技术优化：扩展输出频率上限的锁相方法

输出频率上限是信号源的主要性能指标。合成信号源的频率合成运算部件是决定输出频率上限的关键部件。扩展输出频率上限的方法有前置分频法、吞脉冲分频法和前置混频法等。

1.前置分频法

在倍频式锁相环中，要得到更高的输出频率，就必须提高反馈回路分频比，并且要求反馈分频器的分频比可以通过程序设定方式改变，这种分频比可变的程控分频器，在工作过程中需要通过反馈来改变分频比，因此可变分频器的最高工作频率受到很大的限制（最高可以达到约1GHz），使锁相环输出频率无法进一步提高。

前置分频法是提高合成信号源输出频率上限的基本方法，它在程序控制的可变分频器之前设置一个固定分频器。由于固定分频器的最高工作频率可以达到6～8GHz，因此合成信号源的输出频率大大提高了。由图9-29可见，固定分频器的分频比为D，则信号源输出频率为

f_o=DNf_i （9-22）

图9-29 前置分频法

这种方法可提高输出频率的上限，但是频率调节的分辨率降低了，通过程控分频器调节分频比得到的频率分辨率为Δf_o=Df_i。

2.吞脉冲分频法

为了解决提高输出频率上限和提高分辨率的矛盾，可以采用吞脉冲分频法。这种方法以前置分频法为基础，借鉴了小数分频中的脉冲删除技术，采用双模分频器作为前置的固定分频器。通过对双模分频器工作模式的控制，可使反馈回路在两个分频比之间不断切换，这样从较长时间看系统总的分频比是一个平均结果。

所谓吞脉冲分频法，是指在锁相环的反馈支路中加入具有吞脉冲功能的双模分频器，这时，锁相环的组成如图9-30所示。吞脉冲分频器主要由双模分频器、N₁、N₂程序控制计数器和吞食控制触发器组成。双模分频器作为前置分频器，其分频系数有P和（P+1）两种模式。分频系数的控制十分简单。在该图中，当“吞食控制”信号为“0”时，做÷P次分频；为“1”时，做÷（P+1）次分频。双模分频器是在一个固定÷P的分频器前面加上一个脉冲删除电路构成的，它比一般程序分频器要简单得多，因此双模分频器与固定分频器一样，工作频率可做得较高。

图9-30 吞脉冲分频法频率合成器原理框图

图9-30中÷N₁和÷N₂的可变分频器做减法计数，当计数值从初始值N减计数至零时，输出一个溢出脉冲，作为置数脉冲LD，又自动地把初始值N设置到计数器中，计数值又恢复到初始值N₀N₁和N₂两个计数器构成了一个整体，共同决定了反馈支路中的总分频比N，其中N₁（N的高位）计数器为主计数器，N₂（N的低位）计数器为吞食控制计数器，设置的初始值应满足N₁>N₂。

吞脉冲分频器的工作过程是，N₁和N₂的一次计数循环开始时，吞食控制触发器被置于“1”态，即吞食控制信号Q=1，双模分频器的分频系数为÷（P+1），N₁、N₂计数器从初始值开始，同时对输入频率为f_o/（P+1）的脉冲做减法计法，在N₁计数器和N₂计数器未计数到零时，吞食控制触发器“1”状态不变，双模分频系数仍为÷（P+1）。

由于N₂<N₁，在经过N₂（P+1）个f_o周期后，N₂计数器首先减计数到零，输出溢出脉冲。N₂的溢出脉冲有3个作用：①作为置数脉冲，使N₂计数值从0恢复到初始值N₂；②触发吞食控制触发器转变成“0”状态，Q=0，关闭N₂计数器的闸门G，使N₂计数器停止计数；③吞食控制信号Q=0，双模分频器的分频系数变为÷P，输出频率为f_o/P，此时，N₁计数器中的剩余值为（N₁-N₂）。(www.xing528.com)

N₁计数器从（N₁-N₂）值开始继续对输入频率f_o/P脉冲做减法计数，再经过（N₁-N₂）P个f_o周期后，它计数到零，N₁计数器输出溢出脉冲。N₁的溢出脉冲有4个作用：①使N₁计数器本身又重新预置到初始值N₁；②N₁计数器的溢出向鉴相器输出一个相位比较脉冲；③使吞食控制触发器转变为“1”态，Q=1，双模分频器的分频系数又恢复到÷（P+1）的状态；④Q=1，使N₂计数器的闸门G开启。主计数器N₁的溢出脉冲表明完成了一次计数循环。

在主计数器N₁的一次计数循环中产生一个溢出，向鉴相器输出一个参考脉冲。在一个参考脉冲的周期内，双模分频器输入的f_o信号的周期数N为

N=N₂（P+1）+（N₁-N₂）P=PN₁+N₂ （9-23）

式（9-23）的N值即为吞脉冲分频器的分频系数。若令P=10，式（9-23）为

N=10N₁+N₂ （9-24）

由上述分析可见，吞脉冲分频器的工作具有如下特点：

①双模分频器是作为N₁、N₂可变分频器的前置分频器，它是在一个固定分频器的基础上加入脉冲删除电路构成P/（P+1）双模分频器，其工作频率很高，故锁相环的输出频率上限很高。

②分频系数的设置必须满足N₁>N₂，且由N₁和N₂可以求得N的范围。例如，设P=10，N₂=0～9，那么N₁至少为10～19，则分频系数范围N=100～199。（当N₁=10、N₂=0，N_min=100。若N₁=19、N₂=9，则N_max=199）。又如，设P=100，N₁=100～199，N₂=0～99，则N=10000～19999。

3.前置混频法

图9-31 前置混频器组成原理

前置混频器的组成原理如图9-31所示。这种方法利用混频器的下变频功能，即利用混频对两个频率进行相减运算，得到相对较低的信号频率之后再进行可变分频。在图9-31中压控振荡器的输出f_o与另一基准f_i2进行混频后得到较低的差频（f_o-f_i2），再进行N分频，以降低对程控分频器的要求。这时，输出频率为

f_o=Nf_i1+f_i2 （9-25）

可见，输出频率上限取决于f_i2的大小，通过调节分频比N₁得到的频率分辨力不变，仍为f_i1。由于混频后必须使用带通滤波器来抑制寄生信号，滤波器的延迟对环路的响应速度会带来不利的影响。