基于PLL信號發(fā)生器的設(shè)計

I頁引言本文將設(shè)計一種信號發(fā)生器，以CD4046作為該信號發(fā)生器的基礎(chǔ)，并采用AT89C51作為微處理器對相應(yīng)波形的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，CD4522作為N分頻器，CD4518作為M分頻器。對采用鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生高頻信號可行性進(jìn)行分析計算，通過經(jīng)驗總結(jié)、定性分析等方法，從而設(shè)計一種體積小的信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器具有性價比高、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，可將CD4046產(chǎn)生的方波通過積分電路和二階濾波電路轉(zhuǎn)換成三角波和正弦波，從而使得該設(shè)計能夠輸出多樣的波形。采用3個CD4522實現(xiàn)N分頻，通過AT89C51內(nèi)部程序的編寫，可通過按鍵調(diào)節(jié)LCD顯示屏的頻率，同時也控制輸出波形的輸出波形，使得該設(shè)計的頻率調(diào)節(jié)范圍可高達(dá)1KHz-999KHz。第1章緒論1.1本文研究背景1.1.1信號發(fā)生器背景信號發(fā)生器是生成波形信號的裝置，可以生成矩形波、諧波、正弦波等各種波形。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)表的《二零二一年信號發(fā)生器產(chǎn)業(yè)市場研究和投資戰(zhàn)略分析報告》，信號發(fā)生器可以廣泛應(yīng)用于通信、家電、汽車電子設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備、信息網(wǎng)絡(luò)、新能源、航空宇宙領(lǐng)域等傳播領(lǐng)域，其教育、科學(xué)研究成果和世界市場占有率持續(xù)增加。在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，一般采用石英晶體振蕩器，但是石英晶體振蕩器的頻率不易改變，于是將其振蕩頻率作為基準(zhǔn)頻率，利用鎖相環(huán)的倍頻分頻等頻率合成技術(shù)，獲得多頻率、高穩(wěn)定度的震蕩信號輸出。鎖相環(huán)是電子設(shè)備中常見的基本元件之一，是檢測輸入和輸出信號之間相位差的器件。自1960年以來，鎖相環(huán)技術(shù)在通信、航空宇宙、計量、電視、原子能、電機(jī)控制等領(lǐng)域能夠較好地進(jìn)行信號的呈現(xiàn)和模擬、數(shù)字信號跟蹤和同步。同時，掃描信號發(fā)生器、組合信號發(fā)生器等各種裝置也迅速發(fā)展。在我國，關(guān)于鎖相環(huán)系統(tǒng)的產(chǎn)品還不少，這主要是因為鎖相環(huán)系統(tǒng)在電子設(shè)備上的運用已經(jīng)十分普遍。鎖相環(huán)（PLL）電路可用于各種高頻技術(shù)，例如超高速開關(guān)頻率合成技術(shù)、本地振蕩器（LOS）、高性能無線通信連接、時鐘清除電路和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）等。我國有一個MOSSI項目，已經(jīng)制定出了幾個比較先進(jìn)的產(chǎn)品，包括放大集成電路(用于光傳輸)、時鐘恢復(fù)集成電路和數(shù)碼判決器，這些產(chǎn)品不僅具有專利，而且都是耗電量非常低的產(chǎn)品，集成度都比較好，工藝技術(shù)上也非常領(lǐng)先。此外，值得一提的是，中國東南大學(xué)的王志功博士也已經(jīng)加入了中國MOSSI項目，這將會在很大程度上促進(jìn)中國鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展。第四研究所還采用了中國的另一種比較高檔的電子鎖相環(huán)SB336，該鎖相環(huán)的工作頻率可以高到20GHz，采用SB336的公司也比較多，并且主要性能指標(biāo)都超過了國外的水平。1.1.2頻率合成技術(shù)發(fā)展過程自1930年以來，頻率合成技術(shù)已有60多年的歷史。頻率合成是指對基準(zhǔn)頻率源的信號處理，如混合頻率電路、倍頻電路或分頻電路。能夠進(jìn)行頻率合成的回路可以構(gòu)成一種振蕩源，它是目前電子系統(tǒng)不可或缺的部分。在通訊設(shè)備、無線電探測的測距裝置和制導(dǎo)裝置中，頻率合成器生成的多個頻率不僅用作激勵信號源，還可以用作提供各種頻率、波形和輸出電平電信號的設(shè)備。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是一種能夠?qū)Υ眍l率的二進(jìn)制碼進(jìn)行累加運算和相位幅度轉(zhuǎn)換的組合方法。JosephTierney等人提出了數(shù)字頻率合成的想法，也就是DDS技術(shù)，然而，因為微電子和數(shù)學(xué)電信號加工技術(shù)的局限性，這種技術(shù)還沒有得到充足的關(guān)注。