湖工大微波锁相振荡器的设计.docx
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湖工大微波锁相振荡器的设计
湖南工业大学
课程设计
资料袋
湖南工业大学学院（系、部）2015~2016学年第二学期
课程名称微波通信指导教师
学生姓名专业班级通信1302班学号
题目微波锁相振荡器的设计
成绩起止日期2016年5月30日～2016年6月17日
目录清单
序号
材料名称
资料数量
备注
1
课程设计任务书
1
2
课程设计说明书
1
3
课程设计图纸
张
4
5
6
湖南工业大学
课程设计任务书
2015—2016学年第二学期
计算机与通信学院通信工程专业1302班级
课程名称：
微波通信
设计题目：
微波锁相振荡器的设计
完成期限：
自2016年5月30日至2016年6月17日共1周
内
容
及
任
务
一．设计目的
1.了解微波锁相振荡器的基本原理与设计方法，加深对基本锁相环工作原理的理解。
2.熟悉微波锁相环数字频率合成器的电路组成与工作原理，测量以了解微波锁相振荡器的特性。
3.学会使用微波软件对射频微波锁相振荡器的设计和仿真，并分析结果。
二、设计内容
1、测量输入参考信号的波形，确定参考分频比。
2、测量MC145151DE
频率输入端（1端）的波形。
3、用频谱仪测量在不同偏离载波时输出信号的相位噪声以及谐波电平值。
微波输出频率
4、中
为微波输出频率，N为程序分频比，
为参考频率，R为参考分频比。
5、在本设计中N=5、
、R＝8、
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2016.5.30
分组、任务分配、课题理解
2016.5.30—6.8
功能分析、电路设计
2016.6.9---6.15
实验验证和测试
2016.6.16---6.17
总结、书写实验报告
参
考
资
料
[1]王福生、李延平．微波技术与天线：
电子工业出版社
[2]王福昌、鲁昆生．锁相技术．武汉：
华中科技出版社
[3]刘明亮．振荡器的原理和应用（第一版）．北京：
高等教育出版社
指导教师（签字）：
年月日
系（教研室）主任（签字）：
年月日
微波通信
课程设计说明书
微波锁相振荡器的设计
起止日期：
2016年5月30日至2016年6月17日
学生姓名
班级
通信1302班
学号
成绩
指导教师（签字）
计算机与通信学院
2016年6月17日
课题名称
微波锁相振荡器的设计
人数
6人
组长
组员
内
容
及
任
务
一．设计目的
1.了解微波锁相振荡器的基本原理与设计方法，加深对基本锁相环工作原理的理解。
2.熟悉微波锁相环数字频率合成器的电路组成与工作原理，测量以了解微波锁相振荡器的特性。
3.学会使用微波软件对射频微波锁相振荡器的设计和仿真，并分析结果。
二、设计内容
3、测量输入参考信号的波形，确定参考分频比。
4、测量MC145151DE
频率输入端（1端）的波形。
3、用频谱仪测量在不同偏离载波时输出信号的相位噪声以及谐波电平值。
微波输出频率
6、中
为微波输出频率，N为程序分频比，
为参考频率，R为参考分频比。
在本设计中N=5、
、R＝8、
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2016.5.30
分组、任务分配、课题理解
2016.5.30—6.8
功能分析、电路设计
2016.6.9---6.15
实验验证和测试
2016.6.16---6.17
总结、书写实验报告
参
考
资
料
[1]王福生、李延平．微波技术与天线：
电子工业出版社
[2]王福昌、鲁昆生．锁相技术．武汉：
华中科技出版社
[3]刘明亮．振荡器的原理和应用（第一版）．北京：
高等教育出版社
指导教师（签字）：
年月日
系（教研室）主任（签字）：
年月日
微波锁相振荡器的设计
1、锁相环
1.1锁相环的概念
我们所说的PPL，其实就是锁相环路，简称为锁相环。
许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。
PPL通过比较外部信号的相位和由压控晶振的相位来实现同步的，在比较的工程中，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。
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板卡的不同而不同。
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。
1.2锁相环的工作原理
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。
压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与PPLIC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PPLIC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复达到锁频的目的能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
PPL通过比较外部信号的相位和由压控晶振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。
其原图如下所示：
图1-1微波锁相环路框图
图1-2微波锁相环路原理框图
1.3锁相环的基本组成
