PLL電路的研究及在信號產(chǎn)生中的應(yīng)用畢業(yè)論文

本科生畢業(yè)設(shè)計PLL電路的研究及在信號產(chǎn)生中的應(yīng)用ResearchofPLLelectriccircuitandapplicationinthesignal-generating畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

注意事項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂

指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學(xué)系意見：系主任：（簽名）年月日摘要摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)PLL是自動頻率控制和自動相位控制技術(shù)的融合。鑒于其在通訊、航海、軍事等發(fā)面的廣泛應(yīng)用，研究鎖相環(huán)電路的特性有助于了解和提高鎖相環(huán)電路的性能指標，使其在各領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用和推廣，其具有很強的實際應(yīng)用價值。本設(shè)計基于數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù),采用AT89S52單片機完成電壓控制LC振蕩器的控制?？煽刂茊纹瑱C改變頻率，步進為100KHz；可實時測量壓控振蕩器輸出頻率、輸出電壓峰—峰值，并用數(shù)碼管顯示器顯示；在輸出負載為容性阻抗時，用一個串聯(lián)諧振回路提高其輸出功率；采用了交流電壓反饋和AGC電路來穩(wěn)定輸出電壓；末級功放選用三極管2SC2668，使其工作在丙類放大狀態(tài)，提高了放大器的效率；輸出正弦波比較穩(wěn)定，沒有明顯失真；輸出頻率穩(wěn)定度達到10-3；輸出功率≥20mW；輸出電壓可穩(wěn)定在1V±0.1V。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；壓控振蕩器；頻率測量；信號產(chǎn)生；單片機ABSTRACTAbstract:Alongwiththesciencetechnicaldevelopment,lockmutuallythewreathPLLismutuallyautomaticfrequencycontrolandautocontroltechnicalfusion.Owingtoitisinthehairnoodleses,suchascommunication,voyageandmilitary...etc.ofextensiveapplied.Theresearchlockmutuallythecharacteristicofwreathelectriccircuithelpunderstandingandexaltationtolockmutuallythefunctionindexsignofwreathelectriccircuit,Makeitgetmoreextensiveapplicationandexpansionineachrealm,ithasverystronglyphysicallyappliedvalue.ThesystemadoptingAT89S52todesigntheVCOisbasedonthedigitalfrequencysynthesizetechnical.ThedigitalPLLprincipleisusedandthecontrolofthecorechipMC145163isaccomplishedbyAT89S52.ItcanautomaticallychangeandmeasurethefrequencyofVCOwithastepof100kHzandVP-PanddisplayitbyLED.Meantimeitrealizesthefunctionsofexpandingthefrequency,whichmakemorepractical.ThedesignisprogramwithAT89S52.Itisprovedtobewellfunctioning,theoutputfrequencyisstableandthepowerofisover20mW,andthecapabilityindexesarealsogoodaftertesting.KeyWords：PLL;voltagecontrolledoscillator;frequencymeasure;signal-generating;SMCU目錄TOC\o"1-4"\u１引言 12系統(tǒng)組成 33方案論證與比較 43.1壓控振蕩器方案論證與選擇 43.2頻率合成器的設(shè)計方案論證與選擇 43.3控制模塊的設(shè)計方案論證與選擇 53.4電源方案的選擇 54鎖相環(huán) 74.1鎖相環(huán)的概念 74.2鎖相環(huán)基本框圖 74.3鑒相器的時序圖 84.4捕捉帶與通頻帶 95單元電路的設(shè)計 105.1壓控振蕩器 105.1.1壓控振蕩器MC1648 115.1.2壓控振蕩電路設(shè)計 115.1.3變?nèi)荻壒芘c開關(guān)二級管切換電路 125.