基于压控振荡器(VCO)的高性能锁相环(PLL)设计

基于压控振荡器（VCO）的高性能锁相环（PLL）设计

简介锁相环(PLL)是现代通信系统的基本构建模块。PLL 通常用在无线电

接收机或发射机中，主要提供本振(LO)功能；也可用于时钟信号分配和降噪，而且越来越多地用作高采样速率模数(A/D)转换的时钟源。

随着集成电路加工中功能器件的尺寸缩小，器件电源电压也呈下降趋势，包括PLL 和其它混合信号功能所用的电源。然而，PLL 的关键元件压控振荡器(VCO)的实用技术要求并未随之大幅降低。许多高性能VCO 设计仍然采用分立电路来实施，可能要求高达30 V 的电源电压。这就给当今的PLL 或RF 系统设计师提出了挑战：低压PLL IC 如何与高压VCO 实现接口。电平转换接口通常利用有源滤波电路来实施，这将在下文讨论。本文将分析说明PLL 的基本原理，考察采用高压VCO 的PLL 设计的当前技术水平，讨论典型架构的利弊，并介绍高压VCO 的一些替代方案。

PLL 基本原理锁相环（图1）是一个反馈系统，其中相位比较器或鉴相器驱动反馈环路中的VCO，使振荡器频率（或相位）精确跟踪所施加的参考频率。通常需要用滤波电路，对正/负误差信号求积分并使之平坦，以及提高环路稳定性。反馈路径中常包含分频器，使输出频率（VCO 的范围内）为参考频率的倍数。分频器的频率倍数N 可以是整数，也可以是小数，PLL 相应地称为整数

N 分频PLL 或小数N 分频PLL。

图1. 基本锁相环

PLL 是负反馈控制环路，因此达到均衡时，频率误差信号必须为零，以便在VCO 输出端产生精确且稳定的频率N 乘以FREF。

PLL 有多种实施方法，根据所需频率范围、噪声和杂散性能以及物理尺寸，可以采用全数字式、全模拟式或混合电路。目前，高频（或RF）PLL 的常用

压控振荡器

压控振荡器一.基本原理信号的频率取决于输入信号电压的大小，因此称为“压控振荡器”。其它影响压控振荡器输出信号的参数还VCO（Voltage ControlledOscillator）（压控振荡器）是指输出信号的频率随着输入信号幅度的变化而发生相应变化的设备，它的工作原理可以通过公式（5-1）来描述。 (5-1）其中，u(t)表示输入信号，y(t)表示输出信号。由于输入信号的频率取决与输入信号的电压的变化，因此称为“压控振荡器”。其他影响压控振荡器输出信号的参数还有信号的幅度A c ，振荡频率f c ，输入信号灵敏度k c ，以及初始相位。压控振荡器的特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。图中,uc为零时的角频率ω0,0称为自由振荡角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC 压控振荡器居二者之间。

在MATLAB中压控振荡器有两种：离散时间压控振荡器和连续时间压控振荡器，这两种压控振荡器的差别在于，前者对输入信号采用离散方式进行积分，而后者则采用连续积分。本书主要讨论连续时间压控振荡器。为了理解压控振荡器输出信号的频率与输入信号幅度之间的关系，对公式（5-1）进行变换，取输出信号的相角Δ为对输出信号的相角Δ求微分，得到输出信号的角频率ω和频率f分别为： ω=2πf c+2πk c u(t) (5-3） (5-4）从式(5-4)中可以清楚地看到，压控振荡器输出信号的频率f与输入信号幅度u(t)成正比。当输入信号u(t)等于0时，输出信号的频率f等于f c；当输入信号u(t)大于0时，输出信号的频率f高于f c；当输入信号u(t)小于0时，输出信号的频率f低于f c。这样，通过改变输入信号的幅度大小就可以准确地控制输出信号的频率。二.程序及结果分析定义一个锯齿波信号，频率是20HZ，幅度范围在0V和1V之间。现在用此信号 =20HZ,输入信号作为压控振荡器的输入控制信号，该压控振荡器的振荡频率f c 灵敏度，初始相位。使用MATLAB求得输出的压控振荡信号。MATLAB 程序如下： %MATLAB实现压控振荡器 clear all; clc; t0=0.15;%定义压控信号持续时间 ts=0.0001;%定义信号采样率 fc=50;%定义振荡频率 t=[0:ts:t0];%时间矢量 u0=20*t(1:length(t)/3);%定义压控信号（单周期） u=[u0,u0,u0,0];%定义压控信号（3个周期） Ac=1;%定义振幅 kc=0.1;%定义输入信号灵敏度 fi=0;%定义初始相位 %对压控信号进行积分 u_int(1)=0;%定义压控信号积分初值 for i=1:length(u)-1%进行离散积分 u_int(i+1)=u(i)+u_int(i);

