基于鎖相環(huán)數(shù)字合成器設(shè)計

1、 - 32 -第一章 緒論1.1 鎖相環(huán)路 鎖相環(huán)路（PLL）是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，它在無線電技術(shù)的各個領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路有其獨特的優(yōu)良性能，它具有載波跟蹤特性，作為一個窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲之中的信號；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可作提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源；可進行高精度的相位與頻率測量等等。它具有調(diào)制跟蹤特性，可制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器。它具有低門限特性，可大大改善模擬信號和數(shù)字信號的解調(diào)質(zhì)量。70年代以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、通用單片集成鎖相環(huán)路以及多種專用集成鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路逐漸變成了一個成本低、使用簡

2、便的多功能組件，這就為鎖相技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。鎖相環(huán)是一個相位誤差控制系統(tǒng)。它比較輸入信號和振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制信號來調(diào)整振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻同相。所謂全數(shù)字鎖相環(huán)路(DPLL)就是環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器（DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)構(gòu)成的鎖相環(huán)路。本文采用鎖相式頻率合成的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是減小相位噪聲，以滿足用戶提出的較為苛刻的相位噪聲指標。本課題是設(shè)計一個由單片機、定時計數(shù)器及單片機集成鎖相環(huán)路組成的可程控頻率合成器，所以設(shè)計過程會涉及到鎖相環(huán)路、頻率合成器和單片機方面的知識。

3、1.2 鎖相技術(shù)發(fā)展 鎖相原理在數(shù)學理論方面，早在30年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就己出現(xiàn)。1930年己建立了同步控制理論的基礎(chǔ)。1932年貝爾賽什(Bellescize)第一次公開發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學描述，用鎖相環(huán)路提取相干載波來完成同步檢波。到了40年代，電視接收機的同步掃描電路中開始廣泛地應(yīng)用鎖相技術(shù)，使電視圖像的同步性能得到很大改善。進入50年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，由杰斐(Jaffe)和里希廷(Rechtin)利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章，同時解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計問題。在60年代，維特比(Viterbi)研究了無噪

4、聲鎖相環(huán)路的非線性理論問題，并發(fā)表了“相干通信原理”一書。到70年代林特塞(Lindscy)和查利斯(Charles)進行了有噪聲的一階、二階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析，并作了大量實驗以充實理論分析。鎖相環(huán)路具有許多優(yōu)良特性，它可用于頻率合成與交換、自動頻率調(diào)諧、模擬和數(shù)字信號的相干解調(diào)、AM波信號的同步檢波、數(shù)字通信中的位同步提取、鎖相穩(wěn)頻、鎖相倍頻與分頻、鎖相測速與測距、鎖相FM (PM)調(diào)制與解調(diào)、微波鎖相頻率源及微波鎖相功率放大器等。目前，鎖相環(huán)路的理論研究正日臻完善，應(yīng)用范圍遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)在鎖相環(huán)路正向著集成化、數(shù)字化、多用途、系列化、高速度、高性能方向迅速發(fā)展，且商品

5、化集成鎖相環(huán)路日益增多，為鎖相技術(shù)應(yīng)用提供了廣闊前景。1.3 鎖相技術(shù)的特點鎖相環(huán)路處于正常工作狀態(tài)時，有如下基本特點:1.可以實現(xiàn)理想的頻率控制。由于鎖相環(huán)路包含有一個固定積分環(huán)節(jié)、環(huán)路輸出無剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在。 2.良好的窄帶載波跟蹤特性。當壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時，位于信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進入環(huán)路，而絕大部分干擾會受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制，就相當于一個窄帶的高頻帶通濾波器。3.良好的調(diào)制跟蹤特性。鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器輸出頻率可以跟蹤輸入信號的瞬時變化，表現(xiàn)了良好的調(diào)制跟蹤性能。 4.門限性能好。鎖相環(huán)路不像一般的非線性器件那樣，門限取決于輸入信噪比，

6、而是由環(huán)路信噪比決定，較高的環(huán)路信噪比可取得較低的門限性能。5.易于集成化。環(huán)路集成化與數(shù)字化為減小體積、降低成本、增加可靠性、多用途提供了條件。1.4 頻率合成的方法實現(xiàn)頻率合成的方法很多，總的可分為相干合成和非相干合成兩大類。非相干合成就是利用多個獨立無關(guān)的晶體振蕩器作參考頻率源來產(chǎn)生所需的頻率。相干合成就是由一個高穩(wěn)定度和準確度的標準信號源產(chǎn)生若干具有同一穩(wěn)定度和準確度的頻率，這些頻率與基準頻率之間是完全相關(guān)的，各輸出頻率之間也是完全相關(guān)的。相干合成按其型式分為三種:直接式頻率合成，鎖相式頻率合成和直接數(shù)字式頻率合成，這三種不同的頻率合成型式既體現(xiàn)了頻率合成技術(shù)的發(fā)展過程，又各有優(yōu)缺點。