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計 125.2.1鎖相環(huán)控制電路設(shè)計 125.2.2MC145163的管腳圖與內(nèi)部組 135.2.3MCl45163P的相位比較器 145.3低通濾波器 155.4電源電路設(shè)計 165.5電子控制單元電路（ECU） 165.5.189C52單片機的管腳說明 165.6頻率測量顯示電路 206軟件設(shè)計 217測試結(jié)果 238結(jié)論 249參考文獻 25致謝 26附錄１：系統(tǒng)原理圖 27附錄2：環(huán)境參數(shù)檢測程序 28天津工程師范學(xué)院2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計圖3-2分立元件構(gòu)成的VCO電路圖圖3-2分立元件構(gòu)成的VCO電路圖綜上所述，選擇方案三采用大規(guī)模PLL芯片MC145163和其他芯片構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器。3.3控制模塊的設(shè)計方案論證與選擇方案一：利用FPGA來控制集成芯片MC145163的分頻系數(shù)A和N，以改變輸出頻率的大小，但由于其開發(fā)周期和系統(tǒng)利用率考慮，價格昂貴，開發(fā)周期也較長。方案二：利用單片機AT89S52控制。內(nèi)有8K的Flash，可用ISP在線下載，開發(fā)周期短，而且價格便宜，系統(tǒng)利用率高，使用方便靈活，易于進行功能擴展。系統(tǒng)的多個部件如頻率測量電路，鍵盤控制電路，顯示控制等都可以集成到一塊芯片上，大大減小了系統(tǒng)體積。綜上所述，選擇方案二，采用AT89S52單片機構(gòu)成控制部分。3.4電源方案的選擇系統(tǒng)需要多個電源，AT89S52使用5V穩(wěn)壓電源，振蕩器的變?nèi)荻O管需要1-8V電壓，運放，功放等需要8V穩(wěn)定電源。方案一：采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片MC34063芯片分別將3V的電池電壓進行直流斬波調(diào)壓，得到5V和8V的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。方案二：采用三端穩(wěn)壓集成7805與7808分別得到5V與8V的穩(wěn)定電壓。利用該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠。綜上所述，選擇方案二，采用三端穩(wěn)壓器電路。4鎖相環(huán)4.1鎖相環(huán)的概念鎖相環(huán)是指使高頻振蕩器的頻率與基準頻率的整數(shù)倍頻率一致時所使用的電路。通?；鶞收袷幤鞫际褂镁w振蕩器，所以高頻振蕩的頻率穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。4.2鎖相環(huán)基本框圖圖4-1是鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)圖，由VCO、相位比較器、基準頻率振蕩器、環(huán)路濾波器所組成的。在這里用fr表示基準頻率振蕩器頻率，f0則表示VCO的頻率。當壓控振蕩器的頻率f0由于某種原因而發(fā)生變化時，必然相應(yīng)地產(chǎn)生相位的變化。0UR(t)VCO鑒相器（PD）0URVCO鑒相器（PD）振蕩頻率隨VR而變化基準振蕩頻率基準振蕩頻率Ud(t) Ud(t)υC(t)υC(t)環(huán)路濾波器圖4-1PLL的基本結(jié)構(gòu)圖相位的變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位fr相比較，使鑒相器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓分量υC(t)。υC(t)用來控制壓控振蕩器中的壓控元件參數(shù)，一般指的是變?nèi)荻O管，而這壓控元件又是VCO振蕩回路的組成部分，結(jié)果壓控元件電容量的變化將VCO的輸出頻率f0又拉回穩(wěn)定值來。這樣，VCO的輸出頻率穩(wěn)定度即由參考晶體振蕩器所決定。由頻率與相位的關(guān)系可知，瞬時頻率與瞬時相位的關(guān)系是：ω（t）=(4.1)=+(4.2)4.2式中的為初始相位，為瞬時頻率。由上面討論可知加到鑒相器的兩個振蕩信號的頻率差為(4.3.)4.3式中為參考晶體振蕩器的頻率，壓控蕩頻率。此時的瞬時相位差為=+(4.4)當兩個振蕩器的頻率相等時它們的瞬時相位差是一個常數(shù)，即：=(4.5)Δω（t）==0(4.6)亦即當兩個振蕩頻率相等時，有相位差，無頻率差[3]。4.3鑒相器的時序圖當與的關(guān)系為>。也就是VCO振蕩頻率低于時的狀態(tài)。此時相位比較器的輸出PD，如圖4-2所示，產(chǎn)生正脈沖信號，使VCO的振蕩頻率提高的信號。反之，當<是產(chǎn)生負脈沖。圖4-2相位/頻率比較器的動作這一PD脈波信號經(jīng)過回路濾波器的積分，便可以得到直流電壓VR，可以控制VCO電路。由于控制電壓VR的變化，VCO振蕩頻率會提高。結(jié)果使得=在與f0的相位成為一致時，PD端子會成為高阻抗狀態(tài)，使PLL被鎖定(Lock)。