压控振荡器原理和应用说明

压控振荡器（VCO 一应用范围用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。二基本工作原理利用变容管结电容Cj 随反向偏置电压VT 变化而变化的特点（VT=OV 时Cj 是最大值，一般变容管VT 落在2V-8V 压间，Cj 呈线性变化，VT 在8-10V 则一般为非线性变化，如图1 所示，VT 在10-20V 时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO 。压控振荡器的调谐电压 VT 要针对所要求的产品类别及典型应用环境（例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等）来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT 有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者， VT 选在1-10V ，对宽频带调谐时，VT 则多选择1-20V 或1-24V 。图1为变容二极管的V — C 特性曲线。图1变容二极管的V — C 特性曲线三压控振荡器的基本参数 1工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“ MHZ 或 “GHz 。 2输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用 Po 表示。通常单位为“ dBmW 。 3输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△ P 表示，通常单位为“ dBmW 。 4调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V 时，引起振荡频率的变化量，用 MHz/ △ VT 表示，在线性区，灵敏度最咼，在非线性区灵敏度降低。 5谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制 =10Log （P 基波/P 谐波）（dBmw ）。 6推频系数：定义为供电电压每变化1V 时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用 MHz/V 表示。 7相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振 f0为fm 的带内，各杂散能量的总和按fin 平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz 相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm 越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定 WV) 0 8 10

锁相环原理及应用

锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的围。目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。一、锁相环路的基本工作原理 1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。图1 锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出

控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。 2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ）鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路．（1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。（2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。（3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。

高频压控振荡器设计

前言 (1) 1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2) 1.1工作原理 (2) 1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2) 2高频压控振荡器电路设计 (4) 2.1设计的资料及设备 (4) 2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4) 2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (4) 2.4实验电路的基本参数 (5) 2.5实验电路原理图 (6) 3高频压控振荡器电路的仿真 (7) 3.1M ULTISIM软件简介 (7) 3.2M ULTISIM界面介绍 (8) 3.2.1电路仿真图 (9) 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (9) 3.3典型点的频谱图 (9) 4高频压控振荡器电路实现与分析 (16) 4.1实验电路连接 (16) 4.2实验步骤 (16) 4.3实验注意事项 (18) 4.4硬件测试 (19) 5心得体会 (21) 参考文献 (22)

压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。在这段历史当中。VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。

集成电路(锁相环)构成的频率解调器_集成电路(压控振荡器)构成的频率调制器

实验十集成电路（压控振荡器）构成的频率调制器一、实验目的 1.进一步了解压控振荡器和用它构成频率调制的原理 2.掌握集成电路频率调制器的工作原理。二、预习要求 1.查阅有关集成电路压控振荡器资料。 2.认真阅读指导书，了解566（VOC 的单片集成电路）的内部电路及原理。 3.高清566外接元件的作用。三、实验仪器设备 1.双踪示波器 2.频率计 3.万用表 4.电容表 5.实验板G5 四、实验电路说明图9-1为566型单片集成VCO 的框图及管脚排列图9-1中幅度鉴别器，其正向触发电平定义为Vsp ，反向触发电平定义为VSM ，当电容C 充电使其电压V7（566管脚⑦对地的电压）上升至VSP ，此时幅度鉴别器翻转，输出为高电平，从而使内部的控制电压形成电路的输出电压，该电压Vo 为高电平；当电容C 放电时，其电压V7下降，降至VSM 时高度鉴别器再次翻转，输出为低电平而使Vo 也变为低电平，用Vo 的高、低电平控制S1和S2两开关的闭合与断开。Vo 为低电平时S1闭合，S2断开，这时I6=I7=0，Io 全部给电容C 充电，使V7上升，由于Io 为恒流源，V7线性斜升，升至VSP 时，Vo 跳变高电平，Vo 高电平时控制S2闭合，S1断开，恒流源Io 全部流入A 支路，即I6=Io ，由于电流转发器的特性，B 支路电流I7应等于I6，所以I7=Io ，该电流由C 放电电流提供，因此V7线性斜降，V7降至VSM 时Vo 跳变为低电平，如此周而复始循环下去，I7及Vo 波形如图9-2。图9-1 图9-2

