锁相环频率合成器的设计(30页).doc

-锁相环频率合成器的设计-第 23 页 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者: 准考证号： 教学点:淮安信息职业技术学院专 业:电子工程题 目:锁相环频率合成器的设计指导者： 评阅者： 2013 年 5 月毕业设计说明书（论文）中文摘要 由锁相环构成的间接式频率合成器在无线通信领域发挥着非常重要的作用。通常采用锁相频率合成器的输出信号来作为无线接收机中的本振信号，以使直接频率调制器、频率解调器能够从输入信号中再生载波。本文锁相频率合成器的整个设计方案，包括压控振荡器VCO电路设计、MB1504集成锁相环电路设计、以及单片机最小硬件系统、单片机与MB1504接口电路等硬件电路设计；软件方面，以MB1504串行数据输入格式为标准，通过分析MB1504串行数据传输时序图，建立了串行通信协议。并对80MHz、84MHz、88MHz三个目标频率进行了编程研究。根据目标频率fvco和频率间隔f，通过编程调试获得了一系列合成频率分量，达到了设计要求。关键词 频率源 锁相环(PLL) 控振荡器(VCO) MB1504 MAX2620毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design 0f Phase-locked loop Frequency Synthesizer AbstractComposed of PLL indirect frequency synthesizer plays an important role in the field of wireless communications. Usually the output of the phase-locked frequency synthesizer signal is used to as the local oscillator signal in the wireless receiver, in order to make direct frequency modulator, frequency modem can recycled carrier from the input signal.In this paper, the whole design scheme of phase-locked frequency synthesizer includes voltage-controlled oscillator VCO circuit design, MB1504 integrated phase-locked loop circuit design, MCU minimum hardware system, and design of single-chip microcomputer and MB1504 interface circuit. In the respect of software design, according to the standard of MB1504 the serial data input format , through the analysis of sequence diagram MB1504 serial data transmission, a serial communication protocol is established. Three frequency goals, such as the 80 MHz, 84 MHz, 88 MHz, are studied by programming. According to the target frequency fvco and frequency interval f, a series of synthetic frequency component are obtained through programming and debugging, which has reached the design requirements. Keywords: Frequency of the source Phase locked loop (PLL) Voltage Controlled Oscillators(VCO) MB1504 MAX2620目 次1 引言11.1 背景11.2 锁相环频率合成器的发展动态及意义22. 