畢業(yè)論文基于鎖相環(huán)路的高頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)

1、 南 京 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作 者： 學(xué) 號(hào)： 院 系： 專 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 基于鎖相環(huán)路的高頻信號(hào)源設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 周正 講師 評(píng)閱者： 2012 年 6 月 南 京high-frequency signal generator based on pllbychengfengyinsupervised by lecturer zhengzhoucollege of communication engineeringnanjing institute of technology june 2012摘要本文設(shè)計(jì)以以at89s52為核心，它直接控制mc145152的

2、a分頻數(shù)，其串口工作在方式0，經(jīng)過(guò)串、并轉(zhuǎn)換后，控制mc145152的n分頻數(shù)。鍵盤實(shí)現(xiàn)a加記數(shù)、a減記數(shù)、n加記數(shù)、n減記數(shù)、步進(jìn)值和波段的控制；數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示頻率和頻率步進(jìn)值；單片機(jī)直接控制繼電器實(shí)現(xiàn)波段變化，并用二極管顯示當(dāng)前的頻段范圍。通過(guò)對(duì)該課題的研究，以高頻信號(hào)源系統(tǒng)為研究目標(biāo)，從問(wèn)題的提出到工程方案的確定，從鎖相環(huán)路的原理、應(yīng)用和數(shù)學(xué)模型分析到利用鎖相環(huán)路構(gòu)建高頻合成電路，軟、硬件實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:鎖相環(huán)；mc145152；at89s52；abstractthis article is designed to at89s52 core, which directly control

3、the mc145152 a score frequency, its serial port in mode 0, string, and convert, control the mc145152-n frequency .keyboard count a plus, a minus count, n, and the count, n the number of write-down, step value and the band control; digital tube real-time display of frequency and frequency step value

4、;single-chip direct control relays band change, and use diode display the current frequency range.through the study of this subject, to the high frequency signal source system for the research objectives of the problem to the engineering program, from the phase-locked loop principle, application and

5、 mathematical model analysis to the use of phase-locked loop to build high-frequency synthesis circuits, software and hardware implemention.keywords：phase-locked loop; mc1451522; at89s52; 目錄第一章 緒論11.1選題背景11.2畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的和主要內(nèi)容11.3信號(hào)源的簡(jiǎn)介21.4鎖相環(huán)技術(shù)簡(jiǎn)介21.5畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的主要章節(jié)安排4第二章 鎖相環(huán)及頻率合成技術(shù)52.1鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)及基本原理52.2鎖相環(huán)路的各部件

6、及其數(shù)學(xué)模型72.3頻率合成技術(shù)9第三章 芯片的介紹113.1 at89s52單片機(jī)113.2 芯片mc145152 mc12022 mc1648簡(jiǎn)介14第四章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)184.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)184.2 單元電路設(shè)計(jì)184.2.1壓控振蕩電路設(shè)計(jì)184.2.2頻率合成器的設(shè)計(jì)224.2.3環(huán)路濾波器274.2.4控制電路設(shè)計(jì)和頻率計(jì)算28第五章 軟件設(shè)計(jì)305.1 mc145152的控制和顯示部分的程序設(shè)計(jì)305.2 74ls595的控制程序設(shè)計(jì)315.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)31第六章 總結(jié)與展望33致謝34參考文獻(xiàn)35附錄一 總體電路圖36附錄二 程序37第一章 緒論1.1選題背景

7、 隨著社會(huì)科學(xué)的電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于一些電路的分析所需的儀器種類越來(lái)越多，同時(shí)要求的精度也越來(lái)越高。技術(shù)的發(fā)展應(yīng)是面向人性化、智能化、經(jīng)濟(jì)化為一體的發(fā)展目標(biāo)。在現(xiàn)代電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，常常需要高精度且頻率方便可調(diào)的信號(hào)源，信號(hào)源的使用普及程度也許僅次于萬(wàn)用表和示波器。頻率越高、產(chǎn)生波形種類越多的發(fā)生器性能越好，但器件成本和技術(shù)要求頁(yè)大大提高。在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。鎖相技術(shù)起源于二十世紀(jì)30年代，提出無(wú)線電調(diào)幅信號(hào)的鎖相同步檢波技術(shù)；40年代電視技術(shù)得到發(fā)展；50年代空間技術(shù)的發(fā)展；60

8、年代相繼研究制出集成鎖相環(huán)部件和單片機(jī)鎖相環(huán)路；70年代由于半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使鎖相技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域；80至90年代鎖相環(huán)路理論與研究日益完善，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)電子技術(shù)領(lǐng)域；近年來(lái)，鎖相技術(shù)在通信、航天、測(cè)量、電視、原子能等領(lǐng)域，能夠高性能地完成信號(hào)的提取，信號(hào)的跟蹤與同步，模擬和數(shù)字通信的調(diào)制與解調(diào)、頻率合成、濾波等功能，已經(jīng)成為電子設(shè)備中常用的基本部件之一。通信及電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展促使集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)突飛猛進(jìn)，目前朝著集成化，數(shù)字化，多用化方向飛速發(fā)展。利用鎖相環(huán)路構(gòu)建高頻合成電路，軟、硬件也變得可以實(shí)現(xiàn)。其核心是基于鎖相和頻率合成技術(shù)。1.2畢業(yè)設(shè)計(jì)

