基于PLL信號發(fā)生器的設(shè)計畢業(yè)論文

2設(shè)計要求3方案論證與比較方案1:采用直接式頻率合成器技術(shù)，將一個或幾個晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率量的離散頻率。其組成框圖如3-2所示。直接式頻率合成器頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換分頻器分頻器諧波發(fā)生器fout1fout2fout3圖3-2直接式頻率合成方案2:采用模擬鎖相式頻率合成器技術(shù)，通過環(huán)路分頻器降頻，將VCO的頻率定度與參考晶振的頻率穩(wěn)定度相同。缺點是分頻率的提高要通過增加循環(huán)次數(shù)來實現(xiàn)，電路超小型化和集成化比較復(fù)雜2。方案3:采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)，由晶振、鑒頻/鑒相(FD/PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、可變分頻器(÷N)和壓控振蕩器(VCO)組成。組成框圖如圖5-1綜上所述，選擇方案3即采用大規(guī)模PLL芯片BU2614和其他芯片構(gòu)成數(shù)字鎖相4系統(tǒng)組成單片機來完成，利用數(shù)碼管對頻率進行顯示并對頻率值進行存儲。系統(tǒng)框圖如圖4-1頻率圖4-1系統(tǒng)框圖5鎖相環(huán)介紹5.2鎖相環(huán)基本框圖控振蕩器的頻率fo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。相位鑒相器環(huán)路濾波器fo制振蕩器)利用低通濾波器把誤差信號變成直流圖5-1PLL的基本結(jié)構(gòu)圖相位誤差成比例的誤差電壓分量vc(t)。vc(t)用來控制壓控振蕩器中的壓控元件參度即由參考晶體振蕩器所決定。由頻率與相,瞬時頻率與瞬時相位的關(guān)系是：由上面討論可知加到鑒相器的兩個振蕩信號的頻率差為：wp為參考晶體振蕩器的頻率，wo壓控蕩頻率。此時的瞬時相位差為當(dāng)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)θo,即：亦即當(dāng)兩個振蕩頻率相等時，有相位差，無頻率差3。當(dāng)f與fo的關(guān)系為f>fo。也就是VCO振蕩頻率fo低于f時的狀態(tài)。此時相位比較器的輸出PD,如圖5-2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(dāng)f<fo是產(chǎn)生負(fù)脈沖。這一PD脈波信號經(jīng)過回路濾波器的積分，便可PLL鎖栓frfr>fo時fr=fo時的輸出圖5-2相位/頻率比較器的動作以得到直流電壓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fr=fo在f與fo的相位成為一致時，PD端子會成為高阻抗?fàn)顟B(tài)，使PLL被鎖定(Lock)。5.4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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。6單元電路的設(shè)計6.1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，?dāng)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wr與控制電壓vc之間的關(guān)系曲線來表示，如圖6-1所示。圖上的中心頻率w?是在沒有外加控制電壓時的固有頻率。在一定范圍內(nèi)，wr與vc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。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。圖6-1壓控振蕩器的特性曲線MC1648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qQQQmQ3VD503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5。為達(dá)到最佳工作性能，在工作頻率要求并聯(lián)諧振回路的Q≥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。6.1.3變?nèi)荻壒芘c開關(guān)二級管切換電路(1)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(dāng)于一個電容，當(dāng)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[6。變?nèi)荻壒艿慕Y(jié)電容Cwo和外加反向偏壓UR的關(guān)系可用下式表示。電容變化系數(shù)。(2)電感切換電路為了擴大頻率的帶寬，通過切換電源來切換電感。圖6-4是開關(guān)二級管切換頻段電路圖。當(dāng)開S連接+5V時，開關(guān)二級管Vo2截止，電感L和L?相加，電感量較大，電感量較小，對應(yīng)于高頻段7。圖6-4電感切換電路6.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計6.2.1BU2614的管腳圖與內(nèi)部組成BU2614為16管腳芯片，其管腳圖如圖6-5所示。管腳Xout與Xin為外接晶振使能信號邏輯關(guān)系如圖6-6所示。其中T1應(yīng)大于15μs,T2大于2μs,時鐘寬度D15、表示可變分頻比的16位二進制數(shù)；*表示與控制不相關(guān)的位，可為1或0;參表6-1R0、R1、R2與標(biāo)準(zhǔn)頻率的關(guān)系00001100110111*PLL關(guān)閉圖6-7鎖相環(huán)控制電路圖標(biāo)準(zhǔn)頻率為1KHz,也就是RO、R1、R2為110;當(dāng)頻率在54MHz到110MHz之間選擇標(biāo)圖6-8濾波電路圖圖6-9電源切換電路6.5電源電路設(shè)計r圖6-10電源電路等工作電壓需要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)生電路流信號分別經(jīng)過兩個L7812CV,一路直接接到低通和L7805CV;另一路L7812CV的輸出直接接到L7805CV,它的輸出單獨供給給單片機。