由于電子信息技術(shù)的真實需求以及數(shù)字IC和微小型集成電路系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)也在逐漸展現(xiàn)出它的優(yōu)越性。1.2本文研究目的本設(shè)計主要是通過相位同步技術(shù)產(chǎn)生高頻正弦波、方波和三角波。相位同步電路的分頻比由單片機(jī)控制，與參考振蕩源相比產(chǎn)生信號。然后，用低通濾波器產(chǎn)生的直流控制振蕩電壓，形成相位同步電路。當(dāng)壓控振蕩器的頻率等于振蕩參考頻率時，用環(huán)路監(jiān)測輸出頻率。PLL鎖相環(huán)有諸多優(yōu)點，例如技術(shù)比較成熟、頻帶寬、頻率穩(wěn)定度高、準(zhǔn)確性好、價格低、頻譜質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、穩(wěn)定輸出，跟蹤正弦特性信號性能較好，并能有效地抑制雜散。把鎖相環(huán)電路看作一個信號傳輸系統(tǒng)，則有輸入和輸出，即信號的激勵和響應(yīng)，則可以把環(huán)路濾波理解為需要動態(tài)響應(yīng)地提高整個信號控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性而設(shè)計的傳輸函數(shù)，實現(xiàn)鎖相環(huán)的信號輸出，因此可以跳出現(xiàn)在局限的思維圈，嘗試用自動控制原理傳遞函數(shù)的方法進(jìn)行定量的分析。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定時，它還具有“捕獲”信號的能力。VCO（壓控振蕩器）可以在一個范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號的頻率在鎖相環(huán)的捕獲范圍內(nèi)變化，則鎖相環(huán)可以捕獲輸入信號的頻率然后強(qiáng)制VCO在這個頻率上鎖定。鎖相環(huán)的應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于VCO輸出信號頻率f2，并且要求保持比例關(guān)系或差分關(guān)系的恒定關(guān)系，則可以將運算器添加到外部以滿足不同操作的需要。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)通常由分立元件和模擬電路構(gòu)成，但現(xiàn)在經(jīng)常使用集成電路的相位鎖定，CD4046是通用CMOS相位鎖定集成電路，Ui、Uo的相位差為Δφ在0°-180°的范圍內(nèi)變化時，Uφ的脈沖寬度m也變化，即占空比也變化。比較器I的輸出信號的頻率等于輸入信號的頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90°的相位移，但是輸出頻率fout不一定是對稱波形。為了最大化鎖定范圍，相位比較器I需要輸入電壓和輸出電壓的占空比為50%（即方波）。1.3研究內(nèi)容鎖相環(huán)通過檢測設(shè)備輸入和輸出信息之間的相位差，并通過鑒相器以電壓形式轉(zhuǎn)換以輸出信息，然后通過低通濾波器濾波可以實現(xiàn)直接控制傳輸?shù)念l率，然后對VCO的電壓控制。接著，將輸出信號反饋到輸入通道，在能夠識別輸入信號相位差的輸入端，接收用于產(chǎn)生電子信號的振蕩器信號輸出的頻率和相位的反饋閉環(huán)控制的動作。如果信號的輸出頻率與信號的輸入單位時間內(nèi)周期性的變化完成的次數(shù)成比例，則輸出電流方向的電壓值大小與電壓供給的相位差保持不變，使電壓輸出和輸入的信號相位同步成為現(xiàn)實。如果電路信號的輸入在相位和頻率上都是瞬態(tài)的，則VCO相位和頻率也可以連續(xù)地跟蹤信號輸入的相位和頻率的變化，并且這種狀態(tài)被稱為跟蹤狀態(tài)。使用鎖相環(huán)同步技術(shù)產(chǎn)生高頻信號，在單片機(jī)控制同步相位鎖定環(huán)的分頻比后，與基準(zhǔn)振蕩源相比產(chǎn)生PD信號，通過低通濾波器產(chǎn)生直流電壓，控制振蕩電壓，完成相位鎖定。當(dāng)振動控制電壓的頻率等于振動參考頻率時，環(huán)路被鎖定以產(chǎn)生正弦波、三角波和方波，并且輸出頻率由環(huán)路監(jiān)測。第2章信號發(fā)生器的設(shè)計2.1設(shè)計方案PLL在規(guī)定界限內(nèi)維持輸出信號和輸入信號之間的相位差恒定（Δφ只是空間x的函數(shù)，對于不同時間t是恒定的），以此達(dá)成輸出信號頻率跟隨輸入信號頻率的目的。在特定的頻率界限內(nèi)，當(dāng)有一個頻率信號注入到振蕩器中時，振蕩電路的振蕩頻率會被牽引，PLL鎖相環(huán)能夠通過兩次捕獲來達(dá)到運算的邏輯電路的差值恒定的目的，讓運算輸入信號的單位時間內(nèi)完成周期性變化次數(shù)，以維持PLL的鎖定。設(shè)計這種能提供各種單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)、波形和輸出的高低電平和電信號的設(shè)備，即高頻信號發(fā)生器。高頻信號發(fā)生器包括電容反饋和電感反饋振蕩電路、分頻器、PLL、輸出電路等，采用AT89C51控制分頻比，實現(xiàn)頻率一致的目的。設(shè)計方案如圖2-1所示。圖2-1設(shè)計方案1PLL電路是檢測輸入信號和輸出信號之間的相位差有確定關(guān)系的電路。