9、的目的和主要內(nèi)容通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的研究，熟悉高頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)的基本過(guò)程。鎖相環(huán)是相位誤差控制系統(tǒng)，它將設(shè)定的參考信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位不斷比較，利用兩者的相位誤差電壓來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的相位，直到輸出信號(hào)與參考信號(hào)達(dá)到同頻。高頻信號(hào)源要求電子儀器能達(dá)到很高的輸出頻率，具有低相位誤差、低雜散、易于集成等特點(diǎn)，能提供頻率穩(wěn)定度很高的輸出信號(hào)，能很好的抑制寄生分量，避免大量使用濾波器，因而有利于集成化和小型化。該設(shè)計(jì)以高頻信號(hào)源系統(tǒng)為研究目標(biāo)，從問(wèn)題的提出到工程方案的確定，從鎖相環(huán)路的原理、應(yīng)用和數(shù)學(xué)模型分析到利用鎖相環(huán)路構(gòu)建高頻合成電路，軟、硬件實(shí)現(xiàn)。1.3信號(hào)源的簡(jiǎn)介 信號(hào)源又稱信號(hào)發(fā)生器或振蕩器，它是

10、指生產(chǎn)所需要的參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。 信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)

11、信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。正弦信號(hào)是使用最廣泛的測(cè)試信號(hào)。這是因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號(hào)的方法比較簡(jiǎn)單，而且用正弦信號(hào)測(cè)量比較方便。其中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都都需要高頻發(fā)射，這里的高頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的信號(hào)源。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的信號(hào)源。1.4鎖相環(huán)技術(shù)簡(jiǎn)介鎖相環(huán)是一種利用反饋控制原理實(shí)現(xiàn)的頻率及相位的同步技術(shù)，其作用是將電路輸出的時(shí)鐘與其外部的參考時(shí)鐘保持同步。當(dāng)參考時(shí)鐘

12、的頻率或相位發(fā)生改變時(shí)，鎖相環(huán)會(huì)檢測(cè)到這種變化，并且通過(guò)其內(nèi)部的反饋系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率，直到兩者重新同步，這種同步又稱為“鎖相”。鎖相環(huán)包括鑒相器（pd)、環(huán)路濾波器（lf）和壓控振蕩器（vco）。鑒相器是相位比較裝置，它把輸出信號(hào)和參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓。而其原理是使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它的作用是在鑒相器的輸出端衰減高頻誤差分量，以提高抗干擾性能；在環(huán)路跳出鎖定狀態(tài)時(shí)，提高環(huán)路以短期存儲(chǔ)，并迅速恢復(fù)信號(hào)。壓控振蕩器是用以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，在

13、自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。大致有如下框圖：壓控振蕩器vco環(huán)路濾波器lf鑒相器pd u1 ud uc u2圖1-1 基本鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性：無(wú)論輸入鎖相環(huán)路的信號(hào)是己調(diào)制或未調(diào)制的，只要信號(hào)包含著載波頻率成分，就可將鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)成一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，跟蹤輸入信號(hào)載波成分的頻率與相位變化，環(huán)路輸出信號(hào)就是需要提取(或復(fù)制)的載波信號(hào)，這種特性稱為環(huán)路的載波跟蹤特性。載波跟蹤特性包含著三重含義:一是窄帶，窄帶可以有效地濾除噪聲與干擾，而環(huán)路主要是利用環(huán)路濾波器的低通特性來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻窄通帶的，這比之制作普通的窄帶濾波

14、器要容易得多。在高載頻上，用鎖相環(huán)路可將通帶做到1hz或幾hz那樣窄，這是普通濾波器難以實(shí)現(xiàn)的。二是跟蹤，跟蹤載波頻率的飄移變化，可保證窄帶的實(shí)現(xiàn)。普通的帶通濾波器無(wú)法跟蹤，因此它的通頻帶寬度必須計(jì)及頻率漂移范圍。三是可將弱載波頻率成份放大為強(qiáng)信號(hào)輸出。由于環(huán)路輸出的是壓控振蕩器的信號(hào)，它是弱載波成分的頻率與相位的真實(shí)復(fù)制品，其強(qiáng)度比輸入載波成分要大得多。載波跟蹤特性在空間應(yīng)用、通信與微弱信號(hào)接收技術(shù)中有著重要與廣泛的應(yīng)用。正是因?yàn)樗恼瓗匦裕梢宰龀烧瓗Ц櫈V波器。從輸入的已調(diào)信號(hào)中提取基準(zhǔn)的載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相干性。因此在相干通信中得到廣泛應(yīng)用。本段介紹下鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)理想的頻

15、率控制，這是由于環(huán)路鎖定時(shí)，環(huán)路輸出無(wú)剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在所致。鎖相環(huán)的門限性能好，鎖相環(huán)用做調(diào)頻信號(hào)解調(diào)器時(shí)，其門限性能要比普通鑒相器要改善5db左右。鎖相環(huán)易于集成化與數(shù)字化，組成環(huán)路的基本部件易于采用模擬集成電路，環(huán)路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后，更易于采用數(shù)字集成電路。鎖相環(huán)的集成化、數(shù)字化為減小體積、降低成本、提高可靠性實(shí)現(xiàn)多用途提供了有利條件。1.5畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的主要章節(jié)安排首先就設(shè)計(jì)的研究背景意義做出說(shuō)明。第一章介紹設(shè)計(jì)的背景意義和主要內(nèi)容。第二章主要介紹了設(shè)計(jì)個(gè)部分的基本知識(shí)及原理。第三章介紹了硬件電路的各個(gè)部分原理。然后介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。最后給出結(jié)論并對(duì)課題未來(lái)的發(fā)展做出了展望。第二章 鎖相環(huán)