简单的PPL由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波棒和压控振荡器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位差，井将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环。
锁相环的特点是：
利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因此锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作过程中，当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。
锁相环通常出鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。
1.4锁相环的用途
锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。
20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。
60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、简历位同步等。
具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。
在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。
如今锁相环在彩色电视机，移动电话等多方面都得到运用。
二、压控振荡器的原理
压控振荡器为频率可调的振荡器，它的设计是基于振荡器振荡电路的实现为基础的。
振荡器产生连续、重复的周期性信号输出，和其它的电路输出是输入信号的放大或整形不同，振荡器电路在持续不断的输出时并不存在着输入。
电压控制振荡器是输出信号的频率随输入控制电压变化的振荡器。
控制振荡器频率的变化大致可以通过以下几种方法来实现：
（1）改变振荡器的电阻、电感、电容等无源元件参数。
（2）改变振荡器的有源器件参数。
（3）改变振荡器定时元件的充放电电压值或电流值等。
振荡器的组成形式有非常多样的变化，但从总体上来说，我们把振荡器暂且可以分成两大类：
（1）调谐振荡器，产生接近正弦波的输出。
（2）多谐振荡器，产生方波或者三角波的输出。
2.1调谐压控振荡器
调谐振荡器系统一般由两部分基本电路组成：
一个放大器提供必要的信号增益；一个反馈网络使得部分的放大器输出返回到输入。
图2-1给出反馈振荡系统的简图。
图2-1反馈振荡系统简图
按照反馈环的信号流程我们可以得出
因此反馈环的总的闭环增益为
电路要起振，在幅度上，闭环增益必须是单位l或者更大，这样电路可以保持振荡并且与输入信号的电压Vs的大小无关。
即
在相位环路还必须满足
在满足以上幅度条件和相位条件后，振荡器才能振荡。
2.2多谐压控振荡器
多谐振荡器也称为张弛振荡器，和由LC谐振频率决定振荡频率的LC振荡器不同，多谐振荡器在两个暂稳态之间不停转换，并且电路对储能元件不停地充放电，这种转换和充放电是周期性的，周期的长短就决定多谐振荡器频率的大小。
多谐振荡器的一般工作工程为：
电路工作时没有稳态，只有两个暂稳态。
暂稳态之间跳变的电平称为门限电平。
启动后，电路处在某一暂稳定状态，电路就会给储能元件电容充电，当电容上的点位达到门限电平值肘，电路发生跳变，转换到另一个暂稳定状态。
然后电容反方向充电，当点位达到另一个门限电平时，电路再次发生跳变，电路返回原来的暂稳态，如此循环不己，形成振荡。
多谐振荡器在储能元件上的输出波形通常是线性或者指数规律变化的锯齿波，在开关元件两端则输出矩形方波。
多谐振荡器的电路实现形式有许多种，按照充电的方式不同，我们可以简单的把它们分成两类，RC张弛振荡器和恒流充放电振荡器。
RC张弛振荡器是通过电阻对定时电容进行充放电：
恒流充放电振荡器是用一个恒流源对定时电容进行充放电。
恒流充放电振荡器的基本电路结构如下图2-2所示：
图2-2恒流充放电振荡器基本结构
三、电路设计与测试结果
3.1电路设计
简单的说，PLL（PhaseLockedLoop，锁相环）电路基本由三大部分组成：
1.锁相电路
2.压控振荡器
3.环路滤波器
1）锁相电路
鉴相器选择单相集成锁相环芯片HMC704LP4E、集成VCO芯片V940ME24-LF和环路滤波器。
同时该芯片具有外围电路设计简单，减少了负杂的电路设计。
2）电压控制振荡器（VCO）设计
锁相环的输出频率主要由VCO决定，除此之外，对VCO的相位噪声指标、输出功率、杂散和体积等指标加以考虑。
轧空振荡器选择Z-COMMUNICATIONS的VCO芯片V940ME24-LF，其工作频率为5500MHZ~5800MHZ，输出功率为0dbm，增益系数为30MHZ/V。
供电简单仅需5V，外部原件仅需要一些旁路退耦电容，且体积小，其相噪声指标如图3-1：
图3-1V940ME24-LF的相噪声指标
3）环路滤波器设计
环路滤波器是设计是锁相环设计的重要环节，无源滤波器对于有源滤波器来说，附加噪声更低，只要是通过改变电阻和电容的值来改变环路滤波器带宽，本电路中环路滤波器的带宽是50KHZ，具体设计如图3-2所示：
图3-2环路滤波器
环路滤波器的传递函数为：
式中
所以电阻电容值为:
4）电源部分的设计
对于高频电路，电源的影响很大，凡是遇到电源的部分都需要滤波。
例如：
接入+5V电源滤波
图3-3HMC860LP3E电源模块电路设计
5）衰减器的设计
