주파수 합성기는 발진기, 메인 루프 및 측정 루프를 포함한다. 발진기는 제어 신호의 크기에 상응하는 주파수를 가지는 발진 신호를 생성한다. 메인 루프는 정상 모드일 때 동작하며, 상기 발진 신호를 피드백받아 제1 기준 신호와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 제어 신호를 생성하여 발진기에 제공한다. 측정 루프는 측정 모드일 때 동작하며, 상기 발진 신호를 피드백받아 상기 발진 신호의 주파수를 소정의 크기만큼 차례로 변경시키고, 상기 발진 신호의 주파수의 변경 결과에 따라 변경되는 상기 제어 신호를 발진기에 제공한다.