因为电子通信技术水平不断提高,所以对于相位噪声噪和频率稳定性的要求更加严格，尤其是在军事和宇航等领域。但是对于这些的研究外国依然领先我国一大截。此文将先讲相位噪声,然后讲相噪和产生和影响它的因素以及如何减小相噪。

　　本文将首先介绍锁相环的工作原理，对其组成部分进行阐述，然后进行锁相环相位噪声的分析，同时描述相位噪声与环路带宽之间的联系。之后分析锁相环路的设计，是很多模块一起工作，一起完成的低相噪锁相晶振。低相噪锁相晶振基本上由PLL，VCXO组成。PLL的远端噪声是VCXO给予的，为了表明理论的设计方案是切实可行的，本文采用了ADIsimPLL对仿真的PLL，并且成功完成了本次设计，从最后的测试结果能看出锁相晶振的相位噪声指标为-150dBc/Hz@1kHz,输入10MHz频率信号，输出100MHz信号，满足了设计要求。

　　随着时代的发展，雷达、通信和导航等电子系统快速展并且被人们普遍应用,因此人们对于需用的高精密度的频率源的信号慢慢提出了更高的要求。对于相位噪声的测量变得越发的重要，无论是在频率源标准的研究还是在频率源的特性和性能测试中都开始变得不可或缺。所以需要人们更多去研究晶体振荡器，比如工作原理和噪声的特点，在实际中降低相噪有哪些方法等。

　　本文首先对锁相环的结构进行了分析，发现其中存在着很重要的干扰因素，那就是相位噪声，于是后面对锁相环的相位噪声进行研究,为了达到相位噪声-150dBc/Hz@1kHz，本文用ADIsimPLL进行了仿真，讲了部分减小晶振相噪的方法,如反馈的升级、滤波的提高、阻抗匹配等,然后在现实电路中使用，最终测试结果符合要求。文末有整体电路图,也讲了电路组成部分的作用以及对于电路的影响。

　　随着第一个锁相环在国外被生产出以来，后面开始快速发展，生产出来的产品种类越来越多，生产的工艺也千方百样。现在除了一些有着特殊用处的锁相环以外，基本上都已经集成了，而且生产出了很多品种。当代的锁相技术已经不再只是单纯的一个技术，而是发展成了一门完整的理论科学，并且在精密测量、通信、雷达、计算机和航天等相关领域的应用变得越来越广泛。

　　在当前电子技术快速发展的时代，以前的LC振荡器和RC?\t/d/_blank振荡器已经不能够满足对于信号频率的准确度和信号频率的稳定度的要求了。而有着极高的精度与稳定度的晶体振荡器却能满足这些要求，不过它的频率值不是很高并且频率也比较单一。因此后面出现了能够稳定频率的，还可以具有一样的稳定度与精密度频率的新方法，那便是频率\t/d/_blank合成技术。该技术的参考频率源有着极高的稳定度与准确度，可以对频率进行各种数学的运算，然后获得准确度相同但是稳定度不同的频率源。频率合成器对电器非常关键，电器的性能优劣将受到它的极大影响。直接频率合成技术（DFS）、间接锁相式频率合成技术（PL）和直接数字式频率合成技术（DDS）是三类最主要的频率合成技术。

　　直接频率合成技术是最古老的。该方法可以通过分频、混频和倍频等方式对参考源频率经过简单的数学运算来产生目的频率。该方法的优点很明显，具体表现在相位噪声不高并且频率转化迅速。所以在频率合成这个大的领域内受到重视，但是频率是经过分频和倍频等获得的，使得直接频率合成器的体积大、成本高、不节能，因此DFS己经基本没有再出现在人们眼前。

　　间接频率合成技术诞生得晚一些。用PLL进行频率合成的合成器有很多，比如锁相频率合成器，这种频率合成器的优点很突出，具体表现在结构很简单、体积不大、容易集成、调试简单、没什么杂散，因此应用就很广，不过也有着明显的缺点，表现在频率转换需要较长时间，如果是跳频时间需要很快的话，基本上都不能满足。

　　直接数字式频率合成是通过全数字化的处理方式来实现的。最近这些年，\t/d/_blank集成电路的工艺越发精湛，技术水准也越来越高，该技术的提高非常显著。DDS的组成部分主要有我们常见的D/A转换器的低通滤波器等。经CLK的控制，把数据传给相位累加器，刷新相位累加器，以数据N为地址来查找，如果改变相位增量，DDS的输出频率也会改变。通过波形ROM?\t/d/_blank存储器里面的波形来让数据量化，经过数模转换器得到模拟电压或者模拟\t/d/_blank电流，然后通过低通滤波器把波形里面的高次谐波除掉，最终获得DDS的输出频率。