锁相频率合成器的硬件设计52.1 锁相环基本原理52.2 频率合成器总体设计方案92.3 频率合成器及其技术指标112.4 VCO电路设计(MAX2620)122.5 集成锁相环电路设计（MB1504）142.6 单片机控制电路设计173. 软件设计193.1 MB1504数据输入设计193.2 程序流程设计204 系统调试234.1 VCO调试234.2 分频器调试234.3 环路滤波器调试244.4 调试结果24结论26致谢27参考文献281 引言由锁相环构成的间接式频率合成器在无线通信领域发挥着非常重要的作用。通常采用锁相频率合成器的输出信号来作为无线接收机中的本振信号，以使直接频率调制器、频率解调器能够从输入信号中再生载波。本文锁相频率合成器的整个设计方案，包括压控振荡器VCO电路设计、MB1504集成锁相环电路设计、以及单片机最小硬件系统、单片机与MB1504接口电路等硬件电路设计；软件方面，以MB1504串行数据输入格式为标准，通过分析MB1504串行数据传输时序图，建立了串行通信协议。并对80MHz、84MHz、88MHz三个目标频率进行了编程研究。根据MB1504的VCO输出频率fvco与分频比P、A、N之间的关系式PN+A=fvco/f，选取双模变模分频比为÷32/33，所以P=32，根据目标频率fvco和频率间隔f，可以通过编程求取N、A，若固定频率间隔为2kHz，则R为2048。经过调试获得了一系列合成频率分量，达到了设计要求。1.1 背景随着计算机、通信、数字电视、卫星定位、雷达、导航、航空航天和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数的要求越来越高。为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。通过对频率进行加、减、乘、除运算，可从一高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。因此，频率合成器是从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件，它是现代电子系统必不可少的关键电路1-7。在微处理器、视频图像处理等大规模数字系统中，此频率的信号可用作的系统时钟和同步时钟，在通信系统的基带取样电路中，需要频率合成器提供精确的时钟，在通信系统的模拟前端电路中，频率合成器产生的信号可作为各种收发射机本地振荡信号，还可以完成调制、调解、载波和时钟恢复等功能。正是由于频率合成器的广泛应用于当代发展最快的高尖端信息产业，因此，频率合成器也得到了发展较快，形成了完善的系列品种，市场需求也特别大。 本论文设计的频率合成器主要产生用于大规模数字视频图像处理系统中所需的多种频率源，即系统时钟和传输的倍频同步时钟。频率源的性能指标直接关系到整个系统的性能：如时钟的误差和不确定性。为了保证系统的优良性能，对时钟的性能要求主要有以下两个方面：抖动和寄生信号。抖动是指在时域中时钟边沿的随机波动，在频率域中称为相位噪声。它主要由于频率合成器中有源和无源器件的热噪声和1/f 噪声造成的。而寄生信号是由于系统中其它部分电路产生的干扰信号。另外，电源和衬底噪声也会引起频率和相位的偏移。为了减小这些噪声源，从频率合成器系统模型、电路结构以及版图设计等方面，优化频率合成器的性能是本工作的目的。在频率合成器中，压控振荡器的性能对整个频率合成器的性能起着关键性的作用，所以，设计一个低噪声压控振荡器可以优化整个系统的性能。这种情况一般是用外接谐振回路，如变容二极管的LC 谐振回路具有非常高的Q 值，可减小噪声。然而，减少外接数目，提高集成度是现代集成电路的发展趋势。采用新的设计技术和电路结构来改善压控振荡器的性能越来越受到关注。全集成、低成本的环型压控振荡器的研究是目前的热点，也是本论文的重点工作。频率合成器的技术复杂度很高，经历了直接合成模拟式频率合成器、锁相环频频率合成器、直接数字频率合成器三个发展阶段3-5。目前，在各种电子系统中使用的频率合成器普遍采用锁相环频率合成器，通过编程数字控制，可获得不同的频点。锁相环频率合成器包含滤波器、可控分频器、鉴相器、压控振荡器及前置分频器等功能单元。频率合成器的最终发展方向是锁相式频率合成器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS 频率合成器，以及PLL 加DDS混合式频率合成器。因此，锁相式频率合成器和直接数字式频率合成器受到各界关注，并得到迅猛发展。1.2 锁相环频率合成器的发展动态及意义锁相环频率合成器的核心单元是锁相环路（Phase Locked Loop-PLL）。