7、直接合成法是最早被采用的頻率合成法。它利用倍頻(即乘法)、分頻(即除法)、混頻(即加法和減法)及濾波，從單一參考頻率源產(chǎn)生多個所需的輸出頻率。優(yōu)點是不同頻率間的轉(zhuǎn)換時間很短(100s)和具有很好的頻率分辨率;缺點是不能產(chǎn)生大量的輸出頻率，雜散分量多，對濾波和屏蔽的要求很高，功率相當大。這種方法現(xiàn)在很少使用。 直接數(shù)字式頻率合成是一種近年發(fā)展起來的新的頻率合成技術(shù)，是從相位的概念出發(fā)進行頻率合成的。它采用了數(shù)字取樣技術(shù)，將參考信號的頻率、相位、幅度等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M取樣函數(shù)，然后直接運算出所需要的頻率信號，并把數(shù)字量形式的信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式，在時域中完成頻率合成。其主要優(yōu)點是:轉(zhuǎn)

8、換頻率的時間短(可達s級)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控;缺點是輸出信號的頻率上限不夠高，使其在高頻段應(yīng)用受限。 鎖相式頻率合成是一種將鎖相環(huán)原理應(yīng)用于頻率合成的方法。其優(yōu)點是:由于鎖相環(huán)相當于一窄帶跟蹤濾波器，它具有良好的窄帶跟蹤特性，能很好地選擇所需頻率的信號，抑制寄生分量，而且避免了大量使用濾波器，有利于集成化和小型化;此外，一個設(shè)計良好的LC壓控振蕩器具有較高的短期頻率穩(wěn)定度，而高精度標準晶體振蕩器則具有很好的長期頻率穩(wěn)定度，利用鎖相環(huán)路把二者的優(yōu)點結(jié)合在一起，就使鎖相式頻率合成法能夠提供長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都比較高的信號輸出:缺點是頻率轉(zhuǎn)換時間比較大，由環(huán)路內(nèi)噪聲引起的輸出信號相位

9、抖動比較大。1.5 鎖相頻率合成器當前，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及微控制器在電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，數(shù)字頻率合成技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛。數(shù)字頻率合成器應(yīng)用于通信設(shè)備中，使得工作頻率的選擇變得極為簡單而又精確。并且隨著大規(guī)模集成電路（LSI）技術(shù)和單片微機技術(shù)的迅速發(fā)展，大大促進了數(shù)字鎖相頻率合成器集成化程度的提高和體積的縮小，滿足了通信設(shè)備的高集成度和超小型化的要求。特別適合某些特殊場合的應(yīng)用。串行數(shù)字鎖相頻率合成器體現(xiàn)了程序設(shè)計和鎖相技術(shù)的結(jié)合。這種合成器從總體結(jié)構(gòu)上看由單片機、鎖相環(huán)及可編程分頻器三部分組成。其中可編程分頻器是單片微機與鎖相環(huán)之間的接口，同時也是組成

10、數(shù)字鎖相頻率合成器的關(guān)鍵部件。隨著半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多用于頻率合成的大規(guī)模集成電路。在這些大規(guī)模集成電路中，把頻率合成器的主要部件如參考分頻器、程序分頻器、鑒相器、鎖定指示器、甚至微處理器等集成在同一芯片上。再配上參考振蕩器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器及高速前置分頻器，即可構(gòu)成完整的頻率合成器。這使得頻率合成器的成本、體積和功耗都大大下降，簡化了設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)試的復(fù)雜程度，而可靠性則明顯提高。鎖相頻率合成器高速前置分頻器、計數(shù)器、鑒相器和控制邏輯組成。高速前置分頻器采用吞脈沖分頻技術(shù)，通過模式選擇確定對VCO輸出頻率10還是11；主計數(shù)器M和參考計數(shù)器R分別對雙模前置分頻器

11、輸出頻率和參考頻率進行分頻；輔助計數(shù)器A用于模式選擇控制邏輯；鑒相器產(chǎn)生上下頻率控制信號；還具有鑒相頻率檢測、時鐘檢測引腳。各計數(shù)器的計數(shù)值可以通過串行或并行接口編程實現(xiàn)，也可以直接通過連線實現(xiàn)。該芯片具有功耗低、相位噪聲低、雜散小、分頻頻率高、編程靈活方便等優(yōu)點。主計數(shù)器輸出頻率fp和參考計數(shù)器輸出頻率fc即為鑒相頻率，他們和輸入頻率、參考頻率的關(guān)系為： fpfin10(M1)A AM1，M0 fcfr(R1) R0 當環(huán)路鎖定時，應(yīng)有：fp=fc。設(shè)計的頻率合成器系統(tǒng)是通過串行口，來自單片機的頻率控制字對集成鎖相芯片的內(nèi)部分頻器進行設(shè)置，將所需頻率fo進行10(M1)次分頻作為一路鑒相輸入