4.4捕捉帶與通頻帶壓控振蕩器本來處于失鎖狀態(tài)時，由于環(huán)路的作用，使壓控振蕩頻率逐漸向標準參考頻率靠近，靠近到一定程度后，環(huán)路即能進入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉最大的頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。當環(huán)路已鎖定后，如果由于某種原因引起頻率變化，這種頻率變化反映為相位變化，則通過環(huán)路的作用，可使VCO的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時環(huán)路即處于跟蹤狀態(tài)。環(huán)路所能保持跟蹤的最大失諧頻帶稱為同步帶，又稱為同步范圍或鎖定范圍。5單元電路的設(shè)計5.1壓控振蕩器壓控振蕩就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件。壓控器件一般是用變?nèi)荻壒?，它的電容量受到輸入電壓的控制，當輸入電壓變化，就引起了起振蕩頻率的變化。因此，壓控振蕩器事實是一種電壓——頻率變換器。它的特性可用瞬時振蕩頻率與控制電壓υC之間的關(guān)系曲線來表示，如圖5-1所示。圖上的中心頻率是在沒有外加控制電壓時的固有頻率。在一定范圍內(nèi)，與υC之間是線性關(guān)系。在線性范圍內(nèi)，這一線性可用下列方程來表示。（t）=+KrυC(t)(5.1)Kr是特性曲線的斜率，稱為VCO的增益或靈敏度，量綱為rad/s.V,它表示單位電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小。ωω0OυC 圖5-1壓控振蕩器的特性曲線5.1.1壓控振蕩器MC1648MC1648是一個8引線雙列直插的器件，內(nèi)部電路圖如圖6-2所示。壓控振蕩電路由芯片內(nèi)部Q8、Q5、Q4、Q1、Q7和Q6，10腳和12腳外接LC諧振回路組成正反饋的正弦振蕩電路[4]，其振蕩頻率：（5.2）（5.3）5.3式中LC分別為電感、電容大小，為變?nèi)荻O管的電容量。圖5-2MC1648內(nèi)部原理圖5.1.2壓控振蕩電路設(shè)計圖5-3為壓控振蕩電路圖。壓控振蕩器主要由壓控振蕩芯片MC1648和變?nèi)荻D5-3壓控振蕩電路極管MV209以及諧振回路構(gòu)成。MC1648需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路。為達到最佳工作性能，在工作頻率要求并聯(lián)諧振回路的QL≥100。電源采用＋5V的電壓，振蕩器的輸出頻率隨加在變?nèi)荻O管上的電壓大小變化而變化。通過切換電源來切換電感量，從而改變振蕩頻率。5.1.3變?nèi)荻壒芘c開關(guān)二級管切換電路⑴變?nèi)荻O管變?nèi)荻壒苁且环N特制的二級管，它的PN結(jié)電容變化范圍比較大，正常工作時，變?nèi)荻壒芗臃聪嚯妷?，在其PN結(jié)上產(chǎn)生電荷存儲，于是相當于一個電容，當反向電壓改變時，變?nèi)荻壒艿慕Y(jié)電容也發(fā)生相應(yīng)的變化。變?nèi)荻壒艿慕Y(jié)電容CVD和外加反向偏壓UR的關(guān)系可用下式表示。（5.3）（5.3）5.3式中UR是加在變?nèi)荻O管的反向電壓，CVD0為UR=0時的結(jié)電容U0是接觸電位差；n是電容變化系數(shù)。5.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計5.2.1鎖相環(huán)控制鎖相環(huán)控制的基本原理框圖如圖5-5所示。采用鎖相環(huán)頻率合成，可以得到任意頻率步進,同時頻率穩(wěn)定度與參考晶振相當,可以達到10-3。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器（VCO）、鑒頻/鑒相器（FD/PD）、低通濾波器（LPF）、可編程分頻器組成。它是應(yīng)用數(shù)字邏輯電路將VCO頻率一次或多次低至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進行比較，通過低通濾波器取出誤差信號來控制VCO的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上，由于采用了大規(guī)模集成電路塊MC145163，圖5-5鎖相環(huán)控制電路將圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器可編程分頻器集成在一個芯片中，不需要再單獨設(shè)計。同時利用AT89S52來控制MC145163，確定分頻系數(shù)A、N和發(fā)射頻率的對應(yīng)關(guān)系。5.2.2MC145163的管腳圖與內(nèi)部組本設(shè)計PLL采用IC采用Motorola公司MC145163P。圖5-6為MC145163P管腳排列的特性、引腳連接與結(jié)構(gòu)圖。此IC集成了產(chǎn)生基準頻率的所需的晶體振蕩電路與分頻電路、用以分頻VCO信號的分頻電路以及比較與的相位比較器。圖5-6MC145163P管腳排列在實際電路原理中引腳功能描述如表5-1所示。表5-1MC145163管腳功能（引腳1）至合成器的可編程（N計數(shù)器）的輸入，通常fin來自VCO，與AC耦合至引腳1。