16、及頻率合成技術(shù)2.1鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)及基本原理圖2-1 鎖相環(huán)的基本框圖【2】圖（2-1）是鎖相環(huán)的基本方框圖，它主要由電壓控制振蕩器,鑒相器，低通濾波器和晶體振蕩器所組成。當(dāng)壓控振的頻率由于某種原因而發(fā)生變化時(shí)，必然相應(yīng)的產(chǎn)生相位變化。這個(gè)相位變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位（對(duì)應(yīng)于頻率）相比較，使鑒相器輸出一個(gè)與相位誤差成比例的誤差電壓，經(jīng)過(guò)低通濾波器，取出其中緩慢變動(dòng)的直流分量用來(lái)控制壓控振蕩器中的壓控組件數(shù)值（通常是改變變?nèi)荻O管的電容量）而這壓控組件又是vco振蕩回路的組成部分，結(jié)果壓控組件電容量的變化將vco的輸出頻率又拉回到穩(wěn)定值上。這樣，vco的輸出頻率穩(wěn)定度即由參考晶體振

17、蕩器決定，這時(shí)我們稱環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)相位的關(guān)系是： （2-1） （2-2）式中，為初始相位。由上面的討論已知，加到鑒相器的兩個(gè)振蕩信號(hào)的頻率差為：此時(shí)的順勢(shì)相位差為：可分成兩種情況來(lái)討論：1） 若，則，由式（2）得： （2-3）由此可知，當(dāng)兩個(gè)振蕩器頻率相等式，他們的順勢(shì)相位差是個(gè)常數(shù)。若，則由公式（1）得： 亦即 （2-4）由此可知，當(dāng)兩個(gè)振蕩信號(hào)的瞬時(shí)相位差為一個(gè)常數(shù)時(shí)，二者頻率定然相等。從以上的簡(jiǎn)單分析可以得到關(guān)于鎖相環(huán)的重要概念：當(dāng)兩個(gè)振蕩信號(hào)頻率相等時(shí)，則它們之間的相位差保持不變;反之，若兩個(gè)振蕩信號(hào)的相位差是個(gè)恒定值，則它們的頻率必然相等。根據(jù)上面概念可知，鎖相環(huán)路

18、在鎖定后，兩個(gè)信號(hào)頻率相等，但二者之間存在著恒定的相位差（穩(wěn)態(tài)相位差）。穩(wěn)態(tài)相位差經(jīng)過(guò)鑒相器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髡`差，通過(guò)低通濾波器去控制vco，使與同步。在閉環(huán)的條件下，如果由于某種原因使vco的角頻率發(fā)生變化，設(shè)變動(dòng)量為，那么，由式(2-2)可知，這兩個(gè)信號(hào)之間的相位差不再是恒定值，鑒相器輸出的電壓也就跟著發(fā)生改變。這個(gè)變化的電壓使vco的頻率不斷改變，直到為止。這就是鎖相環(huán)的基本原理。下面再通過(guò)矢量圖進(jìn)一步分析鎖相環(huán)的原理如圖2-2圖2-2 鎖相環(huán)路的跟蹤原理圖【4】鎖相環(huán)是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，利用相位誤差電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)頻差的頻率跟蹤目的(如圖2-2所示)，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)鎖定的

19、控制系統(tǒng)。設(shè)旋轉(zhuǎn)矢量和分別表示鑒相器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)和壓控振蕩器輸出信，它們的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角位移分別為，和，.顯然只有當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量以相同角速度()旋轉(zhuǎn)時(shí),它們之間的相位差才能保持恒定值。鑒相器將此恒定相位差變換成對(duì)應(yīng)的直流電壓，去控制vco的振蕩角頻率，使其穩(wěn)定地振蕩在與輸入?yún)⒖夹盘?hào)相同的角頻率上。這種情況稱之為鎖定反之,兩者角頻率不相等，相位差不恒定，則稱為失鎖.若某種因素使偏離了，比如說(shuō)，則比旋轉(zhuǎn)得慢一些,瞬時(shí)相位差將隨時(shí)間增大,則鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓也相應(yīng)變化.該誤差電壓通過(guò)環(huán)路濾波器(實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器）后，作為控制電壓調(diào)整vco的振蕩角頻率，使其增大，因而瞬時(shí)相位差也將減小。

20、經(jīng)過(guò)不斷地循環(huán)反饋，矢量的旋轉(zhuǎn)角速度逐漸加快，直到與旋轉(zhuǎn)角度相同,重新實(shí)現(xiàn)，這時(shí)環(huán)路再次鎖定，瞬時(shí)相位差為恒值，鑒相器輸出恒定的誤差電壓【7】。2.2鎖相環(huán)路的各部件及其數(shù)學(xué)模型鎖相環(huán)原理圖如下：圖2-3 鎖相環(huán)原理圖鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它是用來(lái)鑒別輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差，并輸出誤差電壓。中的噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)路濾波器濾除 ，形成壓控振蕩器（）的控制電壓。作用于壓控振蕩器的結(jié)果是把它的輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率，當(dāng)二者相等時(shí)，環(huán)路被鎖定，稱為入鎖。維持鎖定的直流控制電壓由鑒相器提供，因此鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)間留有一定的相位差。用相位比較器對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)（即

21、和）的相位進(jìn)行比較。一般情況下，輸出電壓和兩個(gè)輸入信號(hào)相位差的關(guān)系為：=?？梢钥闯觯?dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出電壓是一直流電壓，并比例于這兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差。鑒相器的輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位誤差有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以說(shuō)一個(gè)理想的模擬相乘器可以看作是鑒相器，因?yàn)樵谒膬蓚€(gè)輸入4分別加上正弦輸入信號(hào)與壓控振蕩器的正弦輸出，則它的輸出電壓與它的兩個(gè)輸入信號(hào)相位差存在以下關(guān)系：=。具有相乘特性的器件很多，這里只給出乘法器作為鑒相器的一個(gè)通用數(shù)學(xué)模型，供分析環(huán)路使用【9】。在通信設(shè)備中，頻率合成器無(wú)論是用作發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源，或者接收機(jī)的本地振蕩信號(hào)源，還是單獨(dú)作為無(wú)線電測(cè)量設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器時(shí)，都應(yīng)保證

