畢業(yè)設(shè)計（論文）鎖相頻率合成器的設(shè)計

1、目 錄 第 1 章 緒論2 1.1 鎖相技術(shù)的發(fā)展概況2 1.2 頻率綜合技術(shù)及其發(fā)展2 1.3 鎖相環(huán)路的工作特點4 1.4 設(shè)計任務(wù)與實現(xiàn)方案4 第 2 章鎖相頻率合成器的設(shè)計6 2.1 鎖相頻率合成器6 2.1.1 鎖相環(huán)路的基本組成6 2.1.2 使用前置分頻器的鎖相頻率合成器的組成7 2.1.3 變模分頻鎖相頻率合成器7 2.2基于 mc145146 的鎖相頻率合成器的設(shè)計 9 2.2.1 頻率合成芯片 mc145146 及其外接部分的設(shè)計 10 2.2.2 環(huán)路濾波器的設(shè)計13 2.2.3 壓控振蕩器的設(shè)計14 2.2.4 前置預(yù)分頻器的設(shè)計16 2.3 本設(shè)計中參數(shù)的確定16 2

2、.4 本章小結(jié)18 第 3 章 單片機控制部分19 3.1 單片機控制的原理19 3.2 單片機控制部分主要程序模塊的處理流程圖21 3.3 本章小結(jié)23 結(jié) 論24 參考文獻(xiàn)25 致 謝27 附錄 a 全電路原理總圖28 第 1 章 緒論 1.1 鎖相技術(shù)的發(fā)展概況 鎖相技術(shù)是實現(xiàn)相位自動控制的一門學(xué)科。鎖相原理在數(shù)學(xué)方面，早在 30 年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就已經(jīng)出現(xiàn).1930 年已經(jīng)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(xué)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,電視接收機中的同步 掃描電路中開始廣泛的應(yīng)

3、用鎖相技術(shù),使電視圖像的同步性能得到很大改善. 進(jìn)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(biāo)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)研究了無噪聲鎖相環(huán)路的非線性問題,并發(fā)表了”相干通信原 理”一書.到了 70 年代林特塞(lindscy)和查里斯(charles)進(jìn)行了由噪聲的一階,二 階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析,并做了大量實驗以充實理論分析. 由于鎖相環(huán)路具有許多優(yōu)良特性,它可以用于頻率合成與交換,自動頻率 調(diào)

4、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,鎖相倍頻和分頻,鎖相測速預(yù)測距,鎖相 fm(pm)調(diào)制與解調(diào) 等.目前,鎖相換路的理論研究正在日臻完善,應(yīng)用范圍遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域. 且商品化集成鎖相環(huán)路日益增多,為鎖相技術(shù)應(yīng)用提供了廣闊前景. 1.2 頻率綜合技術(shù)及其發(fā)展 頻率綜合技術(shù)是無線電電子學(xué)的重要組成部分，它在無線電技術(shù)的各個 領(lǐng)域中都得到廣泛地應(yīng)用。例如在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子偵察、干擾和抗 干擾、宇航、衛(wèi)星通信、遙測遙控、廣播、電視及現(xiàn)代測量儀器儀表中都有 應(yīng)用。隨著各種新型頻率綜合和頻率合成方案的不斷涌現(xiàn)，頻率合成理論研 究的不斷深入，

5、至今，頻率綜合技術(shù)從理論到實踐已達(dá)到比較成熟和比較完 善的階段。將一個(或多個)基準(zhǔn)頻率變換為另一個(或多個)所需頻率的技術(shù) 稱為“頻率合成技術(shù)”,一般基準(zhǔn)頻率是非常精確的，頻率綜合的輸出頻率 在一定范圍內(nèi)可選擇，即頻率綜合是一種高質(zhì)量的信號源，由一個基準(zhǔn)頻率 產(chǎn)生許多頻率輸出的一種高質(zhì)量信號發(fā)生器。 頻率綜合技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近五十年的時間，在這幾十年的發(fā)展過程中， 頻率綜合技術(shù)不斷成熟，不斷完善?，F(xiàn)在頻率合成方式主要有直接式(dfs)、 間接式(鎖相式)、數(shù)字式(dds)和各種方式相結(jié)合的混合式。 直接式方式是頻率綜合發(fā)展的起點，其主要原理就是通過對頻率的加、 減、乘、除產(chǎn)生新的頻率。其特點就