表示其間關(guān)系的函數(shù)稱為鑒相特性設(shè)備，將其轉(zhuǎn)換為電勢差形式輸出信號，并通過允許比截止頻率低的信號但不允許高于其的低通濾波特性將其控制為VCO（壓控振蕩器）的控制電壓，控制VCO輸出信號的頻率。隨后，產(chǎn)生電子信號的電子元件輸出的頻率和相位信號通過反饋通道返回鑒相器，以形成閉環(huán)控制。圖2-2設(shè)計方案2高頻電路情況復(fù)雜，于是我們將方案2中的低通濾波器替換成環(huán)路濾波器，就可以幫助過濾除去高頻雜波和干擾，實時的動態(tài)調(diào)整整個電路的穩(wěn)定性。壓控振蕩器產(chǎn)生的信號不穩(wěn)定，容易跑偏，為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小誤差，產(chǎn)生的高頻信號與輸入信號做比較前需加入分頻。2.2振蕩器正弦波振蕩器是指一種不經(jīng)過輸入電路控制就能夠自發(fā)地把直流電轉(zhuǎn)化為一定頻譜和振幅的正弦交變電壓(電流)的集成電路。輸出電壓經(jīng)過正反饋系統(tǒng)分壓后，經(jīng)同相比例電路與輸入頻率進(jìn)行比較。由運放所形成的RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路經(jīng)過運放內(nèi)的晶體管進(jìn)入非線性單元穩(wěn)幅，并經(jīng)過在外圍的負(fù)反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)穩(wěn)幅的目的。2.3分頻器分頻是指將意單一頻率信號的頻率降低為原來的1/N，就叫N分頻。實現(xiàn)分頻的電路或裝置稱為“分頻器”。在電子信息技術(shù)中，為了得到更高準(zhǔn)確度的單位時間內(nèi)重復(fù)的振蕩次數(shù)，一般使用的是石英晶體振蕩器，但是作為諧振器來穩(wěn)定或控制其頻率的振蕩電路的頻率是單一頻率,通過頻率合成可以得到許多不連續(xù)的頻率。借助一個中間媒介才能產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的頻率合成器由PLL實現(xiàn)的，其功能和性質(zhì)接近直接頻率合成器，而且所占空間小、成本較低、操作簡單。在鎖相環(huán)回路的反饋通路中，即放大信號的電路中存在將從外部到內(nèi)部的電路送到的電路接通電路，接上濾波的分頻器，便可得到鎖相反饋控制電路的倍頻的電路，如圖2-3所示，fin源于利用石英晶體作為諧振器來穩(wěn)定或控制其頻率的振蕩電路，輸出頻率fout經(jīng)過N頻率分解后與fin進(jìn)行相位的間接頻率測量方法做比較。當(dāng)閉合回路固定不動時，使相位差有一定關(guān)聯(lián)，輸入的2個信號的單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)相同，鎖相環(huán)的輸出頻率fou=N*fin/M，改變N的數(shù)值，就可以得到fin/M不同倍數(shù)的輸出頻率fout。圖2-3輸出N/M倍頻該倍頻器能夠通過與輸入頻率相乘進(jìn)行計算。經(jīng)過間接頻率測量方法的鑒相器用于比較N次與工頻頻率不同的成分的信號和VCO信號。如果環(huán)路被鎖定，則達(dá)到了期望頻率倍數(shù)。數(shù)字倍頻環(huán)路通過變化分頻的次數(shù)就能使無論是什么倍數(shù)的倍頻都能夠達(dá)成。如果環(huán)路被鎖定，fo=Nfi，通過改變外部周期信號分頻，其頻率恰為輸入信號頻率的純分?jǐn)?shù)的系數(shù)N，可以改變頻率倍數(shù)的大小。與之類似就是本次設(shè)計要用到的分頻鎖相環(huán)，二者都有兩種形式的脈沖環(huán)和數(shù)字環(huán)：脈沖掃描和數(shù)字環(huán)路。與完成倍頻功能的PLL不同且相反，分頻器進(jìn)行的是兩個數(shù)相除的計算操作，輸出為fo=fi/N的頻率。2.4壓控振蕩器壓控振蕩器是組成PLL的部，當(dāng)鎖相環(huán)內(nèi)的定時電容器的充電電流與輸入的控制電流成反比例時，CO的振蕩頻率也就與輸入的限制電流成反比例。當(dāng)控制電流為零時，輸出頻率最低，當(dāng)控制電流大于VDD時，輸出頻率將線性上升至最高頻率。2.5環(huán)路濾波器通常的濾波電路包括只能濾除不變次數(shù)的諧波，可以解決系統(tǒng)中的諧波引起的電壓畸變和斷路器的誤動作等問題。PLL濾波器將充電泵檢測器產(chǎn)生的電流脈沖集成到鑒相器中，以產(chǎn)生施加到壓控振蕩器的調(diào)諧電壓。傳統(tǒng)的方法是增加線性低通濾波器的調(diào)諧電壓，即變?yōu)楦蟮恼?，以改善壓控振蕩器的相位和頻率。線性的低通濾波器可以通過無源器件實現(xiàn)，例如運算放大電路中的器件。鎖相環(huán)的帶寬由環(huán)路濾波器的時間常數(shù)和VCO、鑒相器和分頻器決定。鎖相環(huán)的頻寬決定了瞬間狀態(tài)響應(yīng)、參考電平和噪聲濾波器等特性。在鎖相環(huán)帶寬內(nèi)，振蕩源發(fā)出的相位噪聲主要來自壓控振蕩器的噪聲影響下發(fā)生的信號相位的變化，而在鎖相環(huán)帶寬外，則來自鑒相器的相位噪聲。2.6鑒相器鑒相器對PLL的鎖相性能具有很大意義。是一種能夠識別輸入信號和電路之間相位差的裝置。