理工大学毕业设计摘 要锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)电路作为时钟倍频器已经成为当代微处理器必不可少的核心组成部件锁相环位于微处理器时钟树的最上端,其性能的优劣直接影响并决定了全芯片的最高工作频率和稳定性 本文第一章，简要阐述了锁相环系统的原理，给出了原理框图；第二章，简要介绍了框图中各部分的作用，针对框图构成，概括介绍了鉴相器、压控振荡器、环路低通滤波器和锁相跟踪特性；第三章，介绍了滤波器的分类，滤波器的参数，以及巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器,介绍了ADF4350器件，并通过该元件设计了锁相环电路，最后进行了各个元件的测试，进行了误差分析关键词 ： 滤波器 鉴相器 压控振荡器 AbstractPLL (Phase-Locked Loop, PLL circuit as a clock multiplier has become an essential core component of modern microprocessor components. PLL clock tree at the top of the microprocessor, its performance will directly affect and determine the maximum operating frequency of full-chip and stability. The first chapter briefly described the principle of the PLL system, gives the block diagram; the second chapter, a brief introduction to the role of the various parts of the block diagram for the block diagram form, an overview of the phase detector, VCO,loop low-pass filter and phase-locked tracking features; Chapter III, the classification of the filter, the filter parameters, and the Butterworth filter and Chebyshev filter, the ADF4350 devices, and the component designPLL circuit, the final test of all components, the error analysis.Keywords: filter;phase detector;voltage-controlled oscillator;目 录绪 论 1第一章 锁相环的组成 21.1 锁相环系统原理 21.1.1鉴相器（PD） 31.1.2 压控振荡器（VCO） 31.1.3 环路滤波器(LPF) 41.1.4 环路的相位模型 4第二章 锁相环的工作原理 62.1锁相环的数学模型 62.2锁相环的跟踪特性 7第三章 锁相环设计 93.1 滤波器的分类 93.1.1 滤波器的类型 103.1.2 滤波器的主要参数 103.1.3滤波器的主要特性指标 113.2 巴特沃斯滤波器的设计 123.3 ADF4350简介 143.3.1 ADF4350的主要特性 153.3.2 ADF4350的功能框图及引脚说明 153.4环路设计 183.4.1 系统实现 183.4.2 VCO的调节 203.4.3 分频器的调节 213.4.4直流控制电压 213.5锁相环系统仿真 223.5.1寄存器参数设置 223.5.2测试步骤 24第四章 总结 27致 谢 28参考文献： 29I理工大学毕业设计绪 论滤波器是一种使信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。
在信息处理，数据传输和抑制干扰等自动控制，通信等电子系统中应用广泛滤波器一般可分为有源和无源两种，有源滤波可以使幅频特性陡峭，而无源滤波器简单易行，但幅频特性不如有源滤波，而且无源体积较大滤波器的阶数有一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭高阶滤波是由一阶和二阶级联组成的采用集成运放构成的RC有源滤波具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频率可调等特点PLL技术的应用现在已经变得十分广泛，其特点是可靠性高、体积小、价格低集成电路产业的发展也十分完善我国曾在若干年前就大力发展集成电路产业，高投入、高利润是IC电路的一大特点集成电路设计所需资金少、成本低、利润高、与市场距离近，是我国集成电路产业发展的突破口随着电子信息产品，通信、多媒体等的新市场，传统产业改造升级，都给集成电路产业带来新的市场空间发展前景十分乐观电子信息行业在前几年曾经十分风靡，最近虽然电子行业稍稍有些不景气，但今年的十大产业振兴规划中将电子信息产业列入其中，这就是对我国电子信息行业的又一次肯定相信在不久的将来随着电子信息行业的再次兴起，锁相环技术会更得到充分的应用，将其用于更多的领域，发挥其最大的功效第一章 锁相环的组成 锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。