6、是頻率切換速度快、相位噪聲低、性能 穩(wěn)定可靠，但是這種合成方法在功耗、體積和雜散上存在相當(dāng)大的局限。 間接式頻率綜合都采用鎖相環(huán)方式實現(xiàn)。它最大的優(yōu)點是由于低通濾 波器的作用而降低了雜散電平。與直接式合成器相比，它結(jié)構(gòu)簡單，體積小 巧。但間接式頻率綜合與直接式相比轉(zhuǎn)換時間較長，環(huán)路帶寬處相位噪聲較 大，設(shè)計小好還會出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。目前，鎖相環(huán)中的各個器件集成度越 來越高，各種頻段壓控振蕩已經(jīng)有集成的模塊，許多頻段已經(jīng)有單片壓控振 蕩器，各種分頻器、倍頻器、鑒頻/鑒相器都已經(jīng)有集成塊，許多公司都把 各種控制電路、程序分頻器、鑒頻/鑒相器等集成到一個集成塊上。典型的 鎖相集成塊有：qualcom

7、m 公司的 q32xx 系列、peregrine 公司的 pe32xx 系列、motorola 公司的 mc145xx 系列、富士通公司的 mb1xx 系列等，它 們都包括脈沖整形電路、鑒頻/鑒相電路、可編程分頻電路、n/n+ 1 雙模分 頻電路、控制電路、鎖定指示電路等，有些還包括晶振電路、壓控振蕩器電 路等。 dds 是 70 年代初期美國 j.tierney, c.m.radar，和 b.gold 等人首先完 成的，他們完成了直接數(shù)字式頻率綜合的理論基礎(chǔ)，到 1992 年 burr-brown 研制出 500mhz12bit dac，使得 dds 輸出頻率高達(dá) 100mhz。后來一批學(xué)

8、者在此基礎(chǔ)上完成了 dds 技術(shù)的研究。dds 有兩個明顯的優(yōu)勢，高分辨率 (微赫量級)和快捷變(納秒量級)，但是 dds 也有其致命的弱點就是它的輸出 雜散較大，最高輸出頻率受到限制。盡管如此 dds 技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)展對頻 率綜合已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。如采用 dds+pll 技術(shù)使得快捷變、低雜散 的頻率綜合的實現(xiàn)變得更加簡捷。 近幾年來，由于各種電子系統(tǒng)對頻率綜合的輸出頻率帶寬、頻率分辨率、 頻率轉(zhuǎn)換時間，以及頻譜的純凈度的要求越來越高，無論單獨采取那種頻率 綜合技術(shù)都難以滿足系統(tǒng)要求，這就要求采取幾種合成方式相結(jié)合，充分發(fā) 揮各自的優(yōu)勢。 這就是混合式的頻率合成方式。 1.3 鎖相環(huán)路的

9、工作特點 鎖相環(huán)路處于正常工作狀態(tài)時,有如下特點: 1.可以實現(xiàn)理想的頻率控制.由于鎖相環(huán)路包含一個固定的積分環(huán)節(jié),環(huán) 路輸出無剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在. 2.良好的窄帶濾波跟蹤特性.當(dāng)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(jìn)入環(huán)路,而絕大部分的干 擾會受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制,就相當(dāng)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)制跟蹤特性. 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,而是有環(huán)路信噪比決定,較高的環(huán)路信噪比可取的較低的門

