毕业论文-锁相环系统研究.doc
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1、理工大学毕业设计摘 要锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)电路作为时钟倍频器已经成为当代微处理器必不可少的核心组成部件。锁相环位于微处理器时钟树的最上端,其性能的优劣直接影响并决定了全芯片的最高工作频率和稳定性。 本文第一章,简要阐述了锁相环系统的原理,给出了原理框图;第二章,简要介绍了框图中各部分的作用,针对框图构成,概括介绍了鉴相器、压控振荡器、环路低通滤波器和锁相跟踪特性;第三章,介绍了滤波器的分类,滤波器的参数,以及巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器,介绍了ADF4350器件,并通过该元件设计了锁相环电路,最后进行了各个元件的测试,进行了误差分析。关键词 : 滤波器 鉴相器
2、 压控振荡器 AbstractPLL (Phase-Locked Loop, PLL circuit as a clock multiplier has become an essential core component of modern microprocessor components. PLL clock tree at the top of the microprocessor, its performance will directly affect and determine the maximum operating frequency of full-chip and st
3、ability. The first chapter briefly described the principle of the PLL system, gives the block diagram; the second chapter, a brief introduction to the role of the various parts of the block diagram for the block diagram form, an overview of the phase detector, VCO,loop low-pass filter and phase-lock
4、ed tracking features; Chapter III, the classification of the filter, the filter parameters, and the Butterworth filter and Chebyshev filter, the ADF4350 devices, and the component designPLL circuit, the final test of all components, the error analysis.Keywords: filter;phase detector;voltage-controll
5、ed oscillator;目 录绪 论1第一章 锁相环的组成21.1 锁相环系统原理21.1.1鉴相器(PD)31.1.2 压控振荡器(VCO)31.1.3 环路滤波器(LPF)41.1.4 环路的相位模型4第二章 锁相环的工作原理62.1锁相环的数学模型62.2锁相环的跟踪特性7第三章 锁相环设计93.1 滤波器的分类93.1.1 滤波器的类型103.1.2 滤波器的主要参数103.1.3滤波器的主要特性指标113.2 巴特沃斯滤波器的设计123.3 ADF4350简介143.3.1 ADF4350的主要特性153.3.2 ADF4350的功能框图及引脚说明153.4环路设计183.4.1
6、 系统实现183.4.2 VCO的调节203.4.3 分频器的调节213.4.4直流控制电压213.5锁相环系统仿真223.5.1寄存器参数设置223.5.2测试步骤24第四章 总结27致 谢28参考文献:2929理工大学毕业设计绪 论滤波器是一种使信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。在信息处理,数据传输和抑制干扰等自动控制,通信等电子系统中应用广泛。滤波器一般可分为有源和无源两种,有源滤波可以使幅频特性陡峭,而无源滤波器简单易行,但幅频特性不如有源滤波,而且无源体积较大。滤波器的阶数有一阶和高阶,阶数越高,幅频特性越陡峭。高阶滤波是由一阶和二阶级联组成的。采用集成运放构成的RC有源滤波
7、具有输入阻抗高,输出阻抗低,可提供一定增益,截止频率可调等特点。PLL技术的应用现在已经变得十分广泛,其特点是可靠性高、体积小、价格低。集成电路产业的发展也十分完善。我国曾在若干年前就大力发展集成电路产业,高投入、高利润是IC电路的一大特点。集成电路设计所需资金少、成本低、利润高、与市场距离近,是我国集成电路产业发展的突破口。随着电子信息产品,通信、多媒体等的新市场,传统产业改造升级,都给集成电路产业带来新的市场空间。发展前景十分乐观。电子信息行业在前几年曾经十分风靡,最近虽然电子行业稍稍有些不景气,但今年的十大产业振兴规划中将电子信息产业列入其中,这就是对我国电子信息行业的又一次肯定。相信在
8、不久的将来随着电子信息行业的再次兴起,锁相环技术会更得到充分的应用,将其用于更多的领域,发挥其最大的功效。第一章 锁相环的组成 锁相环路是一种反馈电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号的频率对输入信号频率的自动追踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。频率合成器是以一个高准确度和高稳定的石英晶体振荡器为基准参考频率,通过加、减、乘、除四