566输出的方波及三角波的载波频率（或称中心频率）可用外加电阻R 和外加电容C 来确定。 )(858Hz V C R V V f ??-= 其中：R 为时基电阻 C 为时基电容 V8是566管脚⑧至地的电压 V5是566管脚⑤至地的电压五、实验内容及步骤实验电路见图9-3 图9-3 566构成的调频器图9-4 输入信号电路 1.按图接线，观察R 、C1对频率的影响（其中R=R3+RP1）。 ① 将C1接入566管脚⑦，Rp2及C2接至566管脚⑤；接通电源（±5V ）。 ② 调Rp2使V5=3.5V ，将频率计接至566管脚③，改变RP1观察方波输出信号频率，记录当R 为最大和最小值时的输出频率。当R 分别为Rmax 和Rmin 及C1=2200时，计算这二种情况下的频率，并与实际测量值进行比较。用双踪示波器观察并记录R=Rmin 时方波及三角波的输出波形。当R 最小时，理论值)(8 58max Hz V C R V V f ??-= =45.45KHz 测量值KHz V C R V V f 608.388 58max =??-= 当R 最大时，理论值KHz V C R V V f 09.348 58min =??-= 测量值KHz V C R V V f 368.29858min =??-= 误差分析：实验室中有的器件老化了，接线柱上两个距离近的接口用了一根很长的导线等，都会导致精确度不高，还有测量时电压不稳定，也会导致测量时候数据的不准确。 2.观察输入电压对输出频率的影响 ①直流电压控制：先调RP1至最大，然后改变RP2调整输入电压，测当V5在2.2V~4.2V 变化时输出频率f 的变化，V5按0.2V 递增。将测得的结果填入表9.1。表9.1 V5（V ） 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 f （KHz ） 60.1 57.0 53.1 48.7 43.5 37.4 30.8 24.1 17.5 10.8 4.0

晶体振荡器与压控振荡器

晶体振荡器与压控振荡器一、实验目的： 1．掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。 2．比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度。二、实验内容： 1．熟悉振荡器模块各元件及其作用。 2．分析与比较LC振荡器与晶体振荡器的频率稳定度。 3．改变变容二极管的偏置电压，观察振荡器输出频率的变化。三、基本原理： 1.下图是石英晶体谐振器的等效电路：图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。L q、C q、r q是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。r q是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率f q和并联谐振频率f0分别为 f q=1/2πLqCq，f0= f q Co 1 Cq/ 图1 晶体振荡器的等效电路当W＜W q或W> W o时，晶体谐振器显容性；当W在W q和W o之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于Lq很大，即使在W q处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图所示。实际应用中晶体工作于W q~W o之间的频率，因而呈现感性。

图2 晶体的电抗特性曲线设计内容及要求 2 并联型晶体振荡器图3 c-b型并联晶体振荡器电路图 4 皮尔斯原理电路图 5 交流等效电路

C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L上，其值为 C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3) C q/ (C0+C L)<<1 3.电路的选择：晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。图 6 工作电路 4.选择晶体管和石英晶体根据设计要求，

压控振荡器原理和应用说明

压控振荡器（VCO）一应用范围用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。二基本工作原理利用变容管结电容Cj随反向偏置电压VT变化而变化的特点(VT=0V时Cj是最大值，一般变容管VT落在2V-8V压间，Cj呈线性变化，VT在8-10V则一般为非线性变化，如图1所示，VT在10-20V时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO）。压控振荡器的调谐电压VT要针对所要求的产品类别及典型应用环境(例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等)来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者，VT选在1-10V，对宽频带调谐时，VT则多选择1-20V或1-24V。图1为变容二极管的V－C特性曲线。 (V) T 图1变容二极管的V－C特性曲线三压控振荡器的基本参数 1 工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“MHz”或 “GHz”。 2 输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用Po表示。通常单位为“dBmw”。 3 输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△P表示，通常单位为“dBmw”。 4 调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V时，引起振荡频率的变化量，用MHz/ △VT 表示，在线性区，灵敏度最高，在非线性区灵敏度降低。 5 谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制=10Log(P基波/P谐波)(dBmw)。 6 推频系数：定义为供电电压每变化1V时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用MHz/V表示。 7 相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振f0为fm 的带内，各杂散能量的总和按fin平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz；相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定