12、，將參考頻率fr進行(R1)分頻作為另一路鑒相輸入，通過鑒相器后得到反映兩路鑒相信號誤差的輸出PD_U 和PD_D-，PD_U和PD_D經(jīng)過環(huán)路濾波器，對噪聲和雜散等干擾進行抑制后得到VCO的控制電壓，控制 VCO工作，使VCO輸出頻率鎖定在fo(fo10改變單片機控制數(shù)據(jù)，可以選擇不同的波道。第二章 鎖相環(huán)路和鎖相頻率合成器的基本原理由于本文采用的頻率合成方法是應(yīng)用鎖相環(huán)路的間接頻率合成， 因此首先要了解鎖相環(huán)路的基本工作原理和基本構(gòu)成部分才能進一步的開展下一步的工作。2.1 鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)路是一個相位差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，首先給出圖 2-1 所示的最基本的鎖相環(huán)方框圖。它包括三個基本部件，

13、壓控振蕩器（VCO）、鑒相器（PD）和環(huán)路濾波器（LF）。 圖2-1 基本鎖相環(huán)方框圖鑒相器是相位比較裝置，所以有時也叫做相位比較器或相敏檢波器。它把輸出信號u2(t)和參考信號u1(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差e的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)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。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率接近，也就是使差拍頻率越來越低，直到消除頻率差而鎖定。整個鎖相環(huán)的工作原理，首先假設(shè)輸入信號u1(t)的角頻率1等于0，而0為VCO的中心頻率，也即控制電壓uc(t)=0時的

14、頻率。此時相位差e為零，那么鑒相器輸出也為零，環(huán)路濾波器輸出也必定為零。因此VCO 輸出頻率必然為其中心頻率0。如果輸入信號u1(t)的角頻率不等于0，那么鑒相器會產(chǎn)生非零輸出ud(t)，環(huán)路濾波器也將產(chǎn)生輸出信號uc(t)，這將使VCO的中心頻率朝著相差e消失的方向變化?，F(xiàn)在假設(shè)輸入信號頻率在t0時刻突變，如圖 2-2 所示，輸入信號的相位則開始偏離輸出信號相位，兩者之間產(chǎn)生相位差，并隨時間而增大。這時，鑒相器產(chǎn)生輸出信號ud(t)也隨時間而增大，經(jīng)環(huán)路濾波延遲后uc(t)也增大，這就使得VCO的頻率提高，相位差減小，經(jīng)一段時間之后VCO的頻率將精確地等于輸入信號的頻率，其最終相位差將根據(jù)所

15、使用的環(huán)路濾波器類型可能減小到零或很小的有限值。顯然，此時VCO的工作頻率2比其中心頻率0高。那么，環(huán)路濾波器輸出uc(t)最終應(yīng)為uc(t)= /K0，K0是VCO的壓控增益。如果輸入信號是一個低頻調(diào)制的調(diào)頻信號，則環(huán)路濾波器輸出就是解調(diào)出來的低頻信號，因此鎖相環(huán)可用作調(diào)頻信號解調(diào)器。鎖相環(huán)的一種奇特功能是可以抑制疊加在輸入端的噪聲，把深埋于噪聲中的有用信號檢測出來。鎖相環(huán)的這些功能，就在于它是控制輸出信號u2(t)相位的伺服系統(tǒng)。圖 2-2輸出相位偏移圖2.2 鎖相頻率合成器的基本原理鎖相頻率合成器是由鎖相環(huán)路（PLL）構(gòu)成的，鎖相環(huán)是一種相位負反饋系統(tǒng)。鎖相環(huán)實質(zhì)是個相位誤差控制系統(tǒng)。通

16、過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，相位差勢必一直在變化，鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達到穩(wěn)定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài)。它利用環(huán)路的窄帶跟蹤與同步特性，將鑒相器一端VCO的輸出相位與另一端晶振參

17、考的相位保持同步，實現(xiàn)鎖定輸出頻率的功能。同時可得到和參考源相同的頻率穩(wěn)定度。一個典型的鎖相頻率合成器的原理框圖如圖 2-3 所示 設(shè)晶振的輸出頻率為fr，VCO的輸出頻率為f0，則它們滿足公式 (2-1)其中R和N分別為參考分頻器和主分頻器的分頻比，在外部設(shè)置并行或串行數(shù)據(jù)控制分頻比，就可以產(chǎn)生出所需要的頻率信號。用鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲小、電路簡單易集成、易編程等特點。圖 2-3 鎖相環(huán)頻率合成器的原理框圖鎖相環(huán)是傳遞相位的閉環(huán)系統(tǒng)，只要研究環(huán)路的相位數(shù)學模型或基本方程就可以獲得環(huán)路的完整性能。根據(jù)圖2-3，設(shè)i為晶振經(jīng)R分頻器分頻之后的相位,o為 VCO 輸出相