　　本文目的是设计一个锁相环电路，应用MCU对PLL芯片ADF4002进行编程控制，使100MHz锁定参考10MHz频率；使其输出频率随参考10MHz信号的变化而变化。

　　锁相环倍频晶体振荡器主要由锁相环与分频器组成。此文里的压控振荡器又称压控晶体振荡器，与一般的压控振荡器有差异，它的相噪更好。环路滤波器存在于锁相环电路中，对于锁相环极其重要，环路捕捉带的大小、捕捉时间的长短、环路的稳定与否和噪声的参数都深受其影响。所以环路滤波器不可或缺，因为它能提高控制电压的频谱纯度，让系统更加稳定。锁相倍频晶体振荡器相比于直接倍频器而言，更易于控制，远端相位噪声特性也更好，频率稳定度更高，不会出现相位失锁等问题，目前已得到了广泛的应用。

　　晶体振荡器在生活中应用很广，主要体现在电子这个领域，在通信、航天等行业起着无法替代的作用。近年来科技发展特别迅速，所以晶体振荡器在人们所用的电子产品如手机，电脑等上面都有体现。要想让晶体振荡器在人们的生活中发挥更大作用，需要提高它的性能，比如优化它的设计，提高它的稳定性等。

　　此文是用的锁相频率合成器与环路滤波器来实现目的的。频率综合器在环路带宽内的相噪和参考信号、环路滤波器、鉴相器的相噪与鉴相频率的N值相关；而环路带宽外的相噪主要与VCO的相噪联系。本次毕设的要求是以10MHz为参考频率，得到100MHz的输出频率，并且相噪为：-150dBc/Hz@1kHz。此文首先分析了PLL是如何构成的，然后对相位噪声进行了研究，最终得到相位噪声性能非常好的晶振。

　　锁相环路采用的是负反馈方式，也称锁相环，由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。PLL的鲜明特征是能通过外面输入参考信号来改变内部信号。锁相环用处广泛，比如先输入某一个信号频率，你会发现输出的频率会自动跟踪它，因此PLL常见于闭环跟踪电路。PLL工作的时候，输出与输入信号的频率相同，则输出输入电压的相差将相同，证明输出与输入电压的相位被锁。锁相环路基本原理图如图2-1所示。

　　频率合成器的输出信号有二个极端，一个是最小的频率，还有一个是最大的频率，二者之间有一个频率区间，这个区间也被人们称为频率范围。

　　由于各种因素的影响，使振荡器的输出频率多变，这种频率变化的幅度与额定频率相比又称频率稳定度，简称频稳，象征着频率合成器在指定频率上所能达到的效果，对频率合成器算一个很关键的指标，分为短期频稳，长期频稳和瞬时频稳。

　　频率合成器是指在某一频率范围内输出和标称频率之差，象征频率合成器在某点稳定工作的能力。

　　频综输出的两个相近信号的频率间隔就是频率分辨率。频综的工作点数可以由正常工作频率和输出频率之差获得。

　　频谱纯度就是实际和理想频谱的相似度，可由此看出输出信号得好坏，频谱纯度越好则抑制杂谐波的能力越强，相位噪声越好。

　　随着科学技术的快速发展，鉴相技术开始得到越来越多的应用，鉴相方法增加，特点各有不同。模拟鉴相技术广泛使用，乘积模拟鉴相技术和微波鉴相技术属于它。广泛使用的还有数字鉴相技术。乘积型鉴相技术是把两路信号相乘，然后经过低通滤波器。因为这个技术的鉴相器中包括滤波器，如果是用于锁相环，通过锁相环优良的的跟踪特性，能将几十兆赫兹的频率进行几十兆赫兹或者更高频率的滤波处理，最终把输入信号里面的噪声与干扰滤除。

　　环路滤波器是锁相环的关键组成部分，也属于滤波器中的一类，不过与一般的滤波器又有很大的不同，它极大地影响着锁相环的好坏，在锁相环频综的里面，环路滤波器能让环路保持稳定，也能够控制带内外的噪声，不让压控振荡器的调谐电压发生突变。

　　运用广泛的环路滤波器是线性低通滤波器，可以滤掉高频分量和噪声。由传递函数可知，有源比例积分滤波器有单独可调的数据，还可以滞后，有利于环路稳定REF_Re\r\h[9]。

　　在PLL中，LF能滤掉PD输出电压里的不需要的成分。LF不能够很简单去看待，要从控制系统出发去研究，LF在PLL的设计里可自由改变，不仅能够让环路具有良好的动态特性，还能提高锁相环其他方面的表现。要想研究PLL的过程,传递函数必须得重视，传递函数就是将输入和输出信号的电流或电压互相联系，不过在锁相环里还需重视的是输入和输出变量的相位联系。