全数字锁相环原理及应用

全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日摘要：锁相环是一种相位负反馈系统，它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展，全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此，本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究，并用VHDL语言编程，利用FPGA仿真。为解决软件无线电应用扩展到射频，即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题，本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一，它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础，还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。关键词：全数字锁相环；锁定时间；锁定精度；PID控制；自动变模控制；数控振荡器；时间数字转换器；数字环路滤波器；FPGA； Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展，但是其应用领域也在不断扩大，随着高新科技的发展，使得它的性能需要不断地改进和提高，因此，锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3]，以适应不同场合的需求。

压控振荡器

压控振荡器指输出频率与输?入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输?入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的?工作状态或振荡回路的元件参数受输?入控制电压的控制，就可构成?一个压控振荡器。 voltage-controlled oscillator LC压控振荡器、RC压控振荡器 1. 简介压控振荡器的控制特性其特性?用输出?角频率ω0与输?入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表?示。图中,uc为零时的?角频率ω0,0称为?自由振荡?角频率；曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。在通信或测量仪器中，输?入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。?人们通常把压控振荡器称为调频器，?用以产?生调频信号。在?自动频率控制环路和锁相环环路中，输?入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的?一个受控部件。压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好、控制灵敏度?高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度?高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低?而调频范围宽，LC压控振荡器居?二者之间。 LC压控型在任何?一种LC振荡器中，将压控可变电抗元件插?入振荡回路就可形成LC压控振荡器。早期的压控可变电抗元件是电抗管，后来?大都使?用变容?二极管。图 2是克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。图中，T为晶体管，L为回路电感，C1、C2、Cv为回路电容,Cv为变容?二极管反向偏置时呈现出的容量;C1、C2通常?比Cv ?大得多。当输?入控制电压uc改变时，Cv随之变化，因?而改变振荡频率。这种压控振荡器的输出频率与输?入控制电压之间的关系为 VCO输出频率与控制电压关系式中C0是零反向偏压时变容?二极管的电容量；φ是变容?二极管的结电压；γ是结电容变化指数。为了得到线性控制特性，可以采取各种补偿措施。 RC压控振荡器　在单?片集成电路中常?用RC压控多谐振荡器（?见调频器）。

压控振荡器的设计与仿真概要

目录 1 引言 (2) 2 振荡器的原理 (5) 2.1 振荡器的功能、分类与参数 (5) 2.2 起振条件 (9) 2.3 压控振荡器的数学模型 (10) 3 利用ADS仿真与分析 (11) 3.1 偏置电路的的设计 (12) 3.2 可变电容VC特性曲线测试 (13) 3.3 压控振荡器的设计 (15) 3.4 压控振荡器相位噪声分析 (18) 3.5 VCO振荡频率线性度分析 (23) 4 结论 (24) 致谢 (25) 参考文献 (25)

压控振荡器的设计与仿真 Advanced Design System客户端软件设计电子信息工程（非师范类）专业指导教师摘要：ADS可以进行时域电路仿真，频域电路仿真以及数字信号处理仿真设计，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率。本论文运用ADS仿真软件对压控振荡器进行仿真设计，设计出满足设计目标的系统，具有良好的输出功率，相位噪声性能及震荡频谱线性度。本论文从器件选型开始，通过ADS软件仿真完成了有源器件选型，带通滤波器选型，振荡器拓扑结构确定，可变电容VC特性曲线，瞬态仿真及谐波平衡仿真。实现了准确可行的射频压控振荡器的计算机辅助设计。关键字：压控振荡器，谐波平衡仿真，ADS 1 引言振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。人们对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是制作成本上无疑都取得了飞跃性的

锁相环原理及锁相环原理图

问题: 什么是锁相环（PLL）？锁相环的工作原理是什么？锁相环电路对硬件电路连接有什么要求？解答: 锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件板卡的不同而不同。对于基于PCI总线的产品（M系列数据采集卡，PCI数字化仪等），所有的同步都是通过RTSI总线上的时钟和触发线来实现的；这时，其中一块版板卡会作为主卡并且输出其内部时钟，通过RTSI线，其他从板卡就可以获得这个用于同步的时钟信号，对于基于PXI总线的产品，则通过将所有板卡的时钟于PXI内置的10MHz背板时钟同步来实现锁相环同步的。关于更多的不同仪器的锁相环技术，请点击下面相关的连接。锁相环原理及锁相环原理图 1．锁相环的基本组成锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相（t）电压信号输出，该信号经低通滤位差，并将检测出的相位差信号转换成u D 波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u （t），对振荡器输出信号的频率实施 C 控制。 2．锁相环的工作原理（8-4-1）（8-4-2）