如果是像標準CMOS邏輯電平那樣的大振幅信號的場合，那么直接連接也可以（引腳2）電路連接VDD（引腳3）正電源（+5V）PDout（引腳4）可作VCO的控制信號使用的相位比較器3狀態(tài)輸出頻率頻率頻率RA0，RA1（引腳5，引腳6）這些輸入，將設(shè)定基準分頻器（R計數(shù)器）的分頻比分頻，分頻比可從512、1024、2048、4096選擇，(引腳7引腳8)這些相位比較器的輸出,通過與低通帶濾波器相結(jié)合,可成為VCO的控制信號頻率：產(chǎn)生L脈沖，頻率：，產(chǎn)生L脈沖頻率：，除了都有短的L脈沖產(chǎn)生外，其于都為H（引腳9，BCD輸入引腳24）這些輸入資料，當計數(shù)器的內(nèi)容為0時，將被預(yù)置于計數(shù)器。引腳9為10°位數(shù)的LSB，引腳24為103位數(shù)的MSB。因內(nèi)含拉降電阻，所以輸入開放時呈L電平。再使用BCD指撥開關(guān)，可以此隨意設(shè)定3至9999的分頻比內(nèi)部基準振蕩器或外部基準輸入信號的緩沖器輸出這些引腳如果接于晶體振蕩器，就變成基準振蕩器。與地，以及與地應(yīng)接以適當數(shù)值的電容器也可以作為外部產(chǎn)生基準信號的輸入。此信號通常以AC耦合于，但大振幅信號（CMOS邏輯電平）場合則為DC耦合。外部基準mode,無需接至LD（引腳28）PLL鎖定檢測信號，PLL環(huán)路鎖定時（的頻率與相位相同時）呈H電平，鎖定外時產(chǎn)生L脈沖2對4解碼器13位元/R計數(shù)器4位數(shù)BCD/N計數(shù)器2對4解碼器13位元/R計數(shù)器4位數(shù)BCD/N計數(shù)器鎖定檢測相位比較器A相位比較器B24232221201918171615141312111094828LD56103102101100RA0RA17圖5-7MC145163的結(jié)構(gòu)圖從圖5-7中可以看出，相位比較器(PD)是PLL中的重要部件，MCl45163P中內(nèi)含兩個相位比較器(A和B)。其中相位比較器A是用輸信號邊沿判別相位的電路，這種相位比較器只對輸入信號的上升沿起作用，與輸入信號的占空比無關(guān)，由該類相位比較器構(gòu)成PLL，它的同步帶和捕捉帶與環(huán)路濾波器(LF)無關(guān)而為無限大，但實際上將受到壓控振蕩器(VCO)控制范圍的限制。5.3低通濾波器低通濾波器由三極管和RC電路組成，其電路圖如圖5-8所示。低通濾波器用于濾除鑒相器輸出的誤差電壓中高頻分量和瞬變雜散干擾信號，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。鎖相穩(wěn)頻系統(tǒng)是一個相位反饋系統(tǒng)，其反饋目的是使VCO的振蕩頻率由自有偏差的狀態(tài)逐步過渡到準確的標準值。而VCO如做調(diào)頻源用，其瞬時頻率總是偏離標準值的。振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化是緩慢的，鎖相環(huán)路只對VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使其中心頻率鎖定在設(shè)定的頻率上。因此，輸出的調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高[8]。圖5-8濾波電路圖5.4電源電路設(shè)計電源電路如圖5-9所示，由于低通需要28V的工作電壓、MC1648、單片機、MC145163P等工作電壓需要5V，所以變壓器的輸出只需要接地和15V，考慮到高頻信號產(chǎn)生電路和單片機共用一個電源會互相干擾，所以采取對單片機單獨供電。由變壓器出來的交流信號經(jīng)過穩(wěn)壓電路，得到5V和28V的穩(wěn)定電壓。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的直流電壓更穩(wěn)定。接小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲。圖5-9電源電路5.5電子控制單元電路（ECU）ECU是控制系統(tǒng)的核心，其作用是對輸入的信號進行檢測、運算處理和邏輯判斷，根據(jù)預(yù)先存儲的控制程序和試驗數(shù)據(jù)，向各執(zhí)行器發(fā)出控制指令，控制各執(zhí)行器的工作。89C52是控制系統(tǒng)內(nèi)部的主要部分，它是整個控制系統(tǒng)的處理單元，AT89C52是一種帶4K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-52指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。5.5.189C52單片機的管腳說明⑴VCC：供電電壓（5V）GND：接地P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。當P2口被寫“1”P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。當P3口寫入“1”P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸入。要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。當8052通電，時鐘電路開始工作，系統(tǒng)即初始復(fù)位。常見復(fù)位電路如圖5-10所示。