該電路輸出電壓和2個輸入信號之間的頻率相位的差之間保持一定的關(guān)系，通過改變關(guān)系可得出相應(yīng)值，以保持環(huán)路的穩(wěn)定性，并且可以控制帶內(nèi)和帶外的噪聲，以防止壓控振蕩器的調(diào)諧電壓發(fā)生劇烈變化。其中輸出電壓實際上與2個輸入信號間的2個頻率相同的交流電相位差有關(guān)。鑒相器被認(rèn)為是PLL的重要組成之一。它從攜帶消息的已調(diào)信號中恢復(fù)調(diào)頻信號和調(diào)制相位信號。鑒別出輸入信號的相位差的器件可分為模擬構(gòu)成的鑒相電路和數(shù)字部件構(gòu)成的鑒相電路。相位補(bǔ)償是為了改善輸出波形。其檢測到的電位差就是鑒相器的輸出電壓。相位檢測器的相位分辨率特性為鋸齒形。由于其頻率分辨率功能，被稱為頻率輸出相位分離器。相位比較信號經(jīng)過多次處理，但仍可能包含干擾信號。轉(zhuǎn)換為矩形波后，噪聲的影響在理想矩形波的前沿和后沿附近，而高低電平的中間部分不受噪聲的影響；相位分辨信號具有相同的頻率和一定的相位差，兩個信號的邊緣一起移動。受噪聲影響的每個通道的前后邊沿完全對應(yīng)于不受其他通道影響的電平部分。普通的鑒相器不能抑制噪聲，即便少許震顫也會使相位損失。2.7單片機(jī)控制系統(tǒng)AT89C51是一款性能較強(qiáng)的8位CMOS集成電路組成的中央處理器，具有可編程4K字節(jié)閃存（FlashMemory）和可進(jìn)行數(shù)次編定程序，為一種能夠讀寫許多存儲單元的集合。該裝置使用ATMEL疏密程度較高且很難丟失儲存的制作技術(shù)，同時容納MCS-51系列設(shè)備，其可下發(fā)的控制功能的指令和管腳輸出。AT89C51是一款效率高的MCU，它兼并了8位的多樣化的功能中央處理器和閃存Flash。此外，它還為許多用于運行特定單獨控制型出入口控制系統(tǒng)且具有多種處理方式和數(shù)據(jù)分析能力，調(diào)控系統(tǒng)幫助多變化且經(jīng)濟(jì)高效的規(guī)劃。2.8本章小結(jié)本設(shè)計利用RC諧振電路產(chǎn)生信號，經(jīng)分頻器處理后輸入到鎖相環(huán)的信號輸入端，調(diào)頻器調(diào)頻后，將調(diào)頻信號反饋到鎖相環(huán)的鑒相器，通過識別輸入信號調(diào)頻信號之間相位差，利用輸出電壓和2個輸入信號之間的頻率相位的差之間有不變的關(guān)系的特性，通過改變關(guān)系可得出相應(yīng)值，以保持環(huán)路的穩(wěn)定性。經(jīng)鎖相環(huán)芯片的濾波電路進(jìn)行濾波，再經(jīng)壓控振蕩器后輸出波形。利用單片機(jī)控制分頻比，從而達(dá)到頻率一致的目的。第3章信號發(fā)生硬件電路3.1鎖相器原理分析圖3-1鎖相環(huán)原理框架圖如PLL原理圖3-1所示，能夠根據(jù)各個連接點的輸入和輸出的信號，創(chuàng)造互相對應(yīng)的關(guān)系。鑒相器可由公式（3.1）展現(xiàn)。假定相位誤差是QUOTE，就能夠得出這個關(guān)系式（3.2）。QUOTE公式（3.1）QUOTE公式（3.2）根據(jù)公式在拉普拉斯變換域當(dāng)中，線性的低通濾波器工作的效果可以寫成公式（3.3）。QUOTEVc(s)=F(s)Vd(s)Vc(s)=F(s)VCO與控制電壓QUOTEVcVc成正比，因為相位求導(dǎo)為頻率，相位與控制電壓QUOTEVCVC的積分成正比，經(jīng)過拉氏變換后可可以寫成公式（3.4）。QUOTE公式（3.4）從上述解析中，能夠得出每個合成單元的總傳輸函數(shù)（PLL的分頻比n為1）。從閉環(huán)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)可以得出，此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)讓輸入信號進(jìn)行低頻濾波，而進(jìn)行高頻濾波的是誤差傳遞函數(shù)的信號。這還取決于參考源帶內(nèi)相位噪聲環(huán)路選頻裝置的輸出頻率，這也解釋了為什么帶外影響信號相位的隨機(jī)變化取決于壓控振蕩器。硬件電路圖如圖3-2。圖3-2硬件電路圖該硬件電路主要包括信號源模塊、M分頻模塊、鎖相環(huán)模塊、N分頻模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊和單片機(jī)模塊。3.2信號源模塊用CMOS與非門和1MHz晶體構(gòu)成振蕩器，如圖3-3所示。圖3-3信號源設(shè)計原理圖如圖3-3所示，由CD4049反相器、R5、晶振、C2和C3構(gòu)成的RLC并聯(lián)電路作為整個電路的振蕩電路產(chǎn)生時鐘信號。后面串聯(lián)的兩個CD4049反相器主要是為了讓信號反向產(chǎn)生方波。3.3M分頻模塊分頻電路主要采用CD4518，CD4518引腳圖如圖3-4所示：圖3-4CD4518引腳圖CD4518是一個雙BCD同步加計數(shù)器，由兩個一樣的同步四級計算器所構(gòu)成。每單個單元有兩個時鐘輸入端CLK和EN，可用時鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)?？芍粲肊NABLE信號下降沿觸發(fā)，觸發(fā)信號由EN端輸入，CLK端置“0”；若用CLOK信號上升沿觸發(fā)，觸發(fā)信號由CLOK端輸入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”時，計數(shù)器各端輸出端Q1～Q4均為“0”，只有RESET端置“0”時，CD4518才開始計數(shù)。