其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步因锁相环可以实现输出信号的频率对输入信号频率的自动追踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即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频率合成器是以一个高准确度和高稳定的石英晶体振荡器为基准参考频率，通过加、减、乘、除四则运算，获得与石英晶体振荡器同样准确度和稳定度的频率源目前，频率合成器已成为通信设备、电子对抗、雷达、精密测量仪器的重要部件锁相环频率合成器是现今应用最为广泛的一种频率合成器，他具有输出频率范围大，杂散抑制特性好的特点[1][2]1.1 锁相环系统原理锁相环是一个相位自动控制系统，其基本框图如图 1－1，它主要由三部分构成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）鉴相器是相位比较装置，用来检测输入信号瞬时相位θi(t)与反馈瞬时相位θo(t) 之间的相位差θe(t) ，产生对应于两信号相位差θe(t)的误差电压Ud(t)环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加系统的稳定性。
压控振荡器守控制电压)uc(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定PDLPFVCOθi(t)Ud(t)uc(t)θo(t)图1-1锁相环路的基本构成锁相环是一个相位负反馈控制系统它比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达与输入信号同频在环路开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的，由于两信号之间存在固有频差，他们之间的相位差势必一直在变化，会不断地变到超过 2π，而鉴相器的特性是以 2π为周期，结果鉴相器输出的误差电压就在某一范围内摆动在这种误差电压控制下，压控振荡器的频率也就在相应的范之内变化若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率上稳定下来（当然只有在一定的条件下才可能这样）达到稳定之后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态1.1.1鉴相器（PD）鉴相器是一个相位控制比较器， 用来检测输入瞬时相位θi(t)与反馈瞬时相位θo(t)之间的相位差θe(t)。
而输出的误差电压Ud(t)是相位差θe(t)的函数即：Ud(t)=f[θe(t)]其中函数f[θe(t)]称为鉴相特性 由此可以看出鉴相器在锁相环中起误差敏感元件作用常用的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型,如图1-2a所示；鉴相器的数学模型，如图1-2b所示 LPFudsin[]×+Ui(t)U0(t)ud(t)θ2(t)+θ1(t)θe(t)图1-2a物理模型 图1-2b 数学模型1.1.2 压控振荡器（VCO）压控振荡器是一个电压—频率变换装置， 它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化即： ωv(t)=ωo+Kouc(t)其中ωv(t)是压控振荡器的瞬时角频率；Ko为压控灵敏度，单位是[rad/s.V], ωo是环内压控振荡器的自由振荡角频率,它也是环路的一个重要参数 实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率，而是相位其传输函数为： θo(t)=KOuc(t)/s上式包含一个积分算子 1/s，这是相位与 角频率之间的积分关系形成的。
这个积分是压 控振荡器固有的，因此通常称压控振荡是 PLL 中的固有积分环节这个积分作用在路中起着相当重要的作用实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降上图中的实线是实际的压控曲线压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率，而是相位1.1.3 环路滤波器(LPF)环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用环路滤波器是一个线性电路，由电阻、电容、电感（有时还包括运算放大器）组成，在时域分析中可用一个传输算子F(p)来表示，其中p(d≡/dt)是微分算子；在频域分析中可用传输函数F(s)表示，其中s(jα+Ω)是复频率；若用sj=Ω代入F(s)就得到它的频率响应F(jΩ),故环路滤波器模型可表示如下图: Ud(t) F(p) Uc(t) ud(s) F(s) uc(s)图1-4 环路滤波器的模型环路滤波器有无源滤波器和有源滤波器两种类型，常用的环路滤波器有 RC积分滤波器、无源比例积分滤源波器和有源比例积分滤波器1.1.4 环路的相位模型前面已分别得到了环路的三个基本部件的模型，按图1-5的环路结构，将这三个模型连接起来得到环路的模型，如图 udsin[]F(s)KO/sθ1(t)θe(t)ud(t) uc(t) θ2(t)+-图1-5锁相环路的相位模型由图上明显看到，这是一个相位负反馈的误差控制系统。
输入相位θ1(t)与反馈的输出相位θ2(t)进行比较，得到误差相位θe(t)，由误差相位产生误差电压ud(t),误差电压经过环路滤波器F(s)的过滤得到控制电压uc(t),控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移，来跟踪输入信号频率ωi(t)在uc(t)的作用下，输出频率ωv(t)向输入频率ωi(t)靠拢，一旦达到相等时，若满足一定的条件，环路就能稳定下来，达。