10、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 設(shè)計任務(wù)與實現(xiàn)方案 要求以鎖相環(huán)（pll）為核心硬件，設(shè)計一個具有中心頻率可調(diào)的寬帶 調(diào)頻電路，提供硬件演示，提交設(shè)計報告和編程軟件. 主要設(shè)計指標(biāo)如下: 1.中心頻率:88mhz108mhz 可調(diào)整,步進(jìn)值 100khz; 這 段 標(biāo) 點 符 號 不 對 與 實 際 不 符 2.調(diào)頻帶寬：5075khz; 3.rf 發(fā)射功率處于 120mw 間即可，不做具體要求; 4.具有調(diào)制音頻入口; 5.提供中心頻率顯示和鍵盤預(yù)置功能; 為實現(xiàn)以上功能，準(zhǔn)備了以下兩個方案。由于間接式頻率合成器一般

11、采 用鎖相環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，已被應(yīng)用于大部分制造頻率合成器的場 合。本設(shè)計中的各項指標(biāo)用此種方法都可以實現(xiàn)，故準(zhǔn)備的兩種方案采用了 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)分別說明如下： 方案 1：使用大規(guī)模集成電路 mc145152 頻率合成器，前置分頻部分采 用 mc12017，壓控振蕩器采用 mc1648,對 mc145152 的置數(shù)可以簡單的采 用撥碼開關(guān)實現(xiàn)。 方案 2：使用大規(guī)模集成電路 mc145146 的頻率合成器，前置分頻部分 采用 mc12017，壓控振蕩器采用 mc1648,對 mc145146 的置數(shù)采用單片機 控制實現(xiàn)，并以單片機驅(qū)動數(shù)碼管來顯示中心頻率值。 和 mc145152 相

12、比，mc145146 由于只有 4 位數(shù)據(jù)總線輸入，所以其體 積更加小巧，功能更加強大， 以單片機來實現(xiàn)頻率的編輯也更加方便和直 觀。所以最后確定采用方案 2 來實現(xiàn)本設(shè)計。只要實現(xiàn)原理如下： 構(gòu)成鎖相環(huán)頻率合成器以產(chǎn)生所需載波頻率信號.其主要器件有集成芯 片 mc145146,lm358,mc1648,mc12017,電阻和電容若干以及變?nèi)荻O管 1sv101,振蕩線圈等.由變?nèi)荻O管和電感線圈構(gòu)成的 lc 振蕩電路與 mc1648 產(chǎn)生所需載波頻率，并用 mc12017 前置分頻。 選擇適當(dāng)?shù)木w振蕩器,通過 mc145146 進(jìn)行分頻,以產(chǎn)生所需要的步進(jìn) 值的頻率; 此處通過單片機控制

13、mc145146 實現(xiàn)中心頻率的控制和顯示。 最后,使用一個正相比例加法電路實現(xiàn)調(diào)頻信號的加入,即調(diào)制音頻入口. 實現(xiàn)的具體方案及各部分電路連接原理圖詳見第 2 章,第 3 章和第 4 章. 全電路原理總圖及 pcb 圖見附錄 a，b，c。 設(shè)計要求無此相 第 2 章鎖相頻率合成器的設(shè)計 2.1 鎖相頻率合成器 2.1.1 鎖相環(huán)路的基本組成 鎖相環(huán)路是由鑒相器（pd） 、環(huán)路濾波器（lf）和壓控振蕩器（vco） 組成的閉合環(huán)路，是一個相位誤差控制系統(tǒng)。 圖 2.1 所示為鎖相環(huán)路的相位模型 由圖 2.1 可直接得鎖相環(huán)路的基本方程 （21） t p pkkktttt efvdve sin 1