CD4518是一個同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進(jìn)制計數(shù)器，其功能引腳分別為1～7和9～15。圖3-5電路原理圖CD4518采用并行進(jìn)位，只需輸入一個脈沖，Q1翻轉(zhuǎn)，Q1為1，Q4為0時，輸入一個脈沖，Q2翻轉(zhuǎn)，Q2=1=Q1，再輸入一個脈沖，Q3翻轉(zhuǎn)，Q3=Q2=Q1=1,再輸入一個脈沖，Q4翻轉(zhuǎn)。這樣從0態(tài)開始計數(shù)，每輸入10個脈沖，計數(shù)單元就會回歸零態(tài)。3.4鎖相環(huán)模塊本次設(shè)計采用CD4046作為鎖相環(huán)的核心部件，CD4046是通用CMOS鎖定集成電路，具有電源電壓范圍廣（約3-8V）、輸入阻抗高（約100M）、動態(tài)消耗功率小等特征。微功耗設(shè)備中，即使中心頻率為10kHz，耗電也只有600uW。如圖3-6所示。圖3-6CD4046原理圖CD4046內(nèi)部的主要部件是相位比較器I、II、整形電路、壓控振蕩器VCO、源極跟隨器、線性放大器等。比較器I采用在Ui和Uo中的一個是高電平、一個是低電平的情況下輸出高電平的異種或柵極結(jié)構(gòu)。如果級別相同，則輸出較低的級別。相位比較器II主要提取鎖定信息和數(shù)字誤差信號，以便于在實現(xiàn)鎖定后在相位比較器II的二種輸入信息間保持零相位移。假設(shè)在CD4046內(nèi)部的定時電容器的充電電流與9腳輸入的控制電流成比例，那么VCO的振蕩頻率也就與9腳電流成比例。當(dāng)限制電流為零時，輸出頻率減小。當(dāng)限制電流小于VDD時，輸出頻率線性地上升至最高頻段。因為所有CD4046的充放電功能都是由同一個電容實現(xiàn)的，從而可以輸出對稱的方波。3.5N分頻模塊調(diào)頻電路主要采用CD4522進(jìn)行調(diào)頻，CD4522引腳圖如圖3-7所示。圖3-7CD4522引腳圖CD4522是可預(yù)先設(shè)定的二—十進(jìn)制1/N減法計數(shù)器。這里D1-D4是預(yù)設(shè)端子，Q1-Q4是計數(shù)器輸出端子，其余的控制端子的功能如下。在PE＝1的情況下，D1～D4的值進(jìn)入計數(shù)器EN＝0，在CP＝0的情況下，計數(shù)器（Q1～Q4）進(jìn)行倒計時。在CF=1且計數(shù)器（Q1～Q4）減少到0的情況下，在QC＝1、CR＝1的情況下，計數(shù)器被清零。單片4522分頻器的撥號開關(guān)是BCD碼開關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示3時，A與1、2連接。當(dāng)顯示5時，A和14連接，其余部分類推。和A相連，也就是浮在空中的時候，是低電平。動作過程使撥號開關(guān)為N，在某個時間點設(shè)為PE＝1，然后，N被設(shè)置在IC中的計數(shù)器上，并且當(dāng)下一CP來時，計數(shù)器倒計時變?yōu)镹-1，并且計數(shù)器變?yōu)?，直到第N個CP來。此時，由于CF=1，QC＝1，即PE＝1又回到開始狀態(tài)，開始新的循環(huán)。顯然，每當(dāng)N個CP來時，QC應(yīng)該是高電平（即QC），即QC（CP的N個分頻信號)。單片CD4522頻率合成器可以構(gòu)成1-9kHz的頻率變化范圍，為了達(dá)到更高的頻率變化范圍，可以采用3個耦合來達(dá)到1-999kHz的變化范圍，大幅擴(kuò)大頻率的變化范圍，撥盤開關(guān)的數(shù)值是多少VCO輸出信號的頻率是多少kHz。CD4522原理圖如圖所示：圖3-8CD4522原理圖3.6信號轉(zhuǎn)換模塊信號轉(zhuǎn)換電路原理圖如下：圖3-9波形轉(zhuǎn)換電路原理圖積分電路的RC越大，三角波的斜率越小，RC越小，斜率越大，電容一般為nf級別。常常還要在電容兩端并聯(lián)上一個電阻。因為在運放中存在一個失調(diào)幾毫伏的電壓，但是累加過后就會形成一個很大的直流電壓，導(dǎo)致波形出現(xiàn)很大的直流分量在里面，導(dǎo)致波形輸出有差異，不滿足要求。根據(jù)已學(xué)知識可知，三角波可以通過方波經(jīng)過處理后得到。查閱資料可知，可以用積分電路實現(xiàn)由方波電路到三角波電路的轉(zhuǎn)換。正弦波的產(chǎn)生也是整個設(shè)計的難點。最開始考慮用方波轉(zhuǎn)換成正弦波，但是難度很大，于是考慮將方波先轉(zhuǎn)換成三角波，再將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。將三角波變換為正弦波的原理主要使用傅立葉級數(shù)展開式，但是從展開式可以看出，三角波存在基波、3次、5次等基次諧波，所以使用低通濾波器對基波進(jìn)行濾波，剩下的是正弦波。然而，低通濾波器的帶通截至頻率大于三角波的基波頻率，并且小于三角波的三次諧波的三次諧波頻率。3.7LCD顯示模塊液晶顯示屏選用LM016L，LM016LLCD顯示屏采用HD44780控制器，此控制器的優(yōu)點在于指令簡單但是功能性強(qiáng)，可以實現(xiàn)字符閃爍和字符移動等功能，可以通過按鍵選擇位，改變頻率的大小。LM016LLCD顯示屏原理圖如圖3-10所示。