9、则运算,获得与石英晶体振荡器同样准确度和稳定度的频率源。目前,频率合成器已成为通信设备、电子对抗、雷达、精密测量仪器的重要部件。锁相环频率合成器是现今应用最为广泛的一种频率合成器,他具有输出频率范围大,杂散抑制特性好的特点。121.1 锁相环系统原理锁相环是一个相位自动控制系统,其基本框图如图 11,它主要由三部分构成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)。鉴相器是相位比较装置,用来检测输入信号瞬时相位i(t)与反馈瞬时相位o(t) 之间的相位差e(t) ,产生对应于两信号相位差e(t)的误差电压Ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声,以保
10、证环路要求的性能,增加系统的稳定性。压控振荡器守控制电压)uc(t)的控制,使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢,也就是使差拍频率越来越低,直至消除频差而锁定。PDLPFVCOi(t)Ud(t)uc(t)o(t)图1-1锁相环路的基本构成锁相环是一个相位负反馈控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差,从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率,以达与输入信号同频。在环路开始工作时,通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的,由于两信号之间存在固有频差,他们之间的相位差势必一直在变化,会不断地变到超过 2,而鉴相器的特性是以 2为周期,结果鉴相器输出的误差电
11、压就在某一范围内摆动。在这种误差电压控制下,压控振荡器的频率也就在相应的范之内变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,便有可能在这个频率上稳定下来(当然只有在一定的条件下才可能这样)。达到稳定之后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相位差不再随时间变化,误差电压为一固定值,这时环路就进入锁定状态。1.1.1鉴相器(PD)鉴相器是一个相位控制比较器, 用来检测输入瞬时相位i(t)与反馈瞬时相位o(t)之间的相位差e(t)。而输出的误差电压Ud(t)是相位差e(t)的函数。即:Ud(t)=fe(t)其中函数fe(t)称为鉴相特性。 由此可以看出鉴相器在锁相环中起误差敏感元件
12、作用。常用的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型,如图1-2a所示;鉴相器的数学模型,如图1-2b所示。 LPFudsin+Ui(t)U0(t)ud(t)2(t)+1(t)e(t)图1-2a物理模型 图1-2b 数学模型1.1.2 压控振荡器(VCO)压控振荡器是一个电压频率变换装置, 它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化。即: v(t)=o+Kouc(t)其中v(t)是压控振荡器的瞬时角频率;Ko为压控灵敏度,单位是rad/s.V, o是环内压控振荡器的自由振荡角频率,它也是环路的一个重要参数。 实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围,超出这个范围压
13、控灵敏度会下降。压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上,对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率,而是相位。其传输函数为: o(t)=KOuc(t)/s上式包含一个积分算子 1/s,这是相位与 角频率之间的积分关系形成的。这个积分是压 控振荡器固有的,因此通常称压控振荡是 PLL 中的固有积分环节。这个积分作用在路中起着相当重要的作用。实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围,超出这个范围压控灵敏度会下降。上图中的实线是实际的压控曲线。压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上,对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率,而是相位。1.1.3 环路滤波器(LPF)环路滤波器具有低通
14、特性,它可以起到低通滤波器的作用,更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路,由电阻、电容、电感(有时还包括运算放大器)组成,在时域分析中可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(d/dt)是微分算子;在频域分析中可用传输函数F(s)表示,其中s(j+)是复频率;若用sj=代入F(s)就得到它的频率响应F(j),故环路滤波器模型可表示如下图: Ud(t) F(p) Uc(t) ud(s) F(s) uc(s)图1-4 环路滤波器的模型环路滤波器有无源滤波器和有源滤波器两种类型,常用的环路滤波器有 RC积分滤波器、无源比例积分滤源波器和有源比例积分滤波器。1.1.4 环路
15、的相位模型前面已分别得到了环路的三个基本部件的模型,按图1-5的环路结构,将这三个模型连接起来得到环路的模型,如图 udsinF(s)KO/s1(t)e(t)ud(t) uc(t) 2(t)+-图1-5锁相环路的相位模型由图上明显看到,这是一个相位负反馈的误差控制系统。输入相位1(t)与反馈的输出相位2(t)进行比较,得到误差相位e(t),由误差相位产生误差电压ud(t),误差电压经过环路滤波器F(s)的过滤得到控制电压uc(t),控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移,来跟踪输入信号频率i(t)。在uc(t)的作用下,输出频率v(t)向输入频率i(t)靠拢,一旦达到相等时,若满足一定的条件