完整版锁相环工作原理.doc

基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路频率合成器组成：频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO 电路直接产生。如图3-4 所示。在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO ），在射频电路中起着非常重要的作用。本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop ）来实现。 2.锁相环：它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域 3.锁相环基本原理：锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD 或 PC):是完成相位比较的单元, 用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF): 是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用 .通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO ）：振

荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL 中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。 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频率差，然后输出一个直流脉冲电压； 4、控制 VCO ，使它的频率改变； 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。锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R 分频器、N 分频器、压控振荡器（VCO ）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R 分频器和N 分频器完成参数配置后。晶振产生的参考频率（ Fref）经 R 分频后输入到鉴相器，同时VCO 的输出频率（ Fout）也经 N 分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式输出，并通过 LFP 滤波，加到 VCO 的调制端，从而控制 VCO 的输出频率，使鉴相器两输入端的输入频率相等。锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见，只要合理设置数值N 和 R，就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片锁相环的基准频率为13MHz ，通过内部固定数字频率分频器生成5KHz 或 6.25KHz 的参考频率。 VCO 振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后，与基准频率进行相位比较，产生误差控制信号，去控制VCO，改变VCO的振荡频率，从而使VCO输出的频率满足要求。如图 3-5 所示。 N=F VCO /F R N：分频次数 F VCO： VCO 振荡频率

压控振荡器

摘要压控振荡器作为无线收发机的重要模块，它不仅为收发机提供稳定的本振信号，还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。它的相位噪声、调节范围、调节灵敏度对无线收发机的性能有很大影响。文章首先介绍了振荡器的两种基本理论:负反馈理论和负阻振荡理论。分别从起振、平衡、稳定三个方面讨论了振荡器工作所要满足的条件，并对这些条件以公式的形式加以描述。接着介绍了两种类型的压控振荡器:环形振荡器和LC振荡器。对这两种振荡器的结构、噪声性能和电源的敏感性方面做出了分析和比较，通过分析可以看出LC压控振荡器更加适合于应用在射频领域。紧接着介绍了CMOS工艺可变电容和电感的物理模型，以及从时变和非时变两个方面对相位噪声进行了分析。最后本文采用csm25Rf工艺并使用Cadence SpectreRF仿真器进行仿真分析，设计了一个COMS LC压控振荡器，频率变化范围为2.34GHz-2.49GHz，振荡的中心频2.4GHz，输出振幅为 480mV，相噪声为100kHz 频率偏移下-91.44dBc/Hz ，1MHz频率偏移下-116.7dBc/Hz， 2.5V电源电压下功耗为18mW。关键词：LC压控振荡器；片上螺旋电感；可变电容；相位噪声，调谐范围。

ABSTRACT V oltage-control-oscillator is the crucial components of wireless transceiver , it provides local signal and clock for the whole circuit, its performance parameter, such as: phase noise, tuning range, power consumption, have great effect on wireless transceivers. Firstly, two oscillator theorems: negative-feedback theorem and negative-resistance theorem , are presented and the conditions of startup, equilibrium, stabilization required for oscillator are discussed respectively. Secondly , we introduce two types of VCO : ring VCO and LC VCO ,and made a comparison between them , it is obvious that LC VCO are suit for RF application. The physical model for MOS varactor and planar spiral inductor are present. At last, a COMS LC VCO with csm25rf technology is presented , the VCO operates at 2.34GHz to 2.49 GHz, and its oscillation frequency is 2.4GHz. The amplitude is 480 mV. The phase noise at 100 kHz offset is –91.48dBc/Hz, and -116.7dBc/Hz at 1MHz. The power consumption of the core is 18mW with 2.5V power supply. Key Words：LC VCO；on-chip spiral inductor；MOS-varactor；phase noise；turning range.