圖3-10LM016L液晶顯示屏3.8單片機(jī)模塊在本設(shè)計中，AT89C51主要是通過軟件形式改變分頻比，即在寫入的程序中改變分頻比。AT89C51中有4k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(00H-7FH為片內(nèi)RAM，80H-FFH為特殊功能寄存器SFR)，32個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。以掉電的方式保存RAM中的內(nèi)容，振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。圖3-11單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-11所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、晶體振動和單片機(jī)。通過程序的寫入，按下與P12腳相連的按鍵可以選擇想要改變的位置，十位，百位和個位。當(dāng)按下與P13腳相連的按鍵時，可以改變數(shù)值，從而改變輸出波形的頻率。晶采用11.0592MHz。復(fù)位電路的電容電壓不變，系統(tǒng)接通電源后RST引腳變?yōu)楦唠娖?，高電平的持續(xù)時間由電路的RC決定。3.9本章小結(jié)RC諧振電路產(chǎn)生1MHz信號后，經(jīng)兩個CD4049反相器輸出方波信號，經(jīng)CD4518進(jìn)行1000分頻，把輸入的1MHz變成10KHz的信號，10KHz的方波信號給CD4046鎖相環(huán)，經(jīng)過CD45221/N減法計數(shù)器調(diào)頻后將調(diào)頻信號反饋給CD4046，使得CD4046的4腳輸出的信號等于輸入信號，最后的輸出信號fR等于輸入信號的N倍。輸出信號經(jīng)濾波電路和振蕩電路后輸出。第4章信號發(fā)生器軟件實現(xiàn)4.1程序設(shè)計思路及流程圖4-1程序流程圖編寫完程序后將程序放入KEIL軟件中進(jìn)行調(diào)試，并利用該軟件將代碼燒錄到單片機(jī)中，進(jìn)行調(diào)試仿真。軟件程序主要控制單片機(jī)各引腳的輸出，調(diào)節(jié)分頻比，控制波形輸出，控制LCD顯示屏顯示。4.2程序設(shè)計模塊程序設(shè)計主要包括以下模塊：主函數(shù)模塊：定義數(shù)值類型，調(diào)用延時程序，定義數(shù)據(jù)發(fā)送位。（2）單片機(jī)最小系統(tǒng)：核心控制、驅(qū)動配置；（3）按鍵控置。圖4-3按鍵控制按鍵主要有選位按鍵、調(diào)頻按鍵和復(fù)位按鍵。當(dāng)選擇按鍵按下，選擇要調(diào)節(jié)的位通過調(diào)頻按鍵進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)按下復(fù)位按鍵后，頻率設(shè)置清零，回歸最開始的狀態(tài)。（4）LCD液晶顯示：利用程序驅(qū)動單片機(jī)L驅(qū)動CD液晶顯示屏，并接受數(shù)據(jù)來顯示。圖4-4LCD顯示流程圖4.3本章小結(jié)AT89C51軟件代碼包括函數(shù)定義、數(shù)據(jù)的初始化、LCD顯示屏程序、按鍵加減、調(diào)頻程序和延時程序等。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，定義一些函數(shù)，例如主函數(shù)，接下來就是LCD的顯示程序，按鍵加減控制輸出頻率，控制LCD液晶顯示屏的輸出，調(diào)節(jié)的頻率可以通過LCD顯示屏監(jiān)測。第5章調(diào)試結(jié)果分析5.1電路設(shè)計原理圖本電路設(shè)計主要以CD4046作為鎖相環(huán)的核心芯片，采用3個CD4522實現(xiàn)高頻調(diào)頻的設(shè)計要求，單片機(jī)通過程序控制分頻比、電路數(shù)碼管的顯示以及按鍵調(diào)頻，再通過積分電路和濾波電路實現(xiàn)CD4046輸出的方波到三角波和正弦波的轉(zhuǎn)換。電路原理圖如圖5-1所示：圖5-1總電路設(shè)計原理圖5.2結(jié)果分析圖5-2波形輸出經(jīng)CD4046輸出的是方波，方波經(jīng)積分電路后輸出三角波，對方波函數(shù)進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開，可發(fā)現(xiàn)里面有基波和很多奇次諧波，采取濾波的方法，濾除三角波中多余的諧波，剩余的就是正弦波。通過程序的寫入，按下與P12腳相連的按鍵可以選擇想要改變的位置，十位，百位和個位。當(dāng)按下與P13腳相連的按鍵時，可以改變數(shù)值，從而改變輸出波形的頻率。圖5-3調(diào)頻前波形圖5-4調(diào)頻后波形圖5.3硬件電路圖焊接結(jié)果和調(diào)試結(jié)果如圖所示。圖5-5硬件電路圖圖5-61KHz顯示圖5-7999KHz顯示LCD顯示屏的驅(qū)動電壓為5V，通過調(diào)節(jié)電位器大小調(diào)節(jié)LCD的驅(qū)動電壓使LCD能正常顯示。