由于经过放大器后的射频信号功率还是很大，不能直接接入鉴相器ADF4106，需要通过衰减器，具体电路设计如图3-3所示：
图3-4衰减器的电路仿真图
6）功率分配电路设计
经过VCO出来的射频信号一部分进入到鉴相进行相位锁定，一部分作为输出，所以需要设计功率分配电路，具体设计如图3-4所示：
图3-5功率分配的电路仿真图
3.2测试结果
采用AV4051信号源分析仪对该微波振荡器的相位噪声、杂散进行测试，测试频率为5.6GHZ，分别测试了环路滤波器宽带在10KHZ、50KHZ和100KHZ时微波振荡器的相位噪声和杂散指标，测试结果如图3-6、3-7、3-8所示。
显然，在环路带宽为50KHZ左右是，锁相环的相位噪声指标是最优的，与锁相环相位噪声计算结果是吻合的。
图3-6环路滤波器带宽10KHZ时相位噪声和杂散指标
图3-7环路滤波器带宽50KHZ时相位噪声和杂散指标
图3-8环路滤波器带宽100KHZ时相位噪声和杂散指标
四、系统性能分析
锁相振荡器的主要特点包括：
1.参考频率：
稳定、精确的基准频率，RF输出将锁相于该频率：
通常源于晶振或温度控制晶体振荡器（TCXO）。
2.鉴频鉴相器（PFD）：
从参考信号和反馈信号中产生相位误差信号。
3.电荷泵：
将误差信号转换为与相位误羞成比例的正／负电流脉冲串。
4.环路滤波器：
对来自电荷泵的电流脉冲求积分，向VCO调谐端口提供干净的电压。
5.VCO：
根据调谐端口上的电压（Vtune），输出一个频率。
VCO具有增益KV,用MHz/V表示。
VCO输出频率与输入控制电压的基本关系表达式为
fo=fc+Kv（Vtune），其中fc为VCO偏移频率。
6.N分频器：
将输出频率倍除为PFD或参考频率。
可以简单地采用整数倍除，也可以采用小数倍除（小数N分频器），采用后者的越来越多。
小数分频器的实施很简单，只需切换整数分频器的除数便可获得小数平均值（例如，要获得平均值4.25，可以计数到4三次并计数到5一次：
这样就计数了17个脉冲，并生成了4个脉冲，因此频率比为17/4=4.25）。
实践中，借助高分辨率噪声整形转换器所用的技术可以实现更好的效果。
因此，小数方法通常采用Σ-△结构实施，它具有杂散频率少的优势。
五、电路调试
由上面的数据和图标可以看出，经过测试后，相噪指标与理论计算能很好的吻合，且达到整机要求。
输出频率5.5GHZ~5.7GHZ，相位噪声为-105.51dbc/Hz@10KHz,-110.91dbc/Hz@100KHz,杂散优于-70dbc，满足系统。
六、心得体会
整个设计通过了原理和硬件上的调试。
我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。
对于微波锁相振荡器的设计而言，其原理是比较简单的，主要是解决硬件设计中的问题，而硬件设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在思想上面的。
很多小模块是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个小模块才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。
因此可以说系统的设计是理论和实践的结合，二者是密不可分的。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。
另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。
因此非常感谢老师的教导。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
我觉得作为一名通信工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。
更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。
虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。
我认为这个收获应该说是相当大的。
一开始我们接到课题，但是毕竟是指导书，做到后来发现很多基本原理都是不完整的，这让我们伤透了脑筋。
好不容易看懂了一点原理，可是结果还是很不尽人意。
系统连线什么的都弄好了，调试也没有问题，可是就是无法达到预期想要的结果。
参考书毕竟只是一个参考，设计这种东西最后还是要靠自己动脑筋。
然后我们大家一起齐心协力，从平时做的实验﹑老师上课的举例﹑书本上的知识以及老师的辅导和其他同学的帮助下终于完成了。
应该说这是通过我们小组成员的共同努力和动脑完成的，虽然内容并不是很复杂，但是我们觉得设计的过程相当重要，学到了很多，收获了很多。
我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。
小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。
所以我认为这次的课程设计意义很深，和其他同学的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快，另外还要感谢老师的耐心辅导。
参考文献
[1]王福生、李延平．微波技术与天线：
电子工业出版社
[2]王福昌、鲁昆生．锁相技术．武汉：
华中科技出版社
[3]刘明亮．振荡器的原理和应用（第一版）．北京：
高等教育出版社
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