1932 年，H.de Bellescize 提出同步检波理论3，首次公开发表了对锁相环路的描述，但并未引起重视。1947 年，锁相环路第一次应用于电视接收机水平和垂直扫描的同步，从此锁相环开始得到了应用。由于技术上的复杂性以及较高的成本，锁相环的应用领域主要在航天，以及性能要求较高的精密测量仪器和通信设备方面。到了70 年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件，通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低，使用简便的多功能组件，这就为锁相技术在更为广阔的领域应用提供了条件。至今，普遍应用锁相技术的主要有频率合成，调制解调，电视机彩色副载波提取，FM 立体声解码等等3-7。目前，CMOS 集成锁相环频率合成器的研究趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、功耗更低。双环或多环锁相式频率合成器。表1.1 总结了锁相环频率合成器研究领域近年来的发展情况。表 1.1 近年来CMOS 锁相环频率合成器的回顾来源频率范围相位噪声结构工艺电源电压功耗集成度 8-97dBc/Hz 1MHz双环CMOS全集成 9-100dBc/Hz 1MHz单环 CMOS 3V 60mW全集成10-114dBc/Hz5MHz-100dBc/Hz5MHz单环 CMOS 2V 80mW全集成11 5GHz-116dBc/Hz 10MHz单环 CMOS全集成12 900MHz 100kHz单环 CMOS 1V 片外 VCO13 5GHz-101dBc/Hz 1MHz单环 CMOS1.5V(模拟)2V(数字) 25mW全集成14-106dBc/Hz 100kHz-104dBc/Hz 100kHz单环 CMOS 3V 60mW全集成15 900MHz 600kHz双环 CMOS 2V 34mW全集成16-110dBc/Hz 10MHz-100dBc/Hz 10MHz单环CMOS 47mW全集成 频率合成器的产品在国外已经发展得比较成熟，形成了各种类型的锁相环整数频率合成器，满足了通信、数字电视等领域的需要，形成了巨大的频率合成器市场。频率合成器已经与大规模数字系统集成在一起，形成了数字信号处理、频率合成器于一体的SOC 芯片。生产频率合成器的厂商主要有美国的国家半导体公司、Peregrine 公司、AD 公司、摩托罗拉公司、Qualcomm 公司、加拿大的Zarlink 公司、日本的三菱公司、富士通公司、荷兰的飞利浦公司等。美国Peregrine 公司生产的锁相环整数频率合成器PE3236 工作频率在2.2GHz 以上，工作电压为3V。国家半导体公司生产的锁相环整数频率合成器LMX2347 采用BiCMOS 半导体工艺技术制造，工作频率达，电源电压为，功耗电流仅为。Zarlink 公司生产的频率合成器产品SP 系列，其工作频率为5003000MHz。美国AD 公司生产的频率合成器系列产品工作频率为5006000MHz。日本富士通公司生产的锁相式整数频率合成器产品，其工作频率为906000MHz。 在国内，频率合成器主要应用在数字电视、频率源、通信等领域，仅就数字电视而言，国内市场就十分巨大。由于我国数字电视业快速发展，数字电视IC 芯片需求发展很快。但是，由于频率合成器的技术难度大，该类产品几乎全部依赖从国外进口。国内研究生产频率合成器的单位不多，国内巨大的频率合成器市场被国外产品所垄断。国内开发频率合成器的单位主要有无锡华润微电子公司、中电科技集团公司24 所。华润微电子公司生产的锁相环频率合成器CSCI145151 可替换美国摩托罗拉公司的MC145151 产品，具有低功耗，电压范围宽等特点，属于中低档频率合成器产品。中电科技集团公司24 所自主开发的SB3236 锁相式频率合成器，其性能与美国Peregrine 公司同类产品PE3236 一致，属中高档锁相式频率合成器。 另外，超高速分频器是构成锁相环频率合成器必不可少的关键电路，它广泛应用于数字电视、通信、航空航天、遥控遥测以及高速仪器仪表等采用频率合成技术的领域。但是，从全球来看，随着小型化系统化应用的发展，单独的分频器的发展速度放慢，市场需求量减少，而对系统集成的频率合成器的需求迅速增加，由于应用与市场的牵引，相应的锁相环频率合成器的发展很迅速，品种逐渐增多，价格逐渐降低。国内市场对锁相式频率合成器的需求很大，许多原来采用分频器的厂商大多转向使用频率合成器来设计整机系统。