14、 11 式（21）為相位控制方程，它的物理意義是 （1）是鑒相器的輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的瞬時相位 t e 差； （2）稱控制相位差，它是通過鑒相器、環(huán)路 t p pkkk efvd sin 1 t e 濾波器逐級處理而得到的相位控制量； kdsin v (t) 1 (t) e (t) 圖210鑒相器的數(shù)字模型 kv p kf(p) uc(t) ud(t)v (t) 2-1 圖 2.1鑒相器的數(shù)學(xué)模型 用公式編輯器重新輸入 相位控制方程描述了環(huán)路相位的動態(tài)平衡關(guān)系，即在任何時刻，環(huán)路的 瞬時相位差和控制相位差之代數(shù)和等于輸入信號以相位為參考的瞬 t e t 0 時相位。 2.1.2

15、使用前置分頻器的鎖相頻率合成器的組成 基本鎖相頻率合成器中，vco 輸出頻率直接加到可編程分頻器上。各 種工藝的可編程分頻器都有一定的上限頻率，這就限制了這種合成器的最高 工作頻率。解決這個問題的方法之一是在可編程分頻器的前端加一個固定模 數(shù) v 的前置分頻器，如圖 2.2 所示。 圖 2.2使用前置分頻器的鎖相頻率合成器 晶 振 pdlpfvco 參考分頻器 程序分頻器 模數(shù)n控制 前置分頻器 fd fr f0=vnfr r n v ecl 或 caas 的固定模數(shù)分頻器可工作在 1ghz 以上，這就大大提高了合成 器的工作頻率。采用前置分頻器之后，合成器的輸出頻率為： （22） r vfn

16、f 0 工作頻率是提高了，但輸出頻率只能以增量變化。為了獲得與未加前置 r vf 分頻器時同樣的分辨力，參考頻率必須降為，這就是使頻率轉(zhuǎn)換時間vfr/ 延長到原來的倍，是十分不利的。 2.1.3 變模分頻鎖相頻率合成器 在不改變頻率分辨力的同時提高合成器輸出頻率的有效方法之一就是采 用變模分頻器（出稱吞脈沖技術(shù)） 。變模分頻器的工作速度雖不如固定模數(shù) 的前置分頻器那么快，但比可編成分頻器要快得多。圖 2.3 為采用雙模分頻 器的鎖相頻率合成器框圖。 圖 2.3雙模分頻鎖相頻率合成器 雙模分頻器有兩個分頻模數(shù)，當(dāng)模式控制為高電平時分頻模數(shù)為， 1v 當(dāng)模數(shù)控制為低電平時分頻模式為 v。變模分頻器

17、的輸出同時驅(qū)動兩個可編 晶 振 r n1 n2 pdlpf vco v/v+1 合成器集成電路 r f d f 0 f 程分頻器，它們分別預(yù)置在 n1和 n2，并進(jìn)行減法計數(shù)。在除 n1和除 n2分 頻器未計數(shù)到零時，模式控制為高電平，雙模分頻器輸出頻率為。 1/ 0 vf 在輸出個周期之后，除 n2分頻器到達(dá)零，將模式控制電平變?yōu)榈?1 2 vn 電平，同時通過除 n2分頻器前面的與門使其停止計數(shù)。此時，除 n1分頻器 還存在有 n1n2。由于受模式控制低電平的控制，雙模分頻器的分頻模數(shù) 變?yōu)?v，輸出頻率為。再經(jīng)個周期，除 n1計數(shù)器到達(dá)零，vf / 0 vnn 21 輸出低電平，將兩計數(shù)

18、器重新賦以它們的預(yù)置值 n1和 n2，同時對鑒相器輸 出比相脈沖，并將模式控制信號恢復(fù)到高電平。在這一完整的周期中，輸入 的周期為 （23） 若 v=10，則 d=10 n1+ n2 （24） 從上面的原理說明中可知，n1必須大于 n2。例如 n2從 0 到 9 變化，則 n1 至少為 10。由此得到小分頻比為 dmin=100；若 n1從 10 變化到 19，則可得 到最大分頻比為 dmin=199。 其他的雙模分頻比，例如 5/6、6/7、8/9 以及 100/101 也是常用的。若用 100/101 的雙模分頻器，那么 v=100 d=100 n1n2 （25）若選擇 n1099、n11