圖5-10復(fù)位電路ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加5V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。⑵振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無圖任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。⑶MCS-52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。89C52單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線①中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。②數(shù)據(jù)存儲器（RAM）89C52內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表③程序存儲器89C52共有4096個E2P④定時/計數(shù)器89C52⑤并行輸入輸出口89C52⑥全雙工串行口89C52內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用⑦中斷系統(tǒng)89C52⑧時鐘電路89C52內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但89C5單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-52系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式。5.8頻率測量顯示電路顯示電路如圖5-11所示。由于鎖相環(huán)產(chǎn)生正弦波的頻率較高，無法用單片機直接來測量它的頻率，必須先用高速分頻器來對它進行分頻，使它降低到單片機的測量范圍之內(nèi)。但又考慮到性價比的問題，可直接用頻率合成器MC145163P的控制字和分頻比來送給單片機顯示。當控制字是8600H時，也就是R0、R1、R2為000時，選擇步進為1K的標準頻率，頻率范圍從25MHz到54MHz，根據(jù)(5.5)5.5式中N是分頻比，為輸入BU2614的頻率，為標準信號源頻率;計算出分頻比的范圍：(5.6)(5.7)轉(zhuǎn)化成十六進制的變化范圍是從61A8H到D2F0H。當控制字是8000H時，R0、R1、R2為110時，步進為25KHz標準頻率，頻率從54MHz到110MHz，根據(jù)上面的公式可得分頻數(shù)從0870H到1130H。送顯示的時候可把它的分頻數(shù)乘于所選擇的標準頻率，然后進行BCD碼轉(zhuǎn)換，再送給單片機處理。分頻比可通過按鍵來調(diào)整。設(shè)置四個按鍵，分別是加一、加十、減一、減十。當需要選擇較大調(diào)整時，可選擇加十或減十；當需要較小范圍調(diào)整時，可選擇加一或減一。圖5-11顯示電路6軟件設(shè)計本設(shè)計軟件的主要作用是用來控制MC145163、以及頻率的時時顯示。因為輸出正弦波的頻帶范圍較寬，又考慮到精確度的要求，當步進為10KHz、控制字為4500H時，輸出頻率的最大值只能為45MHz，所以為了達到更高的頻率，又能提高精確度，必須選擇兩種不同的標準頻率。因為分頻數(shù)乘于標準頻率化成BCD碼以后占用的字節(jié)數(shù)不同，所以要調(diào)用兩個不同的顯示單元。調(diào)整頻率時，可通過按鍵來實現(xiàn)，根據(jù)調(diào)用不同的子程序可以完成分頻比加一、加十、減一、減十，當復(fù)位鍵按下時，顯示的頻率為30MHz。每次判斷有按鍵按下時重新調(diào)用存儲，寫入新的數(shù)據(jù)，以防掉電時重新復(fù)位。軟件流程圖如圖6-1、6-2所示。初始化初始化化清屏清屏調(diào)用顯示程序調(diào)用顯示程序?qū)懭隡C145163寫入MC145163判斷按鍵是否按下判斷按鍵是否按下否否是是執(zhí)行相應(yīng)按鍵的功能執(zhí)行相應(yīng)按鍵的功能圖6-1主流程圖開始開始按鍵是按鍵是否按下否否是是判斷哪個判斷哪個按鍵按下按鍵4按鍵3按鍵2按鍵1按鍵4按鍵3按鍵2按鍵1減1減10加10加1減1減10加10加1寫MC145163寫MC145163調(diào)用顯示調(diào)用顯示圖6-2按鍵流程圖7測試結(jié)果在整個設(shè)計系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)以后，用示波器可測量出各個頻率值與相對應(yīng)的電壓值，由于考慮到正弦波的頻帶寬不能一一列出，這里測出以5MHz為步長,從15MHz到45MHz的6個測試頻率點。從表7-1測試結(jié)果可以得出，在45MHz的時候電壓值最大，也就是在這個頻率點的時候Q值最大。表8-1頻率與電壓的對應(yīng)關(guān)系(頻率單位MHz)基準頻率15202530354045測得頻率14.820.1525.1029.9034.7540.3044.90電壓(V)1.822.745.658.9012.5017.8523.208結(jié)論由于晶體振蕩器單頻點的局限性，難于滿足多頻點的要求。本設(shè)計為了修正石英晶體振蕩器的不足，運用鎖相環(huán)來產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度、高精確度、多頻點的正弦波信號。