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1、毕业论文（设计）摘要随着现代通讯技术的发展，电子设备对压控振荡器的要求越来越高，传统的压控振荡器功耗高、稳定性差、频率范围窄并且难以集成。为了满足社会发展的需要，设计一个高稳定性、宽频带范围的单片集成的压控振荡器，更好的应用于锁相环电路中，满足通讯设备的使用需要已成为必然。本振荡器采用恒流充放电多谐振荡的电路结构,整个电路由带隙基准源模块、电流源模块、控制电压输入模块和流控振荡器模块四个部分组成。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，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。 本文介绍了锁相环的概念、基本组成、工作原理；及压控振荡器的概念、发展概
2、况以及压控振荡器的种类、工作原理、工作方式和运用。关键词： 锁相环 压控振荡器 目 录前 言1一PLL(Phase Locked Loop)锁相环21.1锁相环的概念：21.2 锁相环的工作原理：21.3 锁相环的基本组成21.4 锁相环的用途：3二压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)32.1 压控振荡器的产生32.2 压控振荡电器的分类3三压控振荡器的原理5四压控振荡器在射频通信电路中的应用64.1.电路原理及设计仿真6五压控振荡器的应用85.1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85.2 VCO关于彩色电视机的实际应用电路10结
3、论12参考文献13 I前 言随着通讯工业的迅速发展特别是无线通讯技术的兴起，电子系统延续了小型化、高性能、低成本的发展趋势，这些发展需求推动了压控振荡器设计要不断突破今天在各方面所受的限制，设计出新的压控振荡器。各设计单位对压控振荡器的设计和研究一直以来都很活跃，在性能上，设计出高稳定振荡频率、宽频率范围、低温度漂移、低相位噪声的振荡器一直是设计者的目标。电路形式上，为满足小型化的要求，单片集成的压控振荡器成为主流，在很多设备中，压控振荡器已经和系统的其他部分集成在一起了。基于PLL锁相环技术的压控振荡器在各方面可以满足需求，因此基于PLL锁相环技术的压控振荡器作为研究对象，具有一定的先进行和
4、实用性。 一PLL(Phase Locked Loop)锁相环1.1锁相环的概念：我们所说的PLL,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。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。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。在数据采集系统中，锁相环是一种非
5、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。是指一种电路或者模块,它用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说,相干的）。 目前主要有模拟锁相环、数字锁相环以及有记忆能力（微机控制的）锁相环。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PLL IC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
6、果有相位差的变化,则PLL IC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。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。1.3 锁相环的基本组成简单的PLL由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器（VCO）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，并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
7、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（PLL,Phase-Locked Loop）。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。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Volt
8、age Controlled Oscillator）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、建立位同步等。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(VCO,Voltage Controlled Oscillator)2.1 压
9、控振荡器的产生一种用于高速窄带压控振荡器（）的偏置电压产生电路。本偏置电路通过用共源共栅结构作为放大器的负载，降低放大器输出偏置电压相对控制电压变化的斜率，增强了控制电压对压控振荡器（）的控制能力，使输出偏置电压在给定电压值附近小幅度的变化，从而降低了压控振荡器（）输出抖动。压控振荡器的发展和其他电子产品一样经历了电子管、晶体管、单片集成之路。为了控制频率变换它需要一个可以产生具有相应频率的稳定正弦时变电压 (或电流)的电子电路。Armstrong发现可以通过配置Audion (一种早期的真空管)来产生振荡，于是他发明了第一个电子振荡器，由于社会的发展Armstrong掀起的振荡器技术革命使火
10、花发射机迅速被淘汰，从而加快了新的振荡器的研发。从20世纪10年代Armstrong的发明到今天，VCO技术的进步经历了真空管振荡器、石英晶体管振荡器、振荡器模块儿解决方案直到今天基于RFIC的振荡器几个阶段。2.2 压控振荡电器的分类压控振荡器的类型有石英晶体压控振荡器、LC压控振荡器和RC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。石英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。2.2.1石英晶体压控振荡器在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和
11、石英晶体相串接，就可形成石英晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。 在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。压控振荡器的应用范围很广。集成化是重要的发展方向。石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。2.2.2 LC压控振荡器在任何一种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-
12、1是克拉泼型LC压控振荡器的原理电路。图2-1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 图2-12.2.3 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）。 三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
13、荡器输出信号的频率随输入控制电压变化的振荡器。控制振荡频率的变化大致可以通过以下的几种方法来实现：（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。它通常由某种反馈形式的频率选择电路或者调谐电路实现，它可以进一步分为RC 电路，开关电容电路，LC 电路和晶体振荡电路等形式。（2） 多谐振荡器，产生方波或者三角波的输出。电路在两个暂稳态间来回的振荡，是一种非线性的振荡器，主要实现的电路形式
14、有张驰振荡器和环行振荡器。无论那种振荡器，都可构成压控振荡器。设计压控振荡器首先要从分析振荡器的振荡原理开始，本章将对这两种振荡器的工作原理进行分，析并在它们的基础上分别构建压控振荡器，比较它们的性能差异。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，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。图 3-1变容二极管的电容量cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的cj变化，cj的变化会导致振荡频率的改变。 对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联的总电容为： 变容管是利用半导体PN结的
15、结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。 对于不同的Cj，所对应的振荡频率为 (VR为最小) (VR为最大)四压控振荡器在射频通信电路中的应用随着通信技术的发展，通信设备所应用的频率日益提高，射频(RF)和微波(MW)电路在通信系统中得到了广泛应用，高频电路设计也得到工业界的特别关注，新型半导体器件制造技术的不断发展更使得高速数字系统和高频模拟系统的应用领域不断扩展。压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator)作为锁相环、频率综合和时钟恢复等电路的关键模块，广泛应用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机等电子系统中，对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响，是RF电路设计与集成的一个难点。VCO虽然可采用分立元件构成，但由于设计中考虑的参量太多，电路复杂，电路尺寸较大，设计周期长，难以满足当今便携式无线通讯设备低功耗、低成本、