18、位，為VCO經(jīng)N分頻器分頻之后的相位，e為鑒相器的輸出相位，環(huán)路的基本函數(shù)可以表示為(1) 閉環(huán)傳遞函數(shù) (2-2)(2) 開環(huán)傳遞函數(shù) (2-3)其中G(s) = KPDKVCOF(s)/ s 稱做前向傳遞函數(shù),H(s) =1/ N 稱做后向傳遞函數(shù),KPD 為鑒相器的鑒相增益,KVCO為 VCO 的壓控靈敏度,F(s)為環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)。第三章 鎖相頻率合成器的設(shè)計3.1 鎖相頻率合成系統(tǒng)的簡介本系統(tǒng)由單片機控制、頻率合成及壓控LC振蕩模塊組成，系統(tǒng)方框圖如圖3-1所示，其中頻率合成器、壓控振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的正弦波形，而單片機部分是用來控制系統(tǒng)的各種功能及頻率的可編程程序分頻比并輸出

19、給數(shù)碼管顯示讀數(shù)。圖 3-1 系統(tǒng)方框圖模塊說明：（1）單片機模塊。包含單片機、鍵盤、LED顯示屏。它的工作原理是根據(jù)用戶操作信息通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，然后通過程序使單片機輸出相對應(yīng)的信息到頻率合成模塊，進而控制系統(tǒng)的各種功能，頻率的合成及各種參數(shù)，輸入的數(shù)據(jù)還可通過數(shù)碼顯示。（2）頻率合成模塊。包括與單片機連接的并行接口、頻率合成器、低通濾波器、壓控振蕩器。它的工作原理是用一個高穩(wěn)定的參考振蕩器即晶振作為參考頻率fr，然后信號通過集成鎖相頻率合成模塊進行鎖定和合成，合成頻率又經(jīng)過低通濾波器進行環(huán)路參數(shù)調(diào)整再輸出到壓控振蕩器，這時的輸出頻率為Nfr，壓控振蕩器又反饋信號回該集成鎖相頻率合成模塊，在

20、這過程中加入單片機傳輸串行碼來控制該集成模塊的分頻比。3.2 方案的選擇3.2.1 集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片的選擇方案一：單片集成鎖相環(huán)L562。它除了包含有鑒相器（雙平衡模擬乘法器）和壓控振蕩器（射極耦合多諧振蕩器）之外，還有三個放大器（A1.A2.A3）限幅器和穩(wěn)壓電路等。因此它的環(huán)路性能和通用性能的較好，是屬于通用型的集成鎖相環(huán)。能完成多種功能，但該集成的壓控振蕩器的頻段跨越范圍不寬且工作頻率最高僅35MHz。方案二：采用串行輸入頻合器（如MB1504，MC145162），內(nèi)含參考振蕩器、參考分頻器、相位檢測器、可編程/N計數(shù)器及接收串行輸入數(shù)據(jù)所必需的移位寄存器和鎖存電路，其優(yōu)點是工作

21、頻率高，占用單片機的外圍接口不多，為實現(xiàn)單片機的其它控制節(jié)省了硬件資源。但由于采用串行編碼，測試起來不直觀，而且芯片不易購買。方案三：集成鎖相頻率合成MC145151-2。該芯片是一塊14位并行碼輸入的單模、單片鎖相環(huán)頻率合成器，片內(nèi)包括外接晶體的振蕩分頻器、一個可編程序分頻器、一個鑒相器和鎖定檢測器。參考分頻器帶有12位計數(shù)器，參考分頻比通過三個輸入端控制的存儲及編碼。最大可變分頻比為16383，最高工作頻率為60MHz。該集成配合獨立VCO便能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。本設(shè)計的特點是全面采用數(shù)字電路方案，因而工作穩(wěn)定可靠。利用單片機控制管理，使頻率設(shè)置和占空比調(diào)整等操作可用鍵盤輸入，十分方便。數(shù)

22、字頻率合成技術(shù)使輸出頻率準確和穩(wěn)定，頻率分辨率為基準頻率10Hz或1kHz；由于晶體振蕩器具有很好的長期時間穩(wěn)定性，鎖相環(huán)具有很好的短期時間穩(wěn)定性，兩者相結(jié)合可在設(shè)計要求的頻率范圍100Hz16383kHz內(nèi)獲得近似于晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，這是本方案最重要的特點。另外，電路產(chǎn)生的信號波形很好，其中正弦信號的失真度僅為0.75。對于小型通用信號產(chǎn)生器而言，這是一個比較理想的設(shè)計方案。 考慮到實際情況，我們選擇了第三個方案即采用MC145151-2。MC145151-2是具有雙模分頻比預(yù)置定頻器的鎖相環(huán)頻率合成器集成電路。適用于高頻通信設(shè)備作頻，率合成器用。它具有三種封裝形式，以后綴字母加以區(qū)別

