第七章频率合成频率合成技术就是将一个具有低相噪，高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算，从而产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。频率合成技术分为直接频率合成技术、锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。直接频率合成技术是用倍频、分频和混频电路对一个或多个参考频率源进行加、减、乘、除运算，产生所需要的频率信号。这种方法仅适合频率点较少的情况。目前，频率合成的主流技术是锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。7.1.1锁相环基本知识1.概述锁相环是能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统。相位同步是指同频率的两个或多个信号的相位变化率一致。锁相环路基本构成如图7.1.1所示。图7.1.1锁相环的基本构成锁相环路由鉴相器(PD)、环路低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)三个基本环节组成。锁相环的基本工作过程为：鉴相器的一端接输入信号Vin(t)，另一端接压控振荡器也就是锁相环的输出信号Vo(t)，相位比较器将Vin(t)和Vo(t)的相位和频率相比较，产生一正比于Vin(t)和Vo(t)的相位和频率差的误差电压Ve(t)，Ve(t)经环路低通滤波器滤波后得到VCO的控制电压。Vc(t)，Vc(t)朝着减小输入信号频率fin与VCO输出信号频率fo的频率差的方向改变。当fin足够接近fo时，PLL的性质将迫使fo锁定在输入信号的频率上，即fo=fin，此时输入信号和输出信号的相位差保持在一个有限的恒定值上。2.基本概念锁相环路是一个相位跟踪系统，设输入信号为式中Vin是输入信号的幅度；ωi是载波频率；θi(t)是以载波相位ωi(t)为参考的瞬时相位。设输出信号为式中Vo是输出信号的幅度；ω0是环内被控振荡器的自由振荡角频率，它是环路的重要参数；θ0(t)是以自由振荡的载波相位；ω0为参考的瞬时相位，在未受控制前它是常数，在输入信号的控制下，θ0(t)即为时间的函数。1）相位关系的描述输入信号的相位为式中Δω0为输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路固有频差。令则输入信号的相位为同理，输出信号的瞬时相位为式中θ2(t)=θ0(t)。因此环路的瞬时相位差为瞬时频率差为把输入输出信号分别用矢量和在实轴上的投影表示，两瞬时相位就是两矢量与实轴的夹角，两信号的角频率就是两矢量的旋转速度，角频率不同，即表示旋转速度不同。两矢量相对旋转，矢量夹角（相位差）将随时间无限增大，这时系统失锁，如果旋转速度或角频率相等，则夹角维持不变，这就是锁定状态。2）捕捉过程从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕捉过程。在这个过程中如果固有频差保持在一定范围内，依靠锁相环路的相位跟踪作用，会迫使输出信号的相位跟踪输入信号的相位变化，最终使两者的相位差保持在一个有限的范围内。此时两信号频差接近于零，两信号矢量不再相对旋转，而是在一个很小的范围内相对摆动，这就是锁相环路的同步状态，或称跟踪状态。整个过程需要的时间称为捕捉时间。对一定的环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差Δω0，若Δω0超过某一范围，环路就不能捕获了。这个范围称为环路的捕获带Δωp。3）锁定状态当环路进入同步后，环内被控振荡器的振荡频率已等于输入信号频率，此时有这种状态就是锁定状态，当锁相环用于频率合成时，就是这种情况。3.环路的动态方程1）环路的相位模型当鉴相器采用正弦鉴相器时，环路的相位模型如图7.1.2所示。图7.1.2锁相环路的相位模型其中p为微分算子，Vesin[·]为鉴相器的数学模型，F(p)为滤波器的数学模型，为压控振荡器的数学模型。2）环路的动态方程由环路相位模型可得则得锁相环路动态方程的一般形式方程右边第一项表示在固定输入频率情况下的固有频差，第二项表示由于控制作用所引起的频差，称之为控制频差。动态方程表示了如下关系：瞬时频差=固有频差―控制频差在环路开始工作的瞬间，控制作用还未建立起来，控制频差等于零，因此环路的瞬时频差就等于输入的固有频率。在捕获过程中，控制作用逐渐增强，控制频差逐渐加大。因为固有频差在输入固定频率的条件下是不变的，故瞬时频差逐渐减小。最后环路进入锁定状态，环路的控制作用已迫使振荡频率等于输入频率，即7.1.2集成锁相环频率合成器1.集成锁相环1）NE564集成高频锁相环（1）概述NE564是最早的IC锁相环，是飞利浦公司研制的产品,其工作频率高达50MHz。其组成框图如图7.1.3所示。电路由输入限幅器、相位比较器(鉴相器)、压控振荡器(VCO)、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成。图7.1