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之6.6存儲電路設(shè)計6.6.1AT24C02管腳介紹于10ms)等特點。(4)數(shù)據(jù)的傳送線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)椤敖Y(jié)束”信號。開始和結(jié)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在I2C總線開始信號后，送出的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)是用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(R/W)。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件；方向位為“1”表示主器件將從從器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R/W)確定。在I2℃總線上每次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不限，但每一個字節(jié)必須為8位，而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個認(rèn)可位(第9位),也叫應(yīng)答位(ACK)。每次都是先傳最總線上的數(shù)據(jù)字節(jié))可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時主器件產(chǎn)生1個結(jié)束信號，使傳送異常結(jié)束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當(dāng)從器這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發(fā)生在SDA線上的總線競裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的6.6.3存儲電路的設(shè)計存儲電路如圖6-11所示，由于A0、A1、A2沒有被AT24C02使用，所以它們可以不接圖6-11存儲電路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，(1)VCC:供電電壓(5V)PO口：PO口為一個8位漏級開路雙向I/0口。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被此時PO外部必須被拉高。 23456789p1.0p1.2p1.4p1.5p1.6p1.7 P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2/INTO(外部中斷0)P3.3/INT1(外部中斷1)P3.4TO(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)圖6-13復(fù)位電路PSENRAM地址寄存器與寄存4A端口0驅(qū)動器端口2驅(qū)動器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)指針DPTRW端口1驅(qū)動器端口3驅(qū)動器P1.?~P17P3.0~89C51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)⑥全雙工串行口89C51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(dāng)同步移位器使用。⑦中斷系統(tǒng)89C51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。⑧時鐘電路89C51內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但89C51單片機需外置振蕩電容。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-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式。6.8頻率測量顯示電路顯示電路如圖6-15所示[15]。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BU2614的控制字和分頻比來送給單片機顯示。當(dāng)控制字是8600H時，也就是RO、R1、R2為000時，選擇步進為1K的標(biāo)準(zhǔn)頻率，頻率范圍從25MHz到54MHz,根據(jù)可計算出分頻比的范圍：轉(zhuǎn)化成十六進制的變化范圍是從61A8H到D2FOH。當(dāng)控制字是8000H時，RO、R1、R2為110時，步進為25KHz標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)需要選擇較大調(diào)整時，可選擇加十或減十；當(dāng)需要較小范圍調(diào)整時，可選擇加一或減PPP可可+等言0等言0氣前同氣前同5噩5圖6-15顯示電路7軟件設(shè)計7.1軟件分析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(dāng)步進為1KHz、控制字為FFFFH時，輸出頻率的最大值只能為65.536MHz,所以為了達(dá)到更高的頻率，又能分頻數(shù)乘于1KHz;當(dāng)控制字為8000H時，分頻數(shù)乘于25KHz。因為分頻數(shù)乘于標(biāo)準(zhǔn)頻新的數(shù)據(jù)，以防掉電時重新復(fù)位。軟件流程圖如圖7-1、7-2所示。寫B(tài)U2614調(diào)用顯示2清屏高頻段還是低P2.7清0寫B(tài)U2614調(diào)用顯示1否是是3