这是开拓锁相环频率合成器市场的巨大商机。2. 锁相频率合成器的硬件设计2.1 锁相环基本原理锁相环（PLL）是一个相位跟踪系统。图2-1显示了最基本的锁相环方框图。它包括三个基本部件，鉴相器（PD） 环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）AT89C51PDMB1504LPFRC滤波VCOMAX2620Ur(t)控制信号Ud(t)Uc(t)Uo(t)fvco图2- 1 基本的锁相环方框图设参考信号 （1）式中 ur为参考信号的幅度 r为参考信号的载波角频率 r(t)为参考信号以其载波相位rt为参考时的瞬时相位 若参考信号是未调载波时，则r(t)= 1=常数。设输出信号为 （2）式中 Uo为输出信号的振幅 o为压控振荡器的自由振荡角频率 o (t)为参考信号以其载波相位ot为参考时的瞬时相位, 在VCO未受控制前他是常数，受控之后他是时间函数。则两信号之间的瞬时相位差为 （3）由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为 （4）鉴相器是相位比较器，他把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，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，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压uc(t)的控制，uc(t)使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。因此，锁相环的工作原理可简述如下：首先鉴相器把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生一个反应两信号的相位差e (t)大小的误差电压ud(t)，ud(t)经过环路滤波器的过滤得到控制电压uc(t)。uc(t)调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即 （5） 此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率o控制电压uc(t)=0时的频率，其偏移量由式（4）和式（5）得到为 （6） 这时输出信号的工作频率已变为 （7）由此可见，通过过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。(1). 鉴相器鉴相器(PD)又称相位比较器，它是用来比较两个输出信号之间的相位差e (t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e (t)的函数。 它具有以下特点：环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特性。输出纹波小。 具有鉴频鉴相的功能，鉴相范围宽，捕捉带等于同步带。便于集成，调整方便，性能可靠。鉴相器按其鉴相特性分为正弦型，三角形和锯齿波形。作为原理分析，通常使用正弦型，较为典型的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接构成。下图是正弦鉴相器的数学模型和鉴相特性。图2-2 正弦鉴相器的数学模型 图2-3 正弦鉴相器的鉴相特性(2).环路滤波器 环路滤波器（LF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。环路滤波器由线性原件电阻、电容、和运算放大器组成。它是一个线性系统。 常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器三种。下面以介绍有源比例积分滤波器为主有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器由运算放大器组成。当运放器开环电压增益A为有限值时，他的传递函数为（8）式中 =(R1+AR1+R2)C;2=R2C。由图2-4可见，它也具有低通特性与比例作用。相频特性也有超前校正的作用。图2-4 有源比例积分滤波器及其特性(3).压控振荡器压控振荡器（VCO）是一个电压-频率变换器，再换路政作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)的线性的变化，即 （9）式中v(t)是VCO的瞬时角频率，K0是线性特性斜率，表示单位控制电压，可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度与增益系数，单位为rad/s*v.