22、很低的相位噪聲，否則通信質(zhì)量就無(wú)從談起。因此必須根據(jù)指標(biāo)要求選擇高性能的頻率合成器芯片和低噪聲的以及設(shè)計(jì)濾波特性良好的環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由控制電壓的不純而引起的寄生輸出。由于各種雜散干擾信號(hào)在環(huán)路中所影響的位置不同，因此所表現(xiàn)的噪聲特性也有所不同，這樣在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)就需要具體分析干擾來(lái)源，合理選擇濾波器參數(shù)，以獲得最佳的濾波性能。用環(huán)路濾波器濾除相位比較器輸出誤差電壓中的高頻成分，起濾波平滑作用，并保證環(huán)路穩(wěn)定，改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)正常工作中不可忽視的部分，它的時(shí)間常數(shù)限制了系統(tǒng)跟蹤輸入信號(hào)頻率變化的速度，

23、同時(shí)也限制了捕捉范圍。另外，環(huán)路濾波器還能幫助防止噪聲電壓干擾環(huán)路的正常工作，這是由于存儲(chǔ)在環(huán)路濾波器上的電容能幫助很快重新捕獲因噪聲尖峰或其他瞬態(tài)效應(yīng)而丟失的信號(hào)。因而，在構(gòu)成鎖相環(huán)電路時(shí)，低通濾波器的取值既要考慮到響應(yīng)輸入信號(hào)的中心頻率，同時(shí)又要照顧到它的最高頻率和最低頻率。這樣，鎖相環(huán)才能工作在最佳狀態(tài)。環(huán)路濾波器通常由rc元件和運(yùn)算放大器組成。由于環(huán)路濾波器是一個(gè)線性電路，所以可用傳遞函數(shù)或傳輸算子進(jìn)行分析。環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為=/式中是輸入電壓的拉氏變換；是輸出電壓的拉氏變換用壓控振蕩器把控制電壓轉(zhuǎn)換為相位，起振頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓的大小控制，相位隨輸入信號(hào)相位變化而變化，并保

24、持環(huán)路相位跟蹤。壓控振蕩器是頻率受控制電壓控制的振蕩器，它是一種電壓頻率變換器。不論以何種振蕩電路和何種控制方式構(gòu)成的振蕩器，它的特性總可以用瞬時(shí)頻率與控制電壓之間的關(guān)系曲線來(lái)表示。如圖(2-4)：圖2-4 瞬時(shí)頻率與控制電壓之間的關(guān)系曲線由圖可以看出，當(dāng)不加控制電壓（即=0），振蕩器振蕩在固有頻率上。此曲線以為中心，應(yīng)在較大的范圍內(nèi)與成線性關(guān)系。在此線性范圍內(nèi)，特性曲線可用下列方程表示：=+其中，是特性曲線的斜率，它表示在單位控制電壓作用下壓控振蕩器頻率變化的大小。因此又稱為壓控振蕩器的控制靈敏度或增益系數(shù)。把輸出相位與控制電壓之間的關(guān)系寫成算子形式，即=/【10】2.3頻率合成技術(shù)頻率合成

25、技術(shù)是一種將高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)加、減、乘、除運(yùn)算，產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)頻率具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的大量離散頻率輸出技術(shù)。其設(shè)備是頻率合成器，它是利用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)各種技術(shù)途徑產(chǎn)生大量離散頻率信號(hào)的設(shè)備。它的主要技術(shù)指標(biāo)有：頻率范圍、頻率分辨力、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、噪聲等。而頻率范圍是指頻率合成器最低輸出頻率和最高輸出頻率之間的變化范圍。頻率點(diǎn)之間能夠分辨的最小的間隔。此頻率范圍內(nèi)的所有離散頻率點(diǎn)均能正常工作，且均能滿足其他性能指標(biāo)；頻率分辨力是頻率合成器在指定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的離散頻率，其頻率分辨力是指兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間能夠分辨的最小的間隔。不同用途的頻率合成器對(duì)頻率分辨力的要求相差很大

26、，如用在通信機(jī)內(nèi)的頻率合成器其頻率分辨力為25khz、125khz等，而用在頻率合成信號(hào)源中的頻率合成器其分辨力為1hz或更低；頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。直接頻率合成器的轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于開(kāi)關(guān)時(shí)間，日前開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)到納秒級(jí)，所以直接頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間也可達(dá)到納秒級(jí)。間接頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)問(wèn)取決于鎖相環(huán)路的鎖定時(shí)間。若在鎖相環(huán)路中有人工或自動(dòng)頻率搜索裝置，則搜索時(shí)間也包含在內(nèi)。目前問(wèn)接頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到毫秒級(jí)或者更快一些。直接數(shù)字頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于數(shù)字電路的速度，一般可以達(dá)到幾個(gè)時(shí)鐘的周期。第三章 芯片的介紹3.

