创新学分鉴相器的设计08042118王汉文Word下载.docx

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鉴相器是锁相环重要的组成部分，鉴相器是一个相位比较装置，又称为相位比较器。

用于检测输入参考信号相位θ1（t）与反馈的振荡信号的相位θ2（t）之间的相位之差θe（t）。

它的输出误差电压vd（t）是vi（t）与vo（t）的瞬时相位之差的函数。

鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种，此次课程设计做的是数字鉴相器。

关键字：

锁相环数字鉴相器相位比较

一、绪论

随着信息时代的发展，人们对信息对需求量越来越大在，对信息的质量要求也越来越高，高频由于其频率高，携带的信息量多，易于传输，在各个方面的应用越来越广泛，也越来越引起人们的重视。

在信息技术不断发展的今天，人类已经进入社会网络化、网络互动化的时代。

高频电子线路是无线电技术类各专业的一门主要基础课，它的任务是研究高频电子线路的基本原理与基本分析方法，以单元电路的分析和设计为主。

无论有线通信或无线通信，其本质都是利用电磁波来传递信息的通信，在空间每时每刻都同时存在着不同频率、不同强度的电磁波。

能将天线送来的信号加以选择、放大、变换，以获得所需信息的设备叫做接收设备，即无线接收机。

本课程设计就是对锁相环的关键部分——鉴相器的设计。

二、设计任务与要求

鉴相器为PLL重要组成部分，是一个相位比较器，设计其输入为DDS输出信号和VCO反馈信号，用于检测输入参考信号相位θ1（t）与反馈的振荡信号的相位θ2（t）之间的相位之差θe（t）。

三、设计方案

1、模拟鉴相器；

图3-1

a.vd（t）=AD1sinφe（t）

b.AD为鉴相特性斜率或称鉴相增益或称鉴相灵敏度,量纲为（V/rad）

c.|φe（t）|≤30o,则鉴相器等效一个相位减法器,其极性代表vi超前vo或滞后vo（指同频时,并不考虑它们固定π/2相位差）

d.当t≠0,ωi≠ω0,vd为vi与vo差拍电压,vd为交流电压,则意味环路失锁。

5，当t=0,△ω=ωi-ωr为vi与vo的固有频差（或起始频差） 

e.当t→∞,ωi=ω0Vd为直流电压,则意味环路锁定。

2.数字鉴相器：

图3-2

3.比较数字与模拟鉴相器

　模拟鉴相器的两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管，检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。

其鉴相特性通常为余弦型的。

数字鉴相器。

两个输入信号是脉冲序列，其前沿（或后沿）分别代表各自的相位。

比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。

这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。

因它兼具鉴频作用，故称鉴频鉴相器，考虑到实验的复杂性及方便性故采用数字鉴相器。

四、设计原理

鉴相器是相位比较装置,它对基准信号f1与VCO产生的信号f2进行相位比较,输出反映两信号相位误差的误差电压,它的输出误差电压vd（t）是vi（t）与vo（t）的瞬时相位之差的函数。

图4-1

内部采用的芯片是ADF41系列，ADF4113简介：

ADF4113是一种直接数字式频率合成器，它的最高工作频率为3.0GHz，工作电压为2.7～5.5V，可用于无线电基站设备、无线手提终端和信号检测设备等，它的外部引脚如图2所示。

