相环是一个非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使不同的数据采集板共享相同的采样时钟。锁相环的优势在于，可使用外部输入频率和相位参考信号控制环路内部振荡信号。

基本锁相环是一个负反馈系统，由相位比较器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）和一个可变分频器N构成。基准频率f1和f2的频率，输入到相位比较器，然后相位比较器输出f1和通过环路滤波器f2的相位误差信号（低通滤波器）以获得一个DC电平;DC电平输入至压控振荡器，控制其振荡频率。VCO的输出经过分频器，得到频率f2。负反馈控制系统，使得f2相位趋向于f1，因此在相位锁定的情况下，f1和f2是同相的（即频率相等）。通过调整分频值，就可以得到任何压控振荡器的输出频率fo。事实上，锁相环是一个相位自动控制系统，它的锁定状态取决于相位差，锁定状态的保持也仍然依赖于相位差的作用。

参考频率f1和输出频率的稳定性是相同的。如果参考频率使用的晶体振荡器，输出频率fo的稳定性是跟晶振完全一样的。此外，其频率的可变范围很大，因此，锁相环可以说是一个可变频率振荡器。由于锁相环提供一种可变的稳定的振荡频率，所以它的应用范围非常广。

2.1锁相环在频率合成电路中的应用

现代的电子技术，为获得高度精确的振荡频率，通常使用石英晶体振荡器。但石英振荡器的频率是不容易改变的，使用锁相环的分频、倍频等频率合成技术，就可以得到多频、高稳定性的振荡信号输出。输出信号的频率大于振荡器信号的频率被称为锁相倍频电路，输出信号的频率比所述振荡器信号的频率小被称为锁相分频器电路。锁相环可以用于提高振荡器的频率稳定度，用做分频、倍频及频率变换等，将它们组合在一起能形成一个频率合成器。

3　L波段锁相频率合成器的设计

3.1频率合成器性能优劣比较

随着大规模集成电路技术的飞速发展，从上世纪70年代末，频率合成器逐步走向完全集成的方向发展。各大企业都在近几年推出多种中、大规模PLL频率合成器电路，国内也已生产多种类型的集成锁相环频率合成器部件，并正在开发若干种优选的大规模集成PLL频率合成器，这使得频率合成器的成本，尺寸和功耗大大减少，从而简化了设计和调试的复杂性，而可靠性则显著提高。

PLL合成（PLL）在最近几年发展起来的新的合成技术，频率分辨率高，转换时间短，相位噪声低等特点，可以设计出宽频带，高分辨率的频率合成器。

频率合成器是一个现代无线通信装置，是对无线通信设备的性能有直接影响的重要组成部分。较早的直接合成（DS）和锁止合成技术（PLL）的频率合成技术，发展到现今的直接数字合成（DDS）。直接数字合成技术已经具备很高的分辨率，转换速度快，低相位噪声等优点，在无线通信中其到重要作用，但由于材料和技术问题，输出频率始终无法和PLL相比，且由于全数字化架构，输出信号具有丰富的杂散分量，限制了其应用。

3.2锁相环频率合成器的方案设计

L波段是指频率在1-2GHz的无线电波波段，L波段可被用于DAB、卫星导航系统等。频率合成器作为一种相位锁定装置，是一种频率稳定度较高的离散间隔型频率信号发生器。它被广泛地应用在通信、雷达、仪器仪表、高速计算机及导航系统中。频率合成器经过几十年的发展，形成了四种主要技术，即：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合式频率合成技术。而我们选用的方法正是锁相频率合成技术方案。

PLL合成技术具有频率高、宽带、频谱质量好的优点，但其频率切换速率低，输出频率间隔较大。设计中采用晶振作为参考源，提供给PLL频率合成器。其功能框图如图3-2所示。

图3-2　L波段锁相环实现框图

4　电路的设计与实现

4.1PLL的设计

在本方案中，我们采用MOTOROLA的MC145152来实现。MC145152是单片PLL芯片，其性能优良，使用MC145152来实现锁相环路，只需外加一阶环路滤波器和VCO，参考分频比和分频比均采用外部控制模式。MC145152的外围电路（包含鉴相器PD、计数器、基准振荡频率）设计如图5-1。

图中K6、K7、K8是拨码开关，Y2是晶振，C38电容采用云母电容，其他电容采用瓷片电容。晶体振荡器是频率综合器中关键的部件，它的好坏直接关系到整个系统的性能。因此，我们选择的是13MHZ恒温晶体振荡器。

图4-1　MC145152的外围电路图

4.2环路滤波器（LPF)的设计

整个设计中，环路滤波器的设计很关键，影响整个锁相环系统的特性，包括锁定速度、相位噪声、反馈的稳定性等。优先选用性能优异的CA3140运放，能够满足单电源供电、GDB大于1MHZ，电压转换速率快，输入阻抗的的性能要求LPF的设计如图5-2。

4.3压控振荡器（VCO）的设计

根据设计VCO技术指标的要求，优先采用MC1648芯片，R30用于调整芯片的输出管脚电平的幅度，减小失真。L6是空心电感线圈，D5、D6、D7、D8是变容二极管，采用FV1043.

VCO的设计如图5-3。

4.4电源、分频器的设计

做稳定性高的电子设备，电源的稳定性就很重要。使用线性稳压电源会比较合适，因为其纹波比开关电源小，这里采用了LM7805和LM7812稳压芯片。12V的电源只用于LPF，提高LPF的供电电压，可以扩大PLL的频率变化范围；其余都采用5V供电。前置分频器选用MC12022芯片，配合MC145152的MC引脚使用。

图4-3　压控振荡器（VCO）的电路图

图4-4　分频器的电路图

5　总结

本设计实际的测试记录数据为：本振输出频率：900MHZ~1200MHZ，输出功率：≥+5 dBm，

相位噪声：-75dBc/Hz@10KHz。从测试结果看,相位噪声,频率杂散水平及频率分辨率都是比较理想的，从而证实了其可行性和前瞻性，同时也表明MC145152在相位噪声、杂散抑制度、谐波抑制度等方面确有很好的表现。另外,设计电路简单，易于实现小型化，非常适合应用在对性能价格比有较高要求的通信及测量设备中。

参考文献

[1]Behzad Razavi.射频微电子[M].北京:清华大学出版社,2006

[2]陆继炳,杨涛.X波段点频源及S波段收发单元设计[D].电子科技大学硕士学位论文,2011

[3]叶莉娜,陈宏素等基于锁相环技术的X波段频率源的研制[J].微波学报,2010,(8):311-313

赵慧娟，女，汉族，江苏，1981年12月生，中国矿业大学信电学院在读工程硕士。

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

作者简介