在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是瞬时相位，即 （10） （11）由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称他为环路中的固有积分环节。上式就是压控振荡器相位控制的模型，若对上式进行拉氏变换，可得到在复频域的表示式为 (12)VCO 的传递函数为 下图为VCO的复频域的数学模型。在现实中往往会出现不同的问题遥控振荡器也有如噪声方面：压控振荡器的噪声主要了来源两个方面：外界的环境噪声和器件内部的电子噪声。环境噪声包括电源噪声和衬底噪声。而器件的内部的噪声包括热噪声和闪烁噪声，由于热噪声和闪烁噪声来源于电子器件，所以通过减少元件数目，简化电路结构，可抑制热噪声和闪烁噪声。电源和衬底噪声是属于相关噪声源，利用这种相关性，通过电路和版图的规则性、对称性以及相同的负载等措施，可抑制电源和衬底噪声。对于环形压控振荡器主要有两种类型：由差分延迟单元组成的差分环形VCO 和由单端反相器延迟单元组成的单端环形VCO。差分延迟单元组成的差分环形VCO由于采用了差分结构，具有对称性，对环境噪声有较强的抑制能力，但和反相器延迟单元组成的单端环形VCO 相比，差分结构的延迟单元电路复杂，元件多，这样会导致热噪声和闪烁噪声。而反相器延迟单元组成的单端环形VCO，电路结构简单，内部器件少，因此，单端环形VCO 对器件内部热噪声和闪烁噪声的抑制能力较强。但是由于它不存在对称的差分结构，易受环境噪声的干扰。 (4).VCO的主要性能指标VCO的性能指标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(长期及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度，电调速度，推频系数，频率牵引等。 频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。 振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。 其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。 在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面:应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。2.2 频率合成器总体设计方案锁相频率合成器是基于锁相环路的同步原理，由一个高准度、高稳定度的参考晶体振荡器，合成出许多离散频率。即将某一基准频率经过锁相环（PLL）的作用，产生需要的频率。原理框图如图2-5所示。图2-5 频率合成器的原理框图由图2-1可知，晶体振荡器的频率fi经÷M固定分频后得到步进参考频率fREF ，将fREF信号作为鉴相器的基准与÷N分频器的输出进行比较，鉴相器的输出Ud正比与两路输入信号的相位差，Ud经环路滤波器得到一个平均电压Uc ，控制压控振荡器（VCO）频率fo的变化，使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小，直到鉴相器的输出为零或为某一直流电平，这时称为锁定。锁定后的频率为fo/N 即fREF。当预置分频数÷N变化时，输出信号频率fo随着发生变化。锁相环中的滤波器时间常数决定了跟随输入信号的速度，同时也限制了锁相环的捕捉范围。锁相环频率合成器有四种基本工作区域如图2-6 所示，它们分别是捕获带（pull-inrange）、快捕带(lock range)、 同步带（hold range）和失锁带(pull-out range)，这四个区域描述了锁相环的动态和静态特性。当PLL 频率合成器失锁时，环路处于动态；当PLL 频率合成器锁定时，环路处于静态。捕获带（pull-in range），PI，描述PLL频率合成器初始状态没有锁定，但只要在捕获带内，通过环路捕获过程，环路总能够锁定。即只要输入参考信号的频率在0 PI , 0 +PI 的范围内，PLL 频率合成器的输出信号即可跟踪输入参考信号。如果输入参考信号的频率不在0 PI, 0 + PI 的范围内，PLL 频率合成器的输出信号不能跟踪输入参考信号，环路永远处于失锁状态。