27、1 at89s52單片機(jī)本系統(tǒng)選用的核心處理器是at89s52單片機(jī)，它是一個(gè)低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89s52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。at89s52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k bytes flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)

28、存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，at89s52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。圖3-1 52單片機(jī)管腳圖52單片機(jī)兼容mcs-51指令系統(tǒng) ，有8k可反復(fù)擦寫(1000次）isp

29、 flash rom和256x8bit內(nèi)部ram。32個(gè)雙向i/o口支持4.5-5.5v工作電壓，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器可工作在時(shí)鐘頻率0-33mh。并且支持全雙工uart串行中斷口線；有2個(gè)外部 中斷源；低功耗空閑和省電模式；中斷喚醒省電模式；3級(jí)加密位；看門狗（wdt）電路；軟件設(shè)置空閑和省電功能；靈活的isp字節(jié)和分頁(yè)編程；雙數(shù)據(jù)寄存器指針。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用了52單片機(jī)的各個(gè)i/o口和2個(gè)定時(shí)器，但是對(duì)于其他的一些功能應(yīng)用，比如全雙工uart串行中斷口線、靈活的isp字節(jié)和分頁(yè)編程之類仍未涉及到，以后將會(huì)有更好的運(yùn)用的。p0 口：p0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向i/o口。作為輸出口

30、，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯電平。對(duì)p0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。 在 flash編程時(shí)，p0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 本次系統(tǒng)中，52單片機(jī)的p0口是作為液晶顯示器8位的數(shù)據(jù)傳輸口使用的，把需要的數(shù)字信號(hào)并行傳輸給液晶顯示器。p1 口：p1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)ttl 邏輯電平。對(duì) p1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)

31、，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（i ）。 il此外，p1.0和p1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口接收低8位地址字節(jié)。 其中p1口還有第二功能，其功能如表3-1所列。表3-1 p1口第二功能引腳號(hào)第二功能p1.0t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出p1.1t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）p1.5mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6miso（在系統(tǒng)編程用）p1.7sck（在系統(tǒng)編程用）本系統(tǒng)中，p1口的作用主要是da

32、c0832的數(shù)據(jù)傳輸口，還應(yīng)用到了其第二功能的定時(shí)器，作為dac0832的頻率調(diào)節(jié)。但是在下載程序是，其p15、p16、p17口則是作為程序下載口使用的。p2 口：p2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)ttl 邏輯電平。對(duì) p2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil ）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movx dptr）時(shí)，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用8位地址（如m

33、ovx ri）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 本系統(tǒng)中，p2口的主要作用是一部分作為液晶顯示器的控制口，另一部分是鍵盤的輸入口。p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)ttl 邏輯電平。對(duì) p3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（i il）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p3口也接收一些控制信號(hào)

34、。p3口除了普通i/o口功能外，也有其第二功能，其功能如表3-2所列。表3-2 p3口第二功能引腳號(hào)第二功能p3.0rxd（串行輸入）p3.1txd（串行輸出）p3.2int0(外部中斷 0)p3.3int0(外部中斷 0)p3.4 t0（定時(shí)器0外部輸入）p3.5t1（定時(shí)器1外部輸入）p3.6wr(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)p3.7rd(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)本系統(tǒng)中，p3口的主要作用為dac0832的數(shù)據(jù)傳輸口以及控制led作為指示燈，其也用到了p3.4、p3.5的第二功能。rst: 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，rst腳持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，rst 腳輸出 96

35、 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 auxr(地址 8eh)上的disrto位可以使此功能無(wú)效。disrto默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ale/prog：地址鎖存控制信號(hào)（ale）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale脈沖將會(huì)跳過(guò)。 如果需要，通過(guò)將地址為8eh的sfr的第0位置 “1”，ale操作將無(wú)效。這一位置“1”，ale僅在執(zhí)行 movx 或movc指令時(shí)有效。否則，ale將被微

36、弱拉高。這個(gè) ale使能標(biāo)志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。 psen: 外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（psen）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 當(dāng) at89s52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，psen在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，psen將不被激活。 ea/vpp:訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000h 到ffffh的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，ea必須接gnd。 為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應(yīng)該接vcc 。在flash編程期間，ea也接收12伏v pp 電壓。 xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 xtal2:振

37、蕩器反相放大器的輸出端。 3.2 芯片mc145152 mc12022 mc1648簡(jiǎn)介mc145152是mo torola 公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路,它是一塊采用半行碼輸入方式置定、由14 根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模cmos - l si 鎖相環(huán)頻率合成器,其內(nèi)部組成框圖如圖1 示。該芯片內(nèi)含參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器(12 8rom 參考譯碼器和12bit r 計(jì)數(shù)器) 、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10 位可編程的10bit n 計(jì)數(shù)器、6 可編程的6bit a 計(jì)數(shù)器和鎖定檢測(cè)等部分。其中,10bit n 計(jì)數(shù)器、6bit a 計(jì)數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞

38、脈沖程序分頻器, 吞脈沖程序分頻器的總分頻比為: d =vn + a 。 管腳排列及功能如下圖3-2 圖3-2 mc145152 的管腳排列采用28 腳dip 封裝,各管腳功能如下:引腳4、5、6 (ra0 、ra1 、ra2 ) 為參考地址碼輸入端, 用于選擇參考分頻器的分頻比。通過(guò)12 8rom 參考譯碼器和12bit r 計(jì)數(shù)器進(jìn)行編程。分頻比有8 種選擇, 其參考地址碼與分頻比的關(guān)系見(jiàn)表1 所列引腳26、27 (oscin 、oscou t ) 為參考振蕩端,當(dāng)兩引腳接上一個(gè)并聯(lián)諧振晶體時(shí), 便組成一個(gè)參考頻率振蕩器。但在oscin 到地和oscou t 到地之間一般應(yīng)接上頻率置定電容