選用的LCD顯示屏LM016L可以實現(xiàn)字符的移動，利用這一特點與單片機(jī)結(jié)合，當(dāng)按下選擇位按鈕時，選擇要調(diào)節(jié)的字符位，再通過按鍵加減實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，這一調(diào)頻信號發(fā)送給CD4522，CD4522進(jìn)行N-1計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到0時，將信號發(fā)送給鎖相環(huán)，鎖相環(huán)通過鑒相器進(jìn)行調(diào)頻。實物波形圖如圖所示。圖5-8三角波波形顯示該三角波波形由CD4046產(chǎn)生的方波信號通過RC積分電路產(chǎn)生。將方波轉(zhuǎn)換為三角波，濾波器可以對信號中的特定頻率的內(nèi)容進(jìn)行有效濾除，得到一個消除特定頻率后的信號，將通過的方波轉(zhuǎn)為三角波，時間常數(shù)通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)可以使輸出的波形更接近三角波。根據(jù)方波的周期，在電路的時間常數(shù)τ=RC比較小時，那么電容的充放電速度會比較快，指數(shù)規(guī)律的變化會更接近于三角形。電路的時間常數(shù)τ=RC需要大于方波的周期。根據(jù)F=電容的充放電曲線是按照指數(shù)規(guī)律變化的，接近于三角形。在電路的時間常數(shù)τ=RC比較小時，那么電容的充放電速度會比較快，指數(shù)規(guī)律的變化會更接近于三角形。所以適當(dāng)選擇R、C的值，就可以得到三角波輸出。圖5-9方波波形顯示該方波波形是由CD4046接受信號源后產(chǎn)生的波形，由于CD4046的充放電都是由同一個電容完成，所以能輸出對稱的方波波形。圖5-10正弦波波形顯示在三角波中含有大量的高次諧波，可以用低通濾波器濾除高次諧波，得到正弦波。三角波含有基波和3次、5次等奇次諧波，因此通過低通濾波器取出基波，濾除高次諧波，即可將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。低通濾波器的截止頻率應(yīng)大于三角波的基波頻率。圖5-8中的R6和R8為調(diào)節(jié)電阻，放大倍數(shù)通常小于2。5.4本章小結(jié)實物主要是通過數(shù)碼管顯示調(diào)節(jié)的頻率大小，通過CD4046產(chǎn)生波形，再通過積分以及濾波電路實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。按鍵則可以調(diào)節(jié)輸出波形的頻率，觀察波形圖，可輸出頻率為1kHz-999kHz的波形。按動實物圖中左邊第一個按鈕即可實現(xiàn)頻率的復(fù)位，按動中間的按鈕即可以選擇要調(diào)節(jié)的位，按動最右邊的按鈕可以調(diào)節(jié)頻率的輸出。頻率步進(jìn)為1KHz，頻率穩(wěn)定度小于1KHz。第6章總結(jié)通過這次實驗，進(jìn)一步認(rèn)識鎖相環(huán)的工作機(jī)理以及作用，并且鎖相環(huán)的使用也越來越普遍，因為鎖相環(huán)是一種無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭l率的方式。因此，它可以用來提高電視接收機(jī)的行同步能力和幀同步能力，比如提供參考載波以實現(xiàn)相干解調(diào)、建立比特同步系統(tǒng)等，從而增強(qiáng)了干擾防止的能力。但在實踐過程中也出現(xiàn)了若干問題。開始時輸出一直沒有信號。首先，研究了振蕩源，M分頻，N分頻和相位鎖定模塊，首先確認(rèn)了該模塊有問題。檢查結(jié)果表明，振蕩源不振動，認(rèn)真檢查電路后發(fā)現(xiàn)芯片資料沒有認(rèn)真閱讀。CD4049的電源是一雙，我接通了16個電源。首先，分析了振蕩源，M分頻模塊，N分頻模塊和鎖相環(huán)模塊，并證明了這些模塊的問題。檢測結(jié)果顯示，振蕩源不振蕩，但仔細(xì)檢測電路后發(fā)現(xiàn)芯片資料并未仔細(xì)讀取。在振蕩源振蕩之后，輸出還沒有信號。檢測M分頻信號時，用示波器觀察CD4518分頻器的所有輸出信息，輸出結(jié)果均為一KHz，很明顯M分頻信號系統(tǒng)可以正常運行。檢查鎖相環(huán)部分時，斷開了CD4046的相位檢測器輸入端(3)腳和CD4522的連接線，短連接CD4046的(3)腳和(4)腳，但并不做分頻。CD4046的(14)腳輸入數(shù)KHz~數(shù)百KHz的CMOS信號，CD4046的(4)腳輸出信息能夠跟隨(14)腳的信息，所以在鎖相環(huán)部分也正常。檢查N分頻時，由輸入源直接在CD4522的輸入端口上，輸入100kHZ信息，然后撥盤開關(guān)撥到一百，看輸出頻率是否在1KHz，根據(jù)結(jié)果無輸出信息，再判斷問題在N分頻部分，最后再用單段電路的方式檢測1個單獨的CD4522是否正常，連接到級聯(lián)，使得撥號開關(guān)達(dá)到100或更多，并且可以通過示波器觀察分頻器的輸入和輸出波形。設(shè)計主要的任務(wù)是，通過試驗發(fā)現(xiàn)問題，并通過運用理論知識增強(qiáng)自己處理社會現(xiàn)實問題的能力。對經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)的問題，分析和消除的問題，并結(jié)合自身在社會實踐活動中出現(xiàn)的問題，在測試過程中需要注意調(diào)整。各單元在通過試驗后進(jìn)行了綜合考核。那樣的話，就能夠更有效的檢測問題的存在。