　　传递函数的幅度为1的频率便是环路带宽，在环路滤波器的设计过程中非常关键。锁相环的抖动大多是因为外部信号的噪声造成的，因此环路带宽需要窄才好，这样便能降低外部信号的噪声，特别是参考信号里的噪声REF_Re\r\h[9]。假如想要更要降低VCO的噪声，还想具有优秀的跟踪与捕获性能，环路带宽需要宽才好。只有综合分析，在实物调试的时候根据实际进行最恰当的调整。

　　传递函数的幅度为1时的相位再加上180°便是相位裕量。它能够影响系统的稳定性，相位裕量比较低的话，系统的稳定性便比较低，相位裕量比较打的话，系统的稳定性便比较高，不过系统的阻尼振荡便比较小，相当于将锁定时间延长了。因此需要分析恰当的相位裕量，大多在40~55°区间，用得最多的相位裕量通常是45°。

　　输出频率与输入电压有紧密联系的振荡电路，便是人们常说的压控振荡器，该振荡器的工作情况与得到的各种参数有输入的控制电压的决定。人们对于调频器不会陌生，其实它就是压控振荡器，可以得到调频信号。在PLL里，输入的控制电压便是误差电压，VCO只是PLL的一部分。

　　VCO有晶体压控振荡器、感容和阻容压控振荡器。对VCO的性能指标主要包括：频率要足够稳定度、控制得灵敏度足够高、可以调节的频率范围足够宽、容易集成等。晶体压控振荡器的有足够高的频稳，不过可以调节的调频范围不够宽；阻容压控振荡器的频稳比较低但是可以调节的频率范围足够宽，感容压控振荡器则介于两者之间。

　　本文选择的是ADF4002作为频率综合器芯片，它里面有数字鉴频鉴相器，可以用于调频和解调，它里面也有电效率高的精密电荷泵，还有能编程的参考分频器与N分频器，多位R计数器，并且在鉴相器输入信号的地方有能选择的参考频率。把频率合成器、环路滤波器与压控振荡器结合起来，便能完成完整的锁相环，并且如果把R与N设置为1，这个元件还能当成单独的鉴相器与电荷泵。图2-2便是ADF4002的原理图。

　　PD是PLL的一部分，也叫相位比较器，可以测输入与输出信号得相差，再把相差变为电压信号，经LF滤波后，得到VCO的控制电压，进而控制振荡器输出信号的频率。LF能滤掉误差电压里不需要的成分，提高环路的性能，让系统也能有更好的稳定性。?VCO由控制电压进行控制，让VCO的频率能够与输入信号的频率更加接近，最后频率差被消掉，频率被固定。PLL把输入信号与VCO输出信号的相差相比，由误差电压调整VCO的频率，最终等于输入信号的频率。环路工作时，输入的频率与VCO的存在差异，那么会因为二者信号频率有固定的差值，并且相位差势会保持变化装状态，最终鉴相器输出的误差电压将会在某一个区间内变动，VCO的频率会跟着变动。如果VCO的频率变动和输入信号的一样，稳定性能达到要求的话，可以定位此频率。系统稳定了后，输入信号和VCO输出信号就不会存在频率差了，相位差不会因为时间而改变，误差电压也恒定下来，表明环路就是锁定的情况了。

　　PLL锁定后，有些东西会使信号改变，如VCO频率可能改变，不过环路通过自身的反馈调整后，PLL还是可以稳定。此过程又称环路追踪，而锁定范围也很重要，就是系统能一直跟踪的频率范围最大值。

　　LF是低通滤波，可以滤掉PD输出误差电压里的不需要的成分，得控制电压。VCO工作频率的电压随控制电压发生变化，因此PLL的优劣与它的变化联系紧密。将环路带宽变宽，相噪对VCO的影响会越小，。现实的情况是，输入信号的噪声而且大多来自于晶体振荡器，锁相环的输入相噪基本都是由VCO产生，所以可以把环路带宽设置得宽一些。

　　锁相环会控制VCO，VCO是电压与频率的变换设备，在锁相环路里可以当成频率能够改变的振荡器，它的振荡频率会跟着输入控制电压出现线性改变。其输出的信号会因为PLL的要求不一样，出现了正弦波与非正弦波压控振荡器这二种，本文用到的是正弦波压控振荡器。

　　锁相环有一个非常关键的指标，这个指标就是相噪，对电子产品的性能有着较大的影响，从频域方面分析可以知道，它是按幂律谱分布分布在载波信号的附近。由于现在的科学水平不断提高

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