23、，其中MC145151P-2為28腳雙列直插式封裝，MC145151DW-2為28腳雙列直插式封裝，MC145151DW-2為28腳貼片封裝，MC145151FN-2為28腳貼片式環(huán)形封裝。3.2.2 單片機部分的選擇 由于眾多單片機里，8051系列單片機結(jié)構(gòu)比較簡單，且可以實現(xiàn)多種功能，價格也比較合理，單片機語言也主要是匯編語言，故選擇51系列單片機作為系統(tǒng)所用單片機。顯示部分：顯示部分主要有LED數(shù)碼管顯示和液晶顯示。方案一：LED數(shù)碼管顯示：此種顯示結(jié)構(gòu)一般，用于各類儀表、儀器、家用電器等的數(shù)字顯示。方法成熟，無須為驅(qū)動顯示部分另外編程，而且價格便宜，但是顯示的內(nèi)容有限，另外就是不夠美觀

24、。方案二：用液晶顯示：此種顯示結(jié)構(gòu)簡單，只須連在單片機中輸出的IO口即可，方法也較為成熟，需要為驅(qū)動顯示部分另外編程，而且價格較為貴，但是顯示的內(nèi)容豐富，內(nèi)容美觀。綜合考慮，我們選擇第一種方案。3.3 鎖相環(huán)路功能模塊電路的設(shè)計3.3.1 壓控振蕩電路結(jié)合指標要求，采用改進型高穩(wěn)定度電容三點式的克拉波電路，見附圖1。由于電容三點式的克拉波的高穩(wěn)定性，電容三點式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路所示,其結(jié)構(gòu)與電感三點式振蕩電路相似,只是將電感、電容互換了位置.為了形成集電極回路的直流通路,.可以看出,它符合三點式振蕩電路射同基反的構(gòu)成原則,滿足自激振蕩的相位平衡條件. 這種振蕩電路的特點是振蕩頻率可做得

25、較高,一般可達到100MHz以上,由于C2對高次諧波阻抗小,使反饋電壓中的高次諧波成分較小,因而振蕩波形較好.電路的缺點是頻率調(diào)節(jié)不便,這是因為調(diào)節(jié)電容來改變頻率時,(既使C1、C2 采用雙連可變電容)C1與C2也難于按比例變化,從而引起電路工作性能的不穩(wěn)定.因此,該電路只適宜產(chǎn)生固定頻率的振蕩. 用集成運放構(gòu)成的電容三點式振蕩電路。 在反饋電壓高影響變?nèi)荻O管的電容值時，不會改變電路的反饋系數(shù)，波形穩(wěn)定。我們還在振蕩器的后面加入了一級簡單的放大電路，提高輸出電壓。其中由L1,C1及D1組成感抗支路，C3,C5組成反饋電容，其振蕩頻率主要由L1,C1及變?nèi)荻O管的電容值來決定：, （4-1）因

26、此只要用鎖相環(huán)送來的電壓控制D1的電容值就可以改變其振蕩頻率。壓控振蕩器為電容三點式，產(chǎn)生的波形較好且穩(wěn)定，從插頭J1送來的低通濾波器輸出電壓控制了變?nèi)蓐P(guān)D1的容量，從而控制壓控振蕩器的頻率。變?nèi)荻O管1T33其Cj=22-35P，Cj/Cj2=10，以f=1/(2* (LC )1/2)估算，壓控范圍可以過題目所求的36-38MHz。振蕩管選用C1906。其參數(shù)為V（BR）CBO=30V，Icm=0.05A，F(xiàn)=1GHz，是一優(yōu)秀的高頻小功率管符合電路要求且本地易購。在調(diào)試過程中為了減小電源對振蕩頻率穩(wěn)定度的影響，我們采用C6,C7,L2對其進行高低頻濾波。同時在布板的時候考慮到級間電容等因素

27、的影響，我們把元器件盡量靠緊，走線也盡量的短。在此電路板的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)在Q1的bc級間加一個50pF的補償電容，將會使振蕩頻率更加的穩(wěn)定。3.3.2 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)的應(yīng)用：鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用，調(diào)制和解調(diào)的概念為了實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uC的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。調(diào)幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化

28、而變化；調(diào)頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化該單元是系統(tǒng)工作的核心部分，根據(jù)題目要求，我們選用Motorola公司的MC145151-2該集成芯片帶單模預(yù)置計數(shù)器接口，分別用14條和3條并行輸入數(shù)據(jù)線控制N計數(shù)器和R計數(shù)器編排程序，其特征是包括參考振蕩器，可選參考頻率分頻器，數(shù)字相位檢測器和可以編程的除以N的14比特計數(shù)器。MC145151-2是MC145151-1的改進型產(chǎn)品，集成可以利用N計數(shù)器的輸出，單模并行編程。用戶可以選擇的8個R值：8，128，256，512，1024，2048

29、，4096，8192，N選擇范圍316383。在其內(nèi)部“線性化”的數(shù)字頻率相位檢測器能改進傳輸函數(shù)的線性度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2。 圖 3-2 MC145151-2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MC145151-2引腳如圖3-3。: （1）fin為頻率輸入端，合成器的除N部分的輸入fin一般是從VCO導(dǎo)出而以交流方式耦合到本器件，對于振幅較強的信號（標準CMOS邏輯電平），直流耦合也是適用的。（2）RA0-RA2為參考分頻器地址輸入，這三個輸入組成了一種碼，它可以為整個參考分頻器商定8個分頻值之一，這些地址碼如下表所示。表3-1 地址碼基準地址碼 總除數(shù)RA1 RA2 RA00 0 0 80 0 1 1280 1