在捕获带内，捕获的过程可能是缓慢的，然而，如果输入参考信号的频率在捕获带0 PI, 0 + PI 的子集0 L, 0 + L 范围内，环路捕获锁定的速度较快，我们称这个子集为快捕带（lock range），L 。当参考信号的频率处于快捕带时，环路的捕获过程不经过周期跳跃就能入锁。一般情况，设计的环路的频率范围严格限制在快捕带的范围内。图2-6 PLL 频率合成器工作区域捕获带和快捕带描述了PLL 频率合成器处于动态捕获的模式。同步带（hold range），H ，描述了PLL频率合成器处于静态锁定的模式。在初始为锁定的情况下，只要输入参考信号的频率在同步带0 H, 0 + H 范围内缓慢的变化， PLL 频率合成器能够保持相位跟踪的锁定状态。但是，如果输入参考信号的频率变化超出了同步带0 H, 0 + H 的范围内，环路将失锁。失锁带(pull-out range)，PO 描述PLL 频率合成器对于稳定工作状态的动态限制。环路初始处于锁定状态，当输入信号的频率发生阶跃变化的幅度在失锁带0 PO, 0 + PO 的范围之内，环路能够保持锁定。然而，当输入信号的频率发生阶跃变化的幅度超出失锁带0 PO, 0 + PO 的范围，环路不能保持锁定，输出信号无法跟踪输入参考信号。当然，通过缓慢的捕获过程，环路可再次入锁定，描述PLL 频率合成器对于稳定工作状态的动态限制。环路初始处于锁定状态，当输入信号的频率发生阶跃变化的幅度在失。2.3 频率合成器及其技术指标频率合成一个或少量的高准确度高稳定的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率.这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件.应用于不同场合的频率合成器会有不同的性能要求。但对于绝大多数应用场合，下列参数能表现PLL 频率合成器的性能：频率范围、频率分辨率、捕获时间、频谱纯度。2.3.1 频率范围PLL 频率合成器的频率范围是由控制压控振荡器（Voltage-controlled oscillator-VCO）的控制电压的范围决定的。目前，PLL 频率合成器中广泛应用的VCO 有：环型振荡器和LC 谐振回路振荡器两种。对于环型VCO，有很宽的频率范围，但由于受每个反相器延迟时间的限制，频率不可能达到很高。而对于LC 谐振回路压控振荡器获得宽的频率范围是困难的，但可达到很高的频率。2.3.2 频率分辨率频率合成器输出的频率是一系列离散频率。频率分辨率是指两个相临频率的最小间隔。因为在锁定条件下，压控振荡器的输出频率f VCO =(N/M)*fref，所以频率分辨率为参考频率最小分频比min(N/M)的倍数。这意味着给定频率分辨率的情况下，min(N/M)越小则需要更高频的输入参考频率。为了获得大的环路带宽、快的捕获时间和良好的相噪性能，输入参考频率越大越好，因此，较小的分频比min(N/M)被广泛的应用。2.3.3 捕获时间PLL 频率合成器的捕获时间是指上电到环路锁定或从一个频率点锁定到另一个频率点所需要的时间。决定捕获时间的关键因素是环路带宽，环路带宽越大，捕获时间越短。然而，环路带宽不能无限制的增大，原因如下：首先，为了保证环路稳定性，环路带宽应为鉴频鉴相器输入参考信号的1/10。其次，在有些应用场合，为了保证低噪声输出，环路带宽应尽量小。2.3.4 频谱纯度当环路锁定时，频率合成器应该输出稳定严格的周期波形，但实际中电路中存在各种非理想因素，导致输出波形存在相位噪声和幅度噪声。相位噪声在时域中称为抖动，是指波形的过零点围绕理想值随机波动，即相位的随机变化。在频域中，则表现为频率的变化。如图2-3（a）所示。相噪或抖动是一个表述PLL 频率合成器频谱纯度的重要参数。引起PLL 频率合成器相位噪声的主要原因有两个：输入参考信号和压控振荡器。如果输入参考信号是由晶体振荡器产生，那么VCO 是导致相噪的主要原因图2-7 频域和时域中的噪声表示另外一个频谱纯度的参数是幅度噪声，它在频域和时域中的噪声表现如图2-3(b)。显然，频谱图中，中心频率两边产生了大量的旁频。导致这些干扰信号的主要原因是控制电压上的纹波，许多电路中的非理想因素会引起控制电压的纹波，如鉴频鉴相器的死区、电荷泵电流的不匹配和滤波器与电荷泵间的电荷分配等。通过减小环路滤波器的截止频率可抑制这些干扰噪声，这将导致环路带宽的减小，增加捕获时间。当然，减小带宽也能抑制相位噪声。