39、(一般為15p f 左右) 。oscin也可作為外部參考信號(hào)的輸入端。引腳1 (vco) 為輸入信號(hào)端,將輸入信號(hào)交流耦合到本引腳,其輸入信號(hào)頻率應(yīng)小于30mhz 。引腳10、2125 (a5a0 ) 為6bit a 計(jì)數(shù)器的分頻端。其預(yù)置數(shù)決定了v/ (v + 1) 雙模前置分頻器的v/ (v + 1) 的次數(shù)。引腳1120 (n9n0 ) 為10bit n 計(jì)數(shù)器的分頻端。引腳7、8 ( v 、 f r 或f v 的相位超前f r ,則v 變?yōu)榈碗娖蕉鴕 仍為高;如果f v f r 或者f v 的相位滯后f r ,則r 跳為低電平而v 保持高;如果f v = f r 并f v 與f r 同

40、相,則v 和r 保持高電平,僅在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)二者同時(shí)為低電平。引腳9 (mc) 為模式控制端,輸出的模式控制信號(hào)加到雙模分頻器即可實(shí)現(xiàn)模式變換。在一個(gè)計(jì)數(shù)周期開(kāi)始時(shí),“mc”處于低電平,一直到a 下行計(jì)滿它的編程值為止, 然后,“mc”跳為高電平, 并一直維持到n 計(jì)數(shù)器下行計(jì)滿編程的剩余值(n -a) 。n 計(jì)數(shù)器計(jì)滿量后,“mc”復(fù)位為低,兩個(gè)計(jì)數(shù)器重新預(yù)置到各自的編程值上,再重復(fù)述過(guò)程。引腳28 (ld) 為鎖定檢測(cè)端, 用于鎖定輸出信號(hào)。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)(即v 與r 同頻同相) ,該信號(hào)為高電平;當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí),ld 為低電平。mc12022：隨著通信事業(yè)的發(fā)展, 有線通信和無(wú)線移動(dòng)通信

41、在社會(huì)各界得到了廣泛應(yīng)用, 特別是移動(dòng)通訊,由于不受地域環(huán)境條件的限制,隨時(shí)隨地均可自由通訊, 因而得以迅速發(fā)展。近來(lái),在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,廣泛使用鎖相環(huán)(pll )和雙模預(yù)置分頻器來(lái)對(duì)調(diào)諧電路的高頻信號(hào)進(jìn)行合成和控制。在鎖相環(huán)中, 通常采用吞除脈沖的pll 技術(shù), 其中, 雙模預(yù)置分頻器是吞除脈沖pll 的關(guān)鍵組成部分。為了降低整機(jī)功耗,減小體積,實(shí)現(xiàn)小型化, 要求雙模預(yù)置分頻器能夠在低功耗下超高速工作, 這就導(dǎo)致了近年來(lái)人們對(duì)低功耗的超高速雙模預(yù)置分頻器的研究。本文介紹了motorola 公司研制的mc12022 低功耗雙模預(yù)置分頻器。mc12022 電路具有64/ 65、128/ 129四

42、種分頻功能,在- 5585 溫度范圍內(nèi),最高工作頻率大于1100mhz , 工作電流小于10ma 。電路在5. 0v 電源電壓下工作,輸出為ecl 電平。mc12022 電路具有分頻功能多工作頻率高,功耗低,溫度性能好等特點(diǎn),可廣泛用于通訊、儀器儀表、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。mc12022 的特點(diǎn)是功耗低(工作電流的典型值為715ma ) ;溫度范圍寬(- 5585 ) ;分頻功能多(64/ 65 , 128/ 129 ) ;使用方便,應(yīng)用電路的外圍元件少;工作頻率高(典型值1600mhz )。管腳排列如圖3-3:圖3-3 mc12022引腳排列圖mc12022 低功耗雙模預(yù)置分頻器電路具有64/

43、65、128/ 129 四種分頻功能,由八級(jí)ecl d 型主從觸發(fā)器構(gòu)成。前三級(jí)觸發(fā)器為同步時(shí)鐘輸入控制, 在模數(shù)控制端mc 的控制下實(shí)現(xiàn)4/ 5 功能, 第四級(jí)和第五級(jí)觸發(fā)器、第六級(jí)和第七級(jí)觸發(fā)器分別實(shí)mc12022 低功耗雙模預(yù)置分頻器。mc1648芯片管腳圖如3-4,主要功能詳見(jiàn)第四章的4.2.1節(jié)。圖3-4 mc1648管腳圖第四章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用變模鎖相頻率合成技術(shù)產(chǎn)生所需要的頻率信號(hào)，利用單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的控制，系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。由mc145152、mc1648、mc12022系列集成電路芯片組成數(shù)字鎖相頻率合成器，通過(guò)lm358來(lái)構(gòu)成

44、pll電路中的環(huán)路濾波器，通過(guò)單片機(jī)at89s52控制分頻數(shù)，同時(shí)通過(guò)液晶顯示器向用戶反饋信息。實(shí)現(xiàn)可控可調(diào)的功能【1】。圖4-1 高頻信號(hào)源系統(tǒng)框圖4.2 單元電路設(shè)計(jì)4.2.1壓控振蕩電路設(shè)計(jì)圖4-2為mc1648引腳圖。圖4-2 mc1648的引腳圖壓控振蕩器是頻率合成電路的關(guān)鍵部分，能實(shí)現(xiàn)壓控振蕩功能的電路有很多，常用的有分立器件構(gòu)成的振蕩器和集成壓控振蕩器，如串聯(lián)諧振電容三點(diǎn)式電路、壓控晶體振蕩器、積分施密特電路、射極耦合多諧振蕩器、變?nèi)荻O管調(diào)諧lc振蕩器和數(shù)字門電路等幾種。從電路結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、頻率上限、調(diào)試難易程度、構(gòu)建系統(tǒng)的費(fèi)用等方面比較，lc負(fù)阻型壓控振蕩器有明顯優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)