30、 0 2560 1 1 5121 0 0 10241 0 1 20481 1 0 24101 1 1 8192 圖 3-3 MC145151-2芯片（3）N0-N11為N計數(shù)器的編程輸入，當除N計數(shù)器的計數(shù)為零時，這些輸入端供給預(yù)調(diào)計數(shù)器的數(shù)據(jù)。N0為最低位，N13為最高位。上拉電阻保證輸入端在斷開時停留在邏輯“1”，而只需要一個SPST開關(guān)將數(shù)據(jù)改變成“零”態(tài)。（4）OSCin和OSCout為參考振蕩器輸入/輸出，當這些引腳聯(lián)到外部并聯(lián)諧振晶體的端子時，它們可以組成一個在片內(nèi)參考振蕩器。適當數(shù)值的調(diào)頻電容必須從OSCin和OSCout連到地。（5）PDout為相位檢測器的輸出，該引腳為可用作

31、環(huán)路誤差的相位檢測器三態(tài)輸出。為了達到這一目的也可用雙端輸出。3.3.3 鎖相環(huán)電路分析 鎖相環(huán)電路原理圖附圖2。當參考頻率設(shè)定為5k，輸出頻率為35MHz-39MHz，可采用直接分頻方式，環(huán)路的可編程分頻器的分頻比N由下式計算得： （4-1）計算得最小分頻比=7000，最大分頻比=7800。在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計是十分重要的。本系統(tǒng)采用無源比例積分濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，調(diào)試方便。各個參數(shù)計算如下：平均分頻比 （4-2）鑒相器靈敏度 （4-3）壓控振蕩器靈敏度在工程上可用下式求得：（實際測得） （4-4）環(huán)路總增益 （4-5）第四章 系統(tǒng)功能調(diào)試4.1 壓控振蕩器的調(diào)試一種壓控

32、振蕩器，主要涉及壓控振蕩器起振電路，尤其是涉及到多個壓控振蕩器切換時的起振電路。本發(fā)明提供了加速壓控振蕩器切換過程中的電路起振，縮短壓控振蕩器的起振時間。包括有振蕩電路、快速起振電路、諧振回路?？焖倨鹫耠娐返妮敵龆朔謩e接于諧振回路的兩端，在一個片內(nèi)脈沖信號的作用下使諧振回路的兩端產(chǎn)生大電壓差，從而實現(xiàn)壓控振蕩器快速起振。快速起振電路分別由三個倒相器和一個管組成。倒相器由一個管和一個管組成。同時由于在振蕩器電路中采用管提供尾電流可大大優(yōu)化壓控振蕩器的相位噪聲。首先將鎖相環(huán)路斷開，通過一分壓電阻控制壓控振蕩器的輸入電壓，如圖4-1，調(diào)節(jié)可變電阻Rp，以改變的輸出頻率，如果不在設(shè)計指標要求的頻帶范圍

33、，則需適當改變振蕩回路參數(shù)C、L（一般為12-14匝的中周）。如果達到設(shè)計要求，只須將鎖相環(huán)路閉合即可。 圖 4-1 壓控振蕩器的調(diào)試 通濾波器改為有源低通濾波器，可加寬頻帶（有源低通濾波器可加大電壓變化范圍）。4.2 偉福仿真系統(tǒng)程序功能由于89C51的控制功能較多，軟件系統(tǒng)復(fù)雜，先由仿真器進行逐項調(diào)試，確定正常后再執(zhí)行。4.2.1 偉福軟件介紹偉福真正集成調(diào)試環(huán)境，集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器，源程序編輯、編譯、下載、調(diào)試全部可以在一個環(huán)境下完成。且偉福的多種仿真器，及所支持各種CPU 仿真全部集成在一個環(huán)境下?？煞抡鍹CS51 系列，MCS196 系列，Microchip PIC 系列C

34、PU。偉福WINDOWS 調(diào)試軟件提供了一個全集成環(huán)境，統(tǒng)一的界面，包含一個項目管理器，一個功能強大的編輯器，匯編Make、Build和調(diào)試工具并提供一個與第三方編譯器的接口。它有雙工作模式：軟件模擬仿真（不用仿真器也能模擬運行用戶程序），硬件仿真。4.2.2 用偉福調(diào)試系統(tǒng)程序打開偉福6000，裝入系統(tǒng)程序，如圖4-2所示圖 4-2 偉福6000軟件環(huán)境利用偉福可以檢查程序是否有錯，功能是否可以實現(xiàn)，等程序檢查無誤后才可燒寫入單片機芯片。將偉福仿真器與系統(tǒng)硬件電路和電腦連接好，在wave6000菜單欄的仿真器里設(shè)置好仿真器、仿真頭和CPU型號，然后再測試下串行口看數(shù)據(jù)是否傳輸正常，是否正確接