也因此，在這個試驗中，由于最初并未出現(xiàn)過晶體振蕩,于是把1MHz的信號當(dāng)作直接的頻率源輸入，并檢查了M分頻信號的輸入輸出是否正常,從而確定了N分頻信號是否正確。然后我們就學(xué)習(xí)了根據(jù)測試結(jié)果解釋一個現(xiàn)象。比如,在測試M分頻信號的過程中,發(fā)現(xiàn)第二個CD4518輸入了10KHz，可是由于輸出中沒有信號，所以第二個4518存在問題。更換芯片后，發(fā)現(xiàn)M分頻正常工作，并輸出到了1KHz。在設(shè)計電路板以前，要首先對整體電路構(gòu)成以及各洞洞板的布置情況做出分析。而在焊電路板以前，就必須要做好一些準(zhǔn)備工作，將所有元器件和工具都準(zhǔn)備好，很關(guān)鍵的地方就是要選用一個比較新的洞洞板，這樣可以在焊的過程中更加好焊，易于將錫線粘上。因為要形成從1KHz-999KHz的較高頻率，所以在連接電路時要盡可能的將所有器件都貼到洞洞板上，減少了所有器件的接口，以便減少對電路的干擾。但是要是稍微連錯了的話就不好改，所以在焊接時也要十分的仔細(xì)。本次實驗的難點是方波信號輸出后的變換，最初打算將用鎖定環(huán)直接輸出的方波轉(zhuǎn)換成正弦波，但大多采用逆變器電路，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過調(diào)查資料，首先可以將方波用積分電路轉(zhuǎn)換成三角波，將三角波用積分電路轉(zhuǎn)換成正弦波。最初使用MAX038和MC1415151來考慮設(shè)計，但是其優(yōu)點是可以通過開關(guān)電感來擴(kuò)展鎖定環(huán)的帶寬，并且可以將頻率從25MHz調(diào)整到110mhz。但是，這樣的計劃和設(shè)計比較難，需要不斷調(diào)試的時間。為了通過低于截止頻率的信號信道，需要穩(wěn)定的直流電壓?？刂祁l率和電壓不穩(wěn)定時，輸出會振動。對低路徑中的電阻電容值進(jìn)行了多次測試，發(fā)現(xiàn)如果電容值太小，則低路徑后的直流電壓具有紋理波成分。容量值太大的話，充電和放電時間太長。低通濾波器的變化速度不能達(dá)到局部放電信號的變化速度，并且降低了電壓控制振動的輸出頻率。為了滿足設(shè)計條件，必須調(diào)整電感和容量，使壓力控制振動的輸出頻率在25MHz到110Mhz之間。電路頻率高的信號會受到干擾。單片機(jī)與其他電路共用電源時，會干擾單片微控制器：測試過程中，不同接地方式測量的波形完全不同：測試結(jié)束時導(dǎo)線過長，導(dǎo)致高頻輻射和非線性失真。相反，采用了使用CD4046的設(shè)計。因為CD4046可以直接輸出其中的一個波，大大減少了工作量，可以使之后的正弦波和三角波的設(shè)計更加簡單和便利。當(dāng)采用AT89C51作為微處理器時，由于AT89C51的引腳懸空處于高電平，按下按鈕時，相應(yīng)引腳的電平將變?yōu)榈碗娖剑源_保鍵值保持不變，并且按鍵的公共端應(yīng)接地。相位同步頻率合成可以將精確的參考頻率傳輸?shù)饺魏晤l率。提供各種頻率、波形和輸出電平電信號的設(shè)備的頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠在比較寬的固定和特征位置的基準(zhǔn)頻率界限（即晶體振蕩器電平）和頻率調(diào)整范圍內(nèi)實現(xiàn)。因此，它可以達(dá)到相同的大小。作為一種高穩(wěn)定性的寬帶信號源，它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PLL中環(huán)路濾波器的決定因素：VCO（壓控振蕩器）的頻率為14.142MHz，Kv為4.00MHz/V

。PLL的頻域，所在輸出頻率為15MHz左右的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真。對于相位噪音能夠使用10~100kHz的Brick-WallFilter進(jìn)行濾波操作，其相位噪音為0.00degreerms。通道的中間單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)為25kHz，信號負(fù)載的加載固定頻率波的固定頻率是15.0kHz，功率為-91.4dBc。但是AT89C51控制頻率點輸出時，具有更強(qiáng)的操作性，信號頻率獲取更準(zhǔn)確、信號頻率帶寬輸出波形更好等優(yōu)點，在通信系統(tǒng)方面得到了廣泛的應(yīng)用。在分頻器的選擇上最開始選擇用一片CD4017作分頻器組成2-9KHZ頻率合成器。4017構(gòu)成二至九等分頻器，將CD4017組成的分頻器代入1/N分頻器，就組成2-9KHZ頻率合成器?；蛘卟捎脝纹珻D4522頻率合成器構(gòu)成1-9kHz變化。雖然三個方案都能實現(xiàn)頻率合成器，構(gòu)成原理簡單，結(jié)構(gòu)清晰，但是一片CD4017和單片CD4522最終頻率只能實現(xiàn)1-9kHz之間頻率的變化，為了能使頻率新變化范圍增大，采用三片CD4522相結(jié)合，實現(xiàn)1-999kHz之間頻率的變化。參考文獻(xiàn)[1]古婧,李昆,劉爭.基于PLL信號發(fā)生器的設(shè)計[J].信息通信,2015(7).[2]李鵬.

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