45、采用motorola公司生產(chǎn)的mc1648 lc負(fù)阻型壓控振蕩器mc164。mc1648的工作電源為5v，輸出頻率最高可達(dá)225mhz，輸出頻譜純度高。采用雙管背對(duì)背連接變?nèi)莨芎碗姼薪M成的并聯(lián)lc諧振槽路，振蕩頻率將受變?nèi)荻O管的偏置電壓控制。圖4-3 壓控振蕩器圖4-3為壓控振蕩器的圖。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)變?nèi)荻O管是背靠背連接的，這樣做的特點(diǎn)是：對(duì)于直流和調(diào)制信號(hào)而言，它們相當(dāng)于并聯(lián)，所處的偏置點(diǎn)和受調(diào)制狀態(tài)一樣；而對(duì)于高頻信號(hào)而言，它們相當(dāng)于串聯(lián)，使得每個(gè)變?nèi)荻O管兩端的電壓幅度下降了，這就減弱了高頻電壓的作用， 起到了調(diào)控的作用。變?nèi)荻O管是同極性端對(duì)接的，這中連接可以使得它們對(duì)于高頻

46、電壓的相位剛好相反，防止高頻電壓幅度過(guò)大時(shí)，變?nèi)荻O管導(dǎo)通對(duì)諧振回路的影響。在單個(gè)變?nèi)荻O管電路中，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象將導(dǎo)致回路q值大大下降，此外，還會(huì)削弱高頻振蕩電壓的諧振成分。由于變?nèi)荻O管是非線性器件，高頻信號(hào)的輸入必然會(huì)產(chǎn)生諧波分量，這可能會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制干擾。對(duì)接之后，兩二極管的高頻信號(hào)反相，可抵消部分諧波成分。集成壓控振蕩器芯片mc1648，其工作電壓5v，工作頻率1.0mhz150mhz，其槽路由變?nèi)荻O管和電感并聯(lián)組成，通過(guò)改變變?nèi)荻O管的反偏電壓來(lái)改變振蕩頻率。在變?nèi)荻O管的偏置電壓相同的情況下，mc1648的輸出頻率可由下式計(jì)算： （41）變?nèi)荻?jí)管采用的事motorola公司

47、生產(chǎn)的mv2109，查閱相關(guān)資料手冊(cè)可以得到它的特性曲線如圖4.4所示。圖4-4 變?nèi)荻O管特性曲線【5】由上圖中的mv2109的電壓電容曲線，可根據(jù)式（41）算出電路元件的參數(shù)值，如下所示：c max38pf，f o68mhz，得l=0.15h c max29pf，f o88mhz，得l=0.13h因而理論上取l=0.13h即可滿足要求。mc1648內(nèi)部電路就含有放大電路和自動(dòng)增益控制電路，因此它可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度。使用該電路可以使用比較少的外圍器件，并且調(diào)試也很方便。其內(nèi)部電路如圖4-5所示。圖4-5 mc1648內(nèi)部電路圖mc1648的第10腳輸出一個(gè)約1.5v的穩(wěn)定電壓，可作為變?nèi)?/p>

48、二極管的一個(gè)偏壓。諧振槽路從10腳和12腳接入，與內(nèi)部的q7，q4，q5，d1，q8組成一個(gè)移相720的正反饋正弦振蕩電路，q6的基極連接q7的集電極，也形成正反饋。另外，mc1648內(nèi)部有放大電路和自動(dòng)增益控制電路（d1，q8，q6，q7），可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度，輸出信號(hào)經(jīng)agc電路采樣后從5腳接入。當(dāng)振蕩幅度增大時(shí)，q8的基極電壓增大，集電極電流增大，q7的ube減小從而放大倍數(shù)減小，輸出幅度將減??；反之，如果振蕩幅度減小，則恒流源q8的電流減小，q6、q7的放大倍數(shù)將增大，輸出幅度也因此增大。q3，q2和射極跟隨器q1為輸出緩沖級(jí)，有隔離作用，可減小負(fù)載對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。由變?nèi)荻?/p>

49、極管的特性曲線可以知道，其電容量是其偏壓的函數(shù)，并且在一定范圍內(nèi)近似線性，因此該槽路還可作調(diào)頻調(diào)制用，即將調(diào)制信號(hào)疊加到變?nèi)荻O管的偏置端上，調(diào)制信號(hào)的變化必然引起變?nèi)荻O管容量的變化，從而必將引起振蕩頻率的變化，即其也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由mc1648組成的壓控振蕩器如下圖所示。圖4-6 壓控振蕩器電路圖4.2.2頻率合成器的設(shè)計(jì)頻率合成器的設(shè)計(jì)采用mc145152和mc12022預(yù)置雙模分頻器集成芯片。這兩種芯片均是motorola公司的產(chǎn)品。mc145152內(nèi)部由三部分組成：一是有放大器、12bitr計(jì)數(shù)器和參考譯碼器組成的產(chǎn)生參考頻率fr電路；二是由6bita計(jì)數(shù)器、10bitn計(jì)數(shù)器和控制