35、上電腦，操作如圖4-3和圖4-4 示圖 4-3 仿真器設(shè)置圖 圖 4-4仿真器設(shè)置圖然后編譯系統(tǒng)程序，如果程序有問題，可通過按快捷鍵F8進行單步運行檢查錯誤，或者在出錯程序段設(shè)置PC進行單步運行檢查，待系統(tǒng)程序無誤后全速運行，接著就是測試系統(tǒng)的功能了。調(diào)試成功，系統(tǒng)可輸出相應(yīng)的可編程程序分頻比并顯示其送出的頻率值，還可以實現(xiàn)一些其他的功能如頻率自動步進、遞減10K(或100K)，預(yù)置頻率、記憶的功能。 4.3 鎖相環(huán)路的調(diào)試 將調(diào)試好的壓控振蕩器與鎖相環(huán)路相連,并將鎖相環(huán)路與單片機斷開,其控制分頻比的14位輸入口（N0-N13）用手動開關(guān)控制,開關(guān)一端接輸入口,另一端接地，即用手動開關(guān)代替單片

36、機輸入控制.調(diào)試鎖相環(huán)路時,應(yīng)首先檢查芯片的好壞，一般是通電后用示波器觀察晶振的兩腳（MC141151-2的26，27腳）是否起振，而且是否等于晶振的標稱頻率，如果相等，則一般情況下芯片是好的。接入壓控振蕩回路之前，應(yīng)首先將所要的頻率（在壓控振蕩器的振蕩范圍內(nèi)），除以晶振預(yù)分頻后的基準頻率（比如想輸出37MHz的頻率，晶振分頻后基準頻率為10KHz，則得3700），換算成二進制數(shù)，按照此數(shù)改變開關(guān)的通斷。連接好兩個模塊后，還應(yīng)用示波器觀察鎖相環(huán)的鑒相器（PDout,MC145151-2的第4腳）輸出波形，是否為較低頻頻率波形，再次檢驗芯片好壞。一切檢查器件無誤后，用示波器觀察壓控振蕩器的輸出信

37、號頻率，是否與輸入二進制代表的頻率值相等，頻率值是否有跳動，如果無跳動，則說明已經(jīng)鎖??；大多情況下，頻率不會很穩(wěn)，此時應(yīng)適當調(diào)節(jié)中周的磁芯，改變電感量，并且適當改變?yōu)V波器可調(diào)電阻的阻值，直到頻率被鎖定。鎖定后，以鎖定的頻率數(shù)值為中心，向上和向下改變輸入14位二進制數(shù)的數(shù)值，改變壓控振蕩器的輸出頻率值，用示波器觀察頻率的變化值和穩(wěn)定性，直到頻率不穩(wěn)時，記錄下能夠鎖定的頻率最大值和最小值。這兩個值就是該鎖相環(huán)路系統(tǒng)所能鎖定的最大頻率范圍。4.4 輸出頻率測量及穩(wěn)定度測試儀器用雙蹤示波器 SS-7810型和頻率計NFC-100C-1型示波器觸發(fā)方式的選擇“常態(tài)”：無信號輸入時，屏幕上無光跡顯示；有信

38、號輸入時，觸發(fā)電平調(diào)節(jié)在合適位置上，電路被觸發(fā)掃描。當被測信號頻率低于20Hz時，必須選擇這種方式?！白詣印保簾o信號輸入時，屏幕上有光跡顯示；一旦有信號輸入時，電平調(diào)節(jié)在合適位置上，電路自動轉(zhuǎn)換到觸發(fā)掃描狀態(tài)，顯示穩(wěn)定的波形，當被測信號頻率高于20常用這一種方式。“電視場”：對電視信號中的場信號進行同步，如果是正極性，則可以由CH2輸入，借助于CH2移位拉出，把正極性轉(zhuǎn)變?yōu)樨摌O性后測量?！胺逯底詣印保哼@種方式同自動方式，但無須調(diào)節(jié)電平即能同步，它一般適用于正弦波、對稱方波或占空比相差不大的脈沖波。對于頻率較高的測試信號，有時也要借助于電平調(diào)節(jié)，它的觸發(fā)同步靈敏度要比“常態(tài)”或“自動”稍低一些直

39、接在由鍵盤送入確定數(shù)顯示的頻，然后用頻率計（計數(shù)器）測量實際輸出頻率。用頻率計測量所測的數(shù)據(jù)，觀察其跳動情況，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。從理論上講，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度決定于頻率合成器上所使用的晶體振蕩器，它應(yīng)該有的穩(wěn)定度。第五章 總結(jié)鎖相技術(shù)來設(shè)計頻率合成器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種頻率合成方法，優(yōu)點是能夠提供長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度的信號輸出，再加上用單片機來控制它的頻率分頻比，使得它可程控和頻率輸出可靈活配置，可作為一般智能化儀器的信號源。針對應(yīng)用要求，本文完成了基于單片機AT89C51的鎖相頻率合成器的電路設(shè)計與調(diào)試，從理論的角度對所實現(xiàn)的電路性能作了邏輯上的推導(dǎo)和分析。本次的頻率合成器的設(shè)計，是在