16、,环路就能稳定下来,达到锁定。锁定之后,被控的压控振荡器频率与输入信号频率相等,两者之间维持一定的稳态相位差。345第二章 锁相环的工作原理 2.1锁相环的数学模型1. 压控振荡器的输出经过采集并分频; 2. 和基准信号同时输入鉴相器;3. 鉴相器通过比较上述两个信号的相位差,然后输出一个直流脉冲电压;锁相环路中,鉴相器的两个输入信号电压分别为环路的输入信号电压vi(t) 和VCO电压v0(t) 。 鉴相器的作用是检测出两个输入电压之间的顺势差,并产生相应的输出电压vd(t)。若设wr为VCO未加控制电压时的固有频率,用来做为环路的参考角频率,则 (2-1) (2-2) 即 (2-3) (2-
17、4)式中,为起始相角,一般取, 所以。采用包络检波器的叠加型鉴相器,他们的输出电压平均电压可表示为 (2-5)上式中;Ad为鉴相器的最大输出电压,为 和 的瞬时相位差。 4. 控制VCO,使它的频率改变;在一般情况下,压控振荡器的振荡频率随控制电压变化的特性是非线性的,但在有限的控制带电压范围内,可近似有下咧线性方程表示: (2-6) 式中,A0为VCO频率控制特性曲线在处的斜率,称为压控灵敏度。单位为rad/sv 。根据式(2-1)将上式改为 (2-7)即 (2-8)5. 这样经过一个很短的时间,VCO 的输出就会稳定于某一期望值。67 2.2锁相环的跟踪特性锁相环可用来实现输出和输入两个信
18、号之间的相位差同步。当没有基准(参考)输入信号时,环路滤波器的输出为零(或为某一固定值)。这时,压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时,和同时加到鉴相器进行鉴相。如果和相差不大,鉴相器和的结果,输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud,再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分,输出一个控制电压uc,uc将使压控振荡器的频率fv(和相位)发生变化,朝着参考输入信号的频率靠拢,最后使fv= fR,环路锁定。环路一旦进入锁定状态后,压控振荡器的输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间只有一个固定的稳态相位差,而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。环路的锁定状态
19、是对输入信号的频率和相位不变而言的,若环路输入的是频率和相位不断变化的信号,而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化,则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后,不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格相位差同步,而且还具有频率跟踪特性,所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。89 第三章 锁相环设计滤波器,是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对于特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。电源滤波器是一种无源双向网络,它的一端是电源,另一端是负载。电源滤
20、波器的原理就是一种-阻抗失配网络:电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗失配越大,对电磁干扰的衰减就越有效。3.1 滤波器的分类按所处理的信号:按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。按所通过信号的频段:按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。按所采用的元器件:按采用的元器件分为无源滤波器和有源滤波器
21、两种。无源滤波器:仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时,滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。有源滤波器:由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感
22、元件);缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。103.1.1 滤波器的类型巴特沃斯滤波器巴特沃斯相应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦,非常接近DC信号,然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB,最终逼近-20ndB/decade的衰减率,其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用,其对于维护增益的平坦性来说非常重要。切比雪夫滤波器在一些应用当中,最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波,就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。3.1.2 滤波器的主
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