50、邏輯組成的吞脈沖式計(jì)數(shù)器；三是鑒相器。由mc145152、mc12022組成的頻率合成系統(tǒng)如下圖所示。圖4-7 頻率合成系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)分頻電路的系統(tǒng)框圖如圖4-8所示。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器、鑒頻/鑒相器、低通濾波器、可編程分頻器組成。它是應(yīng)用數(shù)字邏輯電路將壓控振蕩器頻率一次或多次降低至鑒相器頻率上，再同參考頻率通過(guò)鑒相電路并進(jìn)行比較，通過(guò)低通濾波器取出鑒相器輸出的誤差信號(hào)來(lái)控制壓控振蕩器的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。由于在電路中采用了大規(guī)模集成電路芯片mc145152，因此框圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器、可編程分頻器都集成在一個(gè)芯片中，不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)，

51、這可以減少外圍的電路器件。同時(shí)利用單片機(jī)來(lái)控制mc145152，確定分頻系數(shù)a、n和發(fā)射頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4-8 鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖鎖相環(huán)頻率合成器是以大規(guī)模集成pll芯片mc145152為核心設(shè)計(jì)的。mc145152是motorola公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式置定、由14根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模cmoslsi鎖相環(huán)頻率合成器。圖4-9為其內(nèi)部組成框圖。mc145152內(nèi)含參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器(128 rom參考譯碼器和12bitr計(jì)數(shù)器)、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10位可編程的10bitn計(jì)數(shù)器、6位可編程的6bita計(jì)數(shù)器和鎖定檢測(cè)等部分。其中

52、，10bitn計(jì)數(shù)器、6bita計(jì)數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞脈沖程序分頻器【6】。整個(gè)過(guò)程中輸入的脈沖數(shù)共有qa（p1）+(n-a)p=pn+a，即吞脈沖程序分頻器的總分頻比為：d=pn+a。（a的范圍063，n的范圍01023）。由此可以計(jì)算出頻率和a、n值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用單片機(jī)控制器改變其值，便可達(dá)到改變輸出頻率的目的。圖4-9 mc145152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖參考分頻器是為了得到所需的頻率間隔而設(shè)定的。頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔就是頻率間隔。在mc145152中，外部穩(wěn)定參考源由oscin輸入，經(jīng)12位分頻將輸入頻率r，然后送入fd/pd中。r

53、值由ra0、ra1、ra2設(shè)定，將ra0、ra1、ra2分別置不同的高低電平可得到不同的r值，具體數(shù)值如下圖所示。例如，當(dāng)ra0ra1ra2101時(shí)，r1024，即對(duì)晶振產(chǎn)生的頻率進(jìn)行1024分頻。 圖4-10 mc145152參考分頻器分頻系數(shù)選擇表mc145152內(nèi)部存在著鑒相器，鑒相器起到了模擬乘法器的作用。鑒相器將參考分頻器出來(lái)的很穩(wěn)定的步長(zhǎng)信號(hào)和壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率經(jīng)可編程分頻之后得到的不穩(wěn)定的頻率信號(hào)進(jìn)行比較，輸出為兩者之間的相位差，這個(gè)差值就可以作為壓控振蕩器的控制電壓。中間需加一個(gè)低通濾波器將相位差值中的高頻分量濾掉。由于發(fā)射機(jī)的頻率高達(dá)幾十mhz以上，而 mc145152工作

54、頻率只有十幾mhz,因此直接用mc145152無(wú)法對(duì)其分頻，必須先用高速分頻器對(duì)這么高的頻率進(jìn)行預(yù)分頻，把頻率降低，然后由mc145152繼續(xù)分頻，得到一個(gè)參考頻率相等的頻率，并進(jìn)行鑒相。為使分頻系數(shù)連續(xù)可調(diào)，可編程分頻電路采用的是吞咽脈沖計(jì)數(shù)法，如圖4-11所示。它由ecl（非飽和型邏輯電路）的高速分頻器mc12022及mc145152內(nèi)部的a減法計(jì)數(shù)器，n減法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。 (a)p/p+1前置分頻器方框圖 (b)吞咽脈沖計(jì)數(shù)示意圖圖4-11 吞咽式脈沖計(jì)數(shù)原理圖mc12022有四種分頻系數(shù)，如圖4-10所示。但為了運(yùn)算簡(jiǎn)潔我們只取64/65分頻。m為其控制端（從mc145152的9腳輸出，

55、輸入mc12022的6腳）。m為高電平時(shí)，mc12022以p64為分頻系數(shù)，m為低電平時(shí)則以p65為分頻系數(shù)。n 和a是可預(yù)置數(shù)的減法計(jì)數(shù)器，由并行輸入口分別預(yù)置6位的a值和10位的n值。pd為數(shù)字鑒相器。fo為壓控振的輸出頻率（即發(fā)射頻率）。(a)mc12022管腳分配 (b)mc12022分頻功能圖4-12 mc12022管腳分配及分頻功能吞咽脈沖計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，m的初值為0，a和n兩個(gè)計(jì)數(shù)器被置入預(yù)置數(shù)并同時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到a（p+1）個(gè)輸入脈沖（fo）時(shí)，a計(jì)數(shù)器計(jì)完a個(gè)預(yù)置數(shù)，m變?yōu)?；此時(shí)a計(jì)數(shù)器被控制信號(hào)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)；而n計(jì)數(shù)器中還有na個(gè)數(shù)，它繼續(xù)計(jì)（na）p個(gè)輸入脈沖后，輸出一個(gè)脈沖到鑒相器pd。此時(shí)一個(gè)工作周期結(jié)束，和n值被重新寫入兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，m又變?yōu)?，接著重復(fù)以上過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中輸入的脈沖數(shù)共有qa（p1）+(n-a)p=pn+a，也就是說(shuō)，該吞咽脈沖計(jì)數(shù)器的總分頻系數(shù)為pn+a?？梢?jiàn)，采用吞咽脈沖計(jì)數(shù)方式，只要適當(dāng)選取n