19、00199，則可得到 d1000019999 在這種采用變模分頻器的方案中也要用可編程分頻器，這時雙模分頻器 21 212 1 nvn vnnnvd 的工作頻率為合成器的工作頻率。而兩個可編程分頻器的工作頻率已降 0 f 為或。合成器的分辨力仍為參考頻率，這就在保持分辨vf / 0 1/ 0 vf r f 力的條件下提高了合成器的工作頻率。頻率轉(zhuǎn)換時間也未影響。 2.2基于 mc145146 的鎖相頻率合成器的設(shè)計 鎖相環(huán)路頻率合成器的設(shè)計主要包括：確定所需環(huán)路的類型、選擇適當(dāng) 的頻率間隔、指出所希望的穩(wěn)定度等。 構(gòu)成鎖相頻率合成器的主要器件有集成芯片 mc145146、lm358、mc164

20、8、mc12017、電阻、電容若干以及變?nèi)荻O 管、振蕩線圈等。 基于 mc145146 的鎖相環(huán)頻率合成器原理框圖如圖 2.4 所示。 圖 2.4基于 mc145146 的鎖相環(huán)頻率合成器原理框圖 2.2.1 頻率合成芯片 mc145146 及其外接部分的設(shè)計 mc145146 是 motorola 公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，他可用 4bit 輸入編寫程序，并配有選通和地址線，其內(nèi)部組成框圖如圖 2.5 所示。 步進(jìn)值對嗎？ 圖 2.5mc145146 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該芯片內(nèi)含參考頻率振蕩器、12 比特可編程序參考分頻器，數(shù)字相位檢測 器，10 比特可編程序除以 n 的計數(shù)器，7 比特除以

21、 a 的計數(shù)器，必要的為 接收 4 比特輸入數(shù)據(jù)用的鎖存電路。其中，10 比特除 n 計數(shù)器、7 比特除 a 計數(shù)器、模式控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成脈沖程序分頻器，吞脈 沖程序分頻器的總分頻比為：d=vn+a 。 mc145146 芯片的 dip 封裝的管腳排列如圖 2.6 所示。共有 20 個管腳， 各管腳功能如下： 圖 2.6mc145146 管腳分配圖 其中 d0d3（引腳 2，1，20，19）為數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng) st 處于高態(tài)時， 在這些輸入端的信息將轉(zhuǎn)移到內(nèi)部寄存器。d3 為最高位碼。 a0a1（引腳 9，10，11）為地址輸入端，其用于確定那個寄存器接 收數(shù)據(jù)線上的信息。它們和

22、 d0d3 以及寄存器的關(guān)系如 下： 引腳 7,8（oscin 、oscout）為參考振蕩端，當(dāng)兩引腳接上一個并聯(lián)諧振 晶體時，便組成一個參考頻率振蕩器。但在 oscin到地和 oscout到地之間一 般應(yīng)接上適當(dāng)容量的電容（一般為 15pf 左右） 。oscin也可作為外部參考信 號的輸入端，如圖 2.7 所示。 表表 21數(shù)據(jù)輸入與地址輸入的關(guān)系數(shù)據(jù)輸入與地址輸入的關(guān)系 a2a1a0寄存器功能d0d1d2d3 000latch0a bits0123 001latch1a bits456 010latch2n bits0123 011latch3n bits4567 100latch4n b

23、its89 101latch5r bits0123 110latch6r bits4567 111latch7r bits891011 圖 2.7晶體振蕩器的外接圖 引腳 3（fin）為輸入信號端，將輸入信號交流耦合到本引腳，對于振幅 較大的信號（根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的 cmos 邏輯電平）直流耦合也適用。 引腳 16，17（、）為鑒相器雙輸出端，用于輸出環(huán)路誤差信號。 v r 如果或的相位超前，則變?yōu)榈碗娖蕉詾楦撸蝗绻?rv ff v f r f v r 或者的相位滯后，則跳為低電平而保持為高；如果 v f r f v f r f v r v f 并與同相，則和保持高電平，僅在一個很短的時間內(nèi)二者同時