產(chǎn)生的正弦波信號可應(yīng)用于調(diào)頻、解調(diào)、通信、電視等領(lǐng)域。本設(shè)計的優(yōu)點是，通過切換電感可擴大鎖相環(huán)的帶寬，實現(xiàn)15MHz到45MHz可調(diào)的頻率，結(jié)果滿足設(shè)計要求。此設(shè)計調(diào)試比較困難，要求經(jīng)過低通濾波以后的直流電壓穩(wěn)定性較好,如果不穩(wěn)定會造成壓控振蕩輸出頻率抖動。通過對低通中的RC值反復(fù)嘗試發(fā)現(xiàn)，如果C太小，會造成經(jīng)過低通以后的直流電壓有紋波成分；如果C太大，會造成了充放電的時間過長，低通濾波的變化速度跟不上PD信號變化的速度，導(dǎo)致壓控振蕩輸出頻率變化特別緩慢。要實現(xiàn)設(shè)計要求中的任務(wù)，使壓控振蕩輸出頻率在15MHz到45MHz之間可變，就必須調(diào)整電感和電容的大小。電路中的高頻信號容易受到干擾，如果單片機與其它電路共用一個電源的話，會對單片機造成干擾；測試的時候不同的接地測出來的波形有較大差別，而且測試端的引線太長，會造成高頻輻射而使波形失真。為了避免這種情況，一般連接線都用屏蔽線。在實際操作中，由于個別元件的夠買和相關(guān)知識體系的不完善，讓我在想關(guān)問題上遇到了阻礙，就整體系統(tǒng)而言，原來設(shè)計的原理中有頻率的測量電路，但是在實際中，由于電路調(diào)試很屢次被燒壞，并且對其頻率的干擾較嚴重，在征得老師意見下，最后將其部分電路撤消，直接用單片機控制頻率的輸出值。此電路應(yīng)用范圍廣泛，日常生活中的很多地方都有它的應(yīng)用。如無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，收音機等。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，PLL信號源的應(yīng)用也會越來越廣泛。9參考文獻[1][日]鈴木憲次，何中庸譯.高頻電路設(shè)計與制作[M].北京：科學(xué)出版社，2005[2]吳運昌.模擬集成電路原理與應(yīng)用(第一版)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001[3]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.第五屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編(第1版)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003[4]高吉祥，黃智偉.數(shù)字電子技術(shù)(第1版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003[5]吳金戎.8051單片機實踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2001年8月[6]李廣弟.單片機基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001年7月[7]高吉祥，黃智偉，陳和.高頻電子線路[M](第一版).北京:電子工業(yè)出版社,2003[8]何希才，劉洪梅.新型通用集成電路實用技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1997[9]李隆寶.實用電子器件和電路簡明手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，1991[10]劉常澍，數(shù)字邏輯電路[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002[11]單長虹，孟憲元.嵌入式數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機仿真，第20卷，2003第6期:93-95[12]程佩清，數(shù)字信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2000[13]陽昌漢，高頻電子電路[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2000[14]鄒理和，數(shù)字濾波器[M].北京:國防工業(yè)出版社，1982[15]宗孔德，多抽樣率信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998[16]張大彪.采用單片機控制的電話H動報WA7[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1999,第10期:19-20[17]陳元享，胡家驥等.信號處理原理[M].成都:四川大學(xué)出版社,1989[18］肖麗君．增強單片機系統(tǒng)可靠性的若干措施[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2000，第八期:60-64[19]劉春生.DTMF芯片HT9170在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J].