锁相环CD4046 原理及应用

锁相环 CD4046 原理及应用锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图1所示。图1 压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。图2是CD4046的引脚排列，采用 16 脚双列直插式，各引脚功能如下：图2?1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 ?2脚相位比较器Ⅰ的输出端。 ?3脚比较信号输入端。 ?4脚压控振荡器输出端。 ?5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 ?6、7脚外接振荡电容。 ?8、16脚电源的负端和正端。 ?9脚压控振荡器的控制端。 ?10脚解调输出端，用于FM解调。 ?11、12脚外接振荡电阻。

锁相环的基本原理含模型.doc

1.锁相环的基本原理和模型在并网逆变器系统中，控制器的信号需要与电网电压的信号同步，锁相环通过检测电网电压相位与输出信号相位之差，并形成反馈控制系统来消除误差，达到跟踪电网电压相位和频率的目的。一个基本的锁相环结构如图 1-1 所示，主要包括鉴相器，环路滤波器，压控振荡器三个部分。 Xi Phase detector Ve Vc Xo Loop fliter VCO 图1-1 基本锁相环结构鉴相器的主要功能是实现锁相环输出与输入的相位差检测；环路滤波器的主要作用应该是建立输入与输出的动态响应特性，滤波作用是其次；压控振荡器所产生的所需要频率和相位信息。 PLL 的每个部分都是非线性的，但是这样不便于分析设计。因此可以用近似的线性特性来表示 PLL 的控制模型。鉴相器传递函数为：Vd Kd ( Xi Xo) 压控振荡器可以等效为一个积分环节，因此其传递函数为：Ko S 由于可以采用各种类型不同的滤波器（下文将会讲述），这里仅用 F (s) 来表示滤波器的传递函数。综合以上各个传递函数，我们可以得到， PLL 的开环传递函数，闭环传递函数和误差传递函数分别如下： K o K d F (s) ， G cl (s) K o K d F (s) S G op( s) S K ， H ( s) S K K F (s) S K F (s) o d o d 上述基本的传递函数就是PLL 设计和分析的基础。 2.鉴相器的实现方法鉴相器的目的是要尽可能的得到准确的相位误差信息。可以使用线电压的过零检测实现，但是由于在电压畸变的情况下，相位信息可能受到严重影响，因此需要进行额外的信号处理，同时要检测出相位信息，至少需要一个周波的时间，动态响应性能可能受到影响。一般也可以使用乘法鉴相器。通过将压控振荡器的输出与输入相乘，并经过一定的处理得到相位误差信息。在实际的并网逆变器应用中还可以在在同步旋转坐标系下进行设计，其基本的目的也是要得的相差的数值。同步旋转坐标系下的控制框图和上图类似，在实际使用中，由于pq 理论在电网电压不平衡或者发生畸变使得性能较差，因而较多的使用dq 变换，将采样得到的三相交流电压信号进行变化后与给定的直流参考电压进行比较。上述两种方法都使用了近似，利用在小角度时正弦函数值约等于其角度，因而会带来误差，这个误差是人为近似导致的误差，与我们要得到的相位误差不是一个概念，最终的我们得到相位误差是要形成压控振荡器的输入信号，在次激励下获得我们所需要的频率和相位信息。 2.1 乘法鉴相器

压控振荡器

宝鸡文理学院高频电子课程设计学校: 宝鸡文理学院系别：电子电气工程系专业: 电子信息工程姓名：白阳年级：2008级学号：200895024026 班级：电子信息工程（1）班

课程题目：压控振荡器的研究设计要求：（1）分析压控振荡器的定义、工作原理以及特点。（2）由于压控振荡器一般分为两种：LC压控振荡器和晶体压控振荡器，分析两种不同振荡器的工作原理及电路分析。（3）结合实际谈谈两种压控振荡器的主要应用范围及作用。格式要求：（1）图片和表格应标记序号，且有相应的注释。（2）一级标题为小二字体，二级标题为三号字体，都为黑体，正文为小四号宋体，且都为宋体，设置1.5倍行距。一，压控振荡器。压控振荡器简介：压控振荡器，简称VCO（voltage-controlled oscillato r），指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示，如下图所示，曲线在ω0,0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

图（1）压控振荡器的控制特性压控振荡器的控制电压可以有不同的输入方式，如让直流电压作为控制电压，电路可制成频率调节十分方便的信号源，用正弦电压作为控制电压，电路就成为调频振荡器，而用锯齿电压作为控制电压，电路将成为扫频振荡器。压控振荡器由控制部分、方波、三角波发生器组成框图如下：反相器 1 反相器 2 模拟开关方波、三角波发生器三角波方波 3-15-1 图（2）控制部分、方波、三角波发生器组成框图变容二极管压控振荡器的基本工作原理在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。