24、 r f v f r f v r 為低電平。 引腳 14（mc）為模式控制端，輸出的模式控制信號加到雙模分頻器即 可實現(xiàn)模式變換。在一個計數(shù)周期開始時， “mc”處于低電平，一直到 a 下行計滿它的編程值為止，然后， “mc”跳為高電平，并一直維持到除 n 計數(shù)器下行計滿編程的剩余值（na） 。n 計數(shù)器計滿量后， “mc”復(fù)位為 低，兩個計數(shù)器重新預(yù)置到各自的編程值上，再重復(fù)上述過程。 引腳 13（ld）為鎖定檢測端，用于鎖定輸出信號。當(dāng)環(huán)路鎖定時（即 rf r1 oscinoscout c1c2 與同頻同相） ，該信號為高電平；當(dāng)環(huán)路失鎖時，ld 為低電平。 v r 2.2.2 環(huán)路濾波器

25、的設(shè)計 環(huán)路濾波器的作用在于濾除鑒相輸出的高頻分量和其他的雜散干擾，該 電路設(shè)計的合理與否將直接影響頻率合成的性能指標(biāo)。 目前，宜于集成的鑒相器主要有兩種類型：一種是模擬乘法器，另一種 是數(shù)字比相器。mc145146 中的鑒相器采用后者。但是，由于數(shù)字比相器輸 出的相位誤差信號是數(shù)字邏輯信號，無法經(jīng)低通濾波器控制壓控振蕩器。因 此，必須在鑒相器與低通濾波之間加一個電荷泵。電荷泵的作用是將數(shù)字邏 輯信號變換成模擬量。然后再用該模擬量控制作為低通濾波器的放大電路對 積分電路進(jìn)行充放電，最終在壓控振蕩器之前形成控制電壓。 用運算放大器組成的低通濾波器已具備電荷泵的功能，如圖 2.8 所示。 圖 2.

26、8低通濾波器設(shè)計圖 低通濾波器中的運算放大器采用 lm358 芯片，其管腳分配如圖 2.9 所 示，其中有兩片運算放大器，正好還為合號器部分預(yù)留一片運放。其工作電 壓在 332v 之間可調(diào)。 r2 r1 r v r3 c r4 vco r2 c - + a c r1 圖 2.9lm358 管腳分配圖 2.2.3 壓控振蕩器的設(shè)計 經(jīng)低通濾波器輸出的控制信號直接送入壓控振蕩器。 集成的壓控振蕩器電路形式很多，常用的有積分施密特電路型、射極 耦合多諧振蕩器、變?nèi)荻O管調(diào)諧 lc 振蕩器和數(shù)字門電路型等幾種。輸出 波形一般是矩形波，但在某些集成壓控振蕩器中也可同時輸出三角波、正弦 波或鋸齒波。本電路

27、為今后功能擴(kuò)展的需要，采用了能輸出正弦波的變?nèi)莨?調(diào)諧。 motorola 公司生產(chǎn)的 mc1648 符合設(shè)計的要求。其 14 腳 dip 封裝 的管腳分配圖如圖 2.10 所示。 7654321 141312111098 vccncoutncagcncvee vccveencncnctankbias 圖 2.10mc1648 的管腳分配圖 其工作電壓為5v，由于電路采用 ecl 工藝，所以最高輸出頻率可達(dá) 225mhz。為了獲得更好的控制特性，壓控振蕩器外部元件接法采用如圖 2.11 所示方案。 圖 2.11變?nèi)荻O管的外接方法 兩個變?nèi)荻O管兩兩對接，可以獲得雙兩變?nèi)莨艽痈玫念l率穩(wěn)定度