2.4 VCO电路设计(MAX2620) MAXIM公司的MAX2620是一种使用极其方便的振荡器芯片, 它的内部组成原理示意图图2-8所示。BLASSUPPLVVC1VVC2OUTGNDSHDNFDBKTNAKOUT图2-8 MAX2620的内部组成原理图 +5.25 V之间。由于芯片内部设有偏置电路以稳定其工作点, 因而受电源波动的影响较小。MAX2620内部所并具有的电源关断能力可由SHDN端控制。两个互补输出(即OUT和OUT) 可构成两个单端输出或一个差分输出。由于芯片采用是集电极开路输出, 输出端需要上拉到VCC, 设计时可以用电感或电阻来上拉。但是对于差分输出, 两端均应采用相同的方式。对于50的负载, 在用电感上拉时, 单端输出电平可达- 6 dBm (峰- 峰电压为320 mV); 而用电阻上拉时, 其输出可达- 10 dBm (200 mV)。本设计中的MAX2620的两路输出中, 一路输出到MB1504供鉴频鉴相使用, 为使稳定性更好, 此路用电阻上拉; 而另一路输出则经过缓冲放大, 作为时钟输出, 为了使其输出功率更大, 该路用电感上拉。MAX2620需要外接RF谐振回路以构成VCO电路, 其电路如图2-9所示。此电路是一个典型的Colpitts电容反馈式振荡器。谐振回路在图2-9的左方, 并经过2、3脚接入,主要包括电容C3、C4、C5和C17、谐振电感L1和变容二极管Cvar, 调谐电压经过电阻R2接入。SHDN端用三针跳针分别接到Vcc和地, 可用于控制电源的关断, 以在调试中方便的判断谐振回路是否起振。变容管可通过C17接入谐振回路。C17值取为33 pF。经过C17后, 谐振回路的等效Q将升高数倍。因此, 即便采用廉价的Q和较低的变容管,也可设计出Q较高的谐振回路。 图2-9 MAX2620和外接谐振回路构成的VCO电路谐振回路电感采用表面贴式谐振电感, 该电感具有辐射干扰小、受分布电容影响小、调试方便等特点。电感值选为180 nH, 当谐振频率范围为8088 MHz时, 其中心频率为84 MHz。由谐振公式可得出谐振回路的总电容CO=19.94 pF。经过调试, VCO电路的具体元件参数如下:R2为20 k, 谐振电感L1为180 nH, C3为39pF, C4选18 pF, C5选10 pF, 输出端OUT上拉电感L2选180 nH, 输出端上拉电阻R4可选50 。2.5 集成锁相环电路设计（MB1504）随着数字技术的飞速发展, 用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术, 即直接数字频率合成(DDS)技术异军突起。日本富士通公司的大规模集成数字锁相频率合成器MB1504便是采用DDS技术的典型产品之一。MB1504采用CMOS工艺, 是一种具有吞除脉冲功能的单片串行集成锁相频率合成器芯片。MB1504 系列包含内部振荡器、参考分频器、可编程分频器、鉴相器、锁存器、移位寄存器、双模高速前置分频器和一位控制锁存器等主要部件。只需外接环路滤波器、压控振荡器、单片微处理器等电路即可构成一个完整频率合成器。MB1504具有以下特点：u 高工作频率：fIN MAX=520MHz(VINMIN=0.20VP-P)u 内置分频器u 低电源电压： 2.7V-5.5V(典型值3.0V)u 低功耗： 30mW(3.0V,520MHz工作时)u 串行输入1 8 位可编程分频器包括：u 二进制7 位吞除计数器( 分频比：0 到127)u 二进制1 1 位可编程计数器( 分频比：1 6到2047)u 串行输入15位可编程的参考分频器包括：u 二进制1 4 位可编程的参考计数器( 分频比：8到16383)u 1 位开关计数器设置的分频器u 2 种类型的相位检测器输出片上充电( 双极型)u 充电泵的外部输出u 工作温度范围宽：-408 5 MB1504系列的封装有两种：直插式和贴片式。其引脚排列及功能如图2-10 所示。图2-10 MB1504芯片引脚图u 1 、2 脚为振荡器 OSC 的接入端，可接振荡晶体或作外标频信号输入端；u 3 脚 VP 为充电泵电源工作电压输入端；u 4 脚 VCC 为芯片工作电源端 , 比较器电压；u 5 脚 DO 为充电泵源输出端，相位比较器输出；u 6 脚 GND 为芯片地；u 7 脚 LD 为锁定指示端，环路锁定时， LD 为高电平，失锁时， LD 为低电平；u 8 脚 fin 为前置分频器输入端，也就是环路 VCO 信号输出端；u 9 脚 Clock 为时钟输入端，上升沿有效，时钟信号；u 10 脚 Data 为串行编程数据入口；u 11 脚 LE 为负载使能输入端（内置上拉电阻