40、經(jīng)典的頻率鎖相合成器電路的基礎(chǔ)上，加入了單片機控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了頻率輸出的自動控制，增加了頻率步進搜索、自動搜索、預(yù)置頻率值、顯示頻率等功能，這正是本設(shè)計最具特色的地方，也是創(chuàng)新所在。本鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)主要以模擬電路形式出現(xiàn)，已經(jīng)成為一種成熟的頻率合成技術(shù)，出現(xiàn)了大量的可編程控制的高集成度產(chǎn)品，所以在頻率合成器的設(shè)計中，環(huán)路濾波器的設(shè)計成為重點，這樣，對環(huán)路濾波器的分析變得重要。通過對設(shè)計產(chǎn)品的輸出頻率相位噪聲、雜散輸出和轉(zhuǎn)換時間的理論分析，可以盡可能地設(shè)計出高質(zhì)量的產(chǎn)品。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)越來越受到重視，和模擬的技術(shù)相比較，DDS具有高分辨率和快速頻率轉(zhuǎn)換時

41、間的優(yōu)勢，但在高頻輸出和對寄生噪聲、雜波的抑制方面還有不足，所以，目前出現(xiàn)了DDS和PLI?；旌显O(shè)計的頻率合成技術(shù)。 文采用鎖相式頻率合成的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是減小相位噪聲，以滿足用戶提出的較為苛刻的相位噪聲指標。本課題是設(shè)計一個由單片機、定時計數(shù)器及單片機集成鎖相環(huán)路組成的可程控頻率合成器，所以設(shè)計過程會涉及到鎖相環(huán)路、頻率合成器和單片機方面的知識。在設(shè)計過程中，由于要通過程序使單片機模塊與鎖相環(huán)電路模塊軟硬相結(jié)合，所以剛開始設(shè)計時我遇到好多問題。比如單片機I/O口端口如何與鎖相環(huán)連接，如何編寫程序來控制單片機分頻等，這時我知道知識的重要性了，平時上課的時候不認真聽課，老

42、師將的一些知識沒有完全掌握，課下有不肯花功夫去看，用到知識了，人開始手忙腳亂了，于是開始了上網(wǎng)，進圖書館等。經(jīng)過查閱很多相關(guān)資料，加上老師的幫助以及自己的思考，終于解決了這些問題，使系統(tǒng)功能更加完善?，F(xiàn)在，基于AT89C51單片機的鎖相頻率合成器已初步設(shè)計出來。并且經(jīng)過偉福系統(tǒng)的調(diào)試，可以正常運行。這一個月以來的辛苦沒有白費，看者自己的成果，心里還是很開心的。完成這次畢業(yè)設(shè)計我就要走向社會了，這次畢業(yè)設(shè)計不僅從知識上給了我新知識，這次也鍛煉了我與人合作的能力。感謝這次畢業(yè)設(shè)計給我的種種。附錄:ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART: MOV SP, #60H M

43、OV R4, #08H ;清除30H-37H的地址 MOV R0, #30H LCALL DISP ;初始化全部顯示零CLEAR: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R4, CLEAR L1: MOV R3, #0F7H ;掃描初值(P1.3=0) MOV R1, #00H ;取碼指針L2: MOV A, R3 ;開始掃描 MOV P1, A ;將掃描值輸出至P1 MOV A, P1 ;讀入P1值，判斷是否有鍵按下？ MOV R4, A ;存入R4，以判斷是否放開 SETB C ;C=1 MOV R5, #04H ;掃描P1.4-P1.7L3: RLC A ;將按鍵值左移一位

44、JNC KEYIN ;判斷C=0？有鍵按下則C=0，跳至KEYIN INC R1 ;C=1則表示沒鍵按下，將取碼指針值加1 DJNZ R5, L3 ;4列掃描完畢了？ LCALL DISP ;調(diào)用顯示子程序 MOV A, R3 ;掃描值載入 SETB C ;C=1 RRC A ;掃描下一行（P1.3-P1.0） MOV R3, A ;存回掃描寄存器 JC L2 ;C=1？是則P1.0尚未掃描到 JMP L1 ;C=0則4行已掃描完畢KEYIN: MOV R7, #60 ;消除抖動D2: MOV R6, #248 DJNZ R6, $ DJNZ R7, D2D3: MOV A, P1 ;讀入P1值 XRL A, R4 ;與上次讀入值作比較 JZ D3 ;ACC=0則相等，表示按鈕未放 MOV A, R1 ;按鈕已放開，取碼指針載入累加器 MOV DPTR, #TABLE ;數(shù)據(jù)指針指到TABLE MOVC A, A+DPTR ;