图4-2ADF4113的外部引脚

1、工作原理

ADF4113从外部输入的信号只有标准频率源信号和控制信号。

标准频率源信号经过耦合电路输入到ADF4113后，经14位的R分频器得到鉴相基准频率送鉴相器。

单控制信号由时钟信号CLK、数据信号DATA和使能信号LE组成。

在时钟信号的控制下，由串行口输入24位数据信号，暂时存放在24位输入寄存器中。

在接收到使能信号后，先前输入的24位数据根据地址位到达对应的锁存器。

当ADF4113接收到反馈回来的输出频率后，首先通过预引比例因子P，经A、B分频器，得到分频以后的反馈信号，输入到锁相器。

与分频以后的标准频率源信号在鉴相器中比较，输出低频控制信号以控制外部VCO的频率，使其锁定在参考频率的稳定度上。

2、控制字

ADF4113的分频比N通过设置预引比例因子P和A、B分频器实现，算法为N=B×

P+A。

参考频率通过R分频器分频得到适合鉴相器的输入，因此有fVCO＝[P×

B+A]×

fREFIN／R。

A分频器、B分频器和R分频器分别为6位、13位和14位，其数值通过写相应的控制寄存器实现。

ADF4113内部有四个24位控制字寄存器,分别为R分频器控制字、N分频器、初始化寄存器和功能寄存器。

R控制字包括地址控制位、14位R分频器的数值设置位、脉冲宽度控制位、模式测试位、锁定精度选择位、方式选择位和保留位。

N分频器控制字包括地址控制位、6位A分频器的数值设置位、13位B分频器的数值设置位、输出位增益控制位和保留位。

初始化寄存器控制字包括地址控制位、分频器设置位、电源设置位、MUXOUT输出端控制位、PD极性设置位、输出端是否为三态输出设置位、快速锁定设置位、定时器设置位、当前状态选定设置位，以及预引比例因子设置位。

功能寄存器与初始化寄存器控制字基本相同，只是低两位地址控制位不同。

五、主要性能

ＡＤＦ４１１３可用于无线射频通信系统基站、手机、ＷＬＡＮ、通信检测设备及ＣＡＴＶ设备中，其主要性能特点如下：

●工作电压：

２．７～５．５Ｖ，同时还提供外部可调的电荷泵电压调节功能；

●最高鉴相芯片５５ＭＨｚ，最高ＲＦ输入频率达４ＧＨｚ；

●具有四组可编程双模分频器８／９、１６／１９、３２／３３、６４／６５；

●内置可编程电荷泵电流和可编程反冲（ａｎｔｉｂａｃｋｌａｓｈ）脉宽功能；

●编程控制采用３线串行接口；

●能够进行模拟和数字锁定检测；

●软硬件断电模式；

●具有良好的相位噪声参数，鉴相频率为２００ｋＨｚ时，相噪基底为－１６４ｄＢｃ／Ｈｚ；

输出９００ＭＨｚ时，相噪可达－９１ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；

输出１９６０ＭＨｚ时相噪为－８５ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；

鉴相频率１ＭＨｚ、输出３１００ＭＨｚ时相噪为－８６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ。

图5-1

图5-1所示为ＡＤＦ４１１３的原理框图，它由一个低噪声数字鉴相器、一个高精度电荷泵、一个可编程参考分频器（Ｒ分频器）、一个可编程Ａ、Ｂ计数器以及一个双模分频器（Ｐ／Ｐ＋１）组成。

６位Ａ计数器、１３位Ｂ计数器与双模分频器（Ｐ／Ｐ＋１）共同组成了Ｎ分频器，分频比Ｎ＝ＢＰ＋Ａ。

只需外加一个环路滤波器和压控振荡器（ＶＣＯ），就可以构成一个完整的锁相环电路。

输出频率为：

ｆＶＣＯ＝Ｎ（ｆＲＥＦ／Ｒ），其中，ｆＲＥＦ为参考频率，频率步进等于ｆＲＥＦ／Ｒ。

六、　引脚功能

ＡＤＦ４１１３有ＴＳＳＯＰ和ＬＦＣＳＰ两种封装形式，引脚排列如图２所示。

各引脚功能如下：

ＲＳＥＴ：

用来设置最大电荷泵输出电流，外接一个电阻ＲＳＥＴ并连接至ＣＰＧＮＤ，换算关系为：

ＩＣＰｍａｘ＝２３．５／ＲＳＥＴ（Ｍａ）；

ＣＰ：

电荷泵输出，接环路滤波器；

ＣＰＧＮＤ：

电荷泵地；

ＡＧＮＤ：

模拟地；

ＲＦＩＮＢ：

ＲＦ互补输入，一般接一个１００ｐＦ的去耦电容；

ＲＦＩＮＡ：

ＲＦ输入（来自ＶＣＯ的ＲＦ信号耦合输入）；

ＡＶＤＤ：

模拟电源，电压范围为：

２．７～５．５Ｖ；

去耦电容应尽量靠近该引脚；

ＡＶＤＤ必须和ＤＶＤＤ一致；