國外電子元器件.2002年第1期2002年1月:22-24[20]張迎新.單片微型計算湘U1lmAt用及接口技術(shù)[M].北京:國防T業(yè)出版社，1996.2-6致謝畢業(yè)設(shè)計意味著我大學(xué)四年的學(xué)習生活即將結(jié)束，從此我將踏上新的人生征途，進入一個新的工作崗位，開始一段新的生活。在此，我要感謝在我做畢業(yè)設(shè)計期間幫助過我的老師。首先我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師關(guān)連城的大力幫助和支持。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，關(guān)老師給我提出了很多寶貴的具有建設(shè)性的意見。從一開始題目的講解，到簡單的查找資料，到程序的設(shè)計及調(diào)試，再到后期元器件的買件、制作，關(guān)老師不厭其煩、盡心盡力的幫助我。還要感謝胡建明老師給予的幫助，在做畢業(yè)設(shè)計期間提供實驗室，還幫助我解決許多難題。在此期間，關(guān)老師和胡老師淵博的知識，樂觀的人生態(tài)度，無時無刻不在影響著我，教我學(xué)到了很多做人的道理，這將使我受益終生。同時，此次畢業(yè)設(shè)計也是對我的綜合素質(zhì)的一種鍛煉和培養(yǎng)，使之能更加耐心、細致、謹慎、科學(xué)地思考遇到的難題，同時鍛煉了創(chuàng)新能力。我還要感謝在畢業(yè)設(shè)計期間幫助過我的同學(xué)，在我最需幫助的時候，是他們無私的幫助解決了我的實際困難。同時，我要感謝我的母?！旖蚬こ處煼秾W(xué)院，大學(xué)四年，這里給我留下了美好的回憶。特別是在我即將踏上工作崗位的同時，給了我這樣一個鍛煉的機會，使我加深了對以前知識的理解，拓寬了知識面，也提高了我對所學(xué)知識的綜合的應(yīng)用能力。祝愿母校的將來更美好。最后，我要再一次感謝所有在此期間幫助過我的人，我衷心的祝福你們！附錄１：系統(tǒng)原理圖附錄2：環(huán)境參數(shù)檢測程序ORG0000HAJMPSTARTORG0030HSTART:MOVSP,#80HLCALLDISP1;顯示初始化頻率ANJIAN:JNBP2.0,DOU1;鍵盤掃描JNBP2.1,DOU1JNBP2.2,DOU1JNBP2.3,DOU1NOPJZDDAJMPGGDD:LCALLDISP2AJMPNETGG:LCALLDISP2NET:LCALLDELAYLJMPANJIANDOU1:LCALLDELAYJNBP2.0,JIAYI0;鍵盤識別JNBP2.1,JIASHI0JNBP2.2,JIANYI0JNBP2.3,JIANSHI0LJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;鍵盤處理JIANSHI0:CLRCMOVA,30HSUBBA,#01H;減十鍵處理MOV30H,AMOVA,31HSUBBA,#00HMOV31H,AAJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;JIANYI0:CLRCMOVA,30HSUBBA,#02HMOV30H,AMOVA,31H;減一鍵處理SUBBA,#00HMOV31H,AAJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;JIASHI0:CLRCMOVA,30HADDCA,#02HMOV30H,AMOVA,31H;加一鍵處理ADDCA,#00HMOV31H,AAJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;JIAYI0:CLRCMOVA,30HADDA,#01HMOV30H,A;加十鍵處理MOVA,31HADDCA,#00HMOV31H,AAJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;DISP1:MOVA,#30H;復(fù)位顯示數(shù)據(jù)MOV30H,AMOVA,#75HMOV31H,AAJMPANJIAN;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;DISP2:MOV35H,31H;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化MOV34H,30HMOV36H,#00HMOV37H,#00HMOV38H,#00HMOVR7,#10KLK:CLRCMOVA,36HADDA,34HMOV36H,AMOVA,37HADDCA,35HMOV37H,AMOVA,38HADDCA,#00HMOV38H,ADJNZR7,KLKMOV34H,36HMOV35H,37HMOV36H,38HLCALLBCDSTNOPRET;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;BCDST:MOV R7,#18H;十進制BCD轉(zhuǎn)換 CLRC MOV39H,#00H MOV 38H,#00HMOV37H,#00HKKK:MOV A,34H RLCA MOV34H,A MOVA,35H RLC A MOV35H,AMOV A,36H RLC A MOV36H,AMOVA,37H ADDCA,37H DA AMOV37H,AMOV A,38H ADDC A,38H DA A