28、。 這是由于變這線性特性相相互抵消的結(jié)果。 2.2.4 前置分頻器的設(shè)計 從壓控振蕩器出來的信號由于頻率很高不能與頻率合成器直接相連，必 首選經(jīng)過前置分頻器降低頻率。本設(shè)計前置分頻器采用 motorola 公司 生產(chǎn)的雙模分頻器 mc12017，其引腳分配如圖 2.12 所示： in v d1 10 5 mc1648 3 out f d4d3 d2 l 12 圖 2.12mc12017 的管腳分配圖 當(dāng)模式控制輸入端為高電平時，分頻比為 64；當(dāng)模式控制輸入端為低電 平時，分頻比為 65；7 腳加 5.010%v 或 8 腳接 5.59.5v 電壓時可正常工 作，最高工作頻率為 225mhz。

29、 前置分頻器的輸出信號頻率已經(jīng)在頻率合成器的允許范圍內(nèi)，雙模前置 分頻器與頻率合成器片內(nèi)可編程計數(shù)器配合使用，實現(xiàn)雙模分頻的過程。其 分頻原理在前面已經(jīng)敘述，在此不在重復(fù)。 2.3 本設(shè)計中參數(shù)的確定 （1） 確定參考頻率 r f mc145146 中的參考頻率分頻器為 12 位計數(shù)器。根據(jù)設(shè)計要求可調(diào)步 進(jìn)值為 100khz，外部使用已提供的 10.24mhz 的晶振。則分頻比為 10.24m100k=102.4。由于小數(shù)部分無法置入，造成置數(shù)誤差。同樣 f0/fr若 除不盡也會在 n,a 置數(shù)時產(chǎn)生誤差。若選擇分頻比為 512，這樣步進(jìn)值為 20khz,在 n,a 置數(shù)時均5 則可實現(xiàn) 1

30、00khz 步進(jìn)且理論上無誤差。故 n/n+1 voltage regulator 2 3 output output contro input signal input signal gnd vreg vcc 0.1uf 0.1uf 0.1uf 1 5 6 7 8 =0.02mhz。 r f （2） 確定總分頻比范圍 根據(jù)調(diào)頻的范圍 88108mhz，由式， r nmff 0 得 0 r f n f 由此可確定程序分頻器的分頻比為： nmin =88/0.02=4400 nmax =108/0.02=5400 取均方值4874minmaxnmean=n n= （3） 確定鎖相環(huán)路參數(shù)和n 鎖

31、定環(huán)路阻尼系數(shù)較大時，環(huán)路低通特性變差，對濾除 fr不利， 直 接影響環(huán)路等效噪聲帶寬。太小，瞬時特性有較大過沖，捕捉時間過長， 兼顧這兩個因素通常取=0.707 環(huán)路自然角頻率n對環(huán)路捕捉時間和等效噪聲帶寬都有很大的影響。 為增強對r的濾除能力，應(yīng)使nr ，在這里 mc145146 的用戶手 冊中已提供推薦的n公式： n=12560rad/s= 10 r2f （4） 選擇壓控振蕩器 采用 mc1648 外接變?nèi)荻O管和電感組成的 lc 振蕩電路的方式，由環(huán) 路濾波器輸出端也就是將來調(diào)制信號輸入電壓控制電路的振蕩頻率。經(jīng)初步 測試，控制電壓在 0.3v4.4v 間變化時，其振蕩頻率范圍為 56

32、.5mhz110mhz,具體數(shù)據(jù)見表 2-2。壓控特性曲線見圖 2.13。 表表 2.2振蕩實驗數(shù)據(jù)表振蕩實驗數(shù)據(jù)表 電壓 (v) 0.8511.21.41.61.92.22.633.544.5 按設(shè)計要求重新計算 頻率 (mhz) 596063707580859095100105110 55 65 75 85 95 105 115 0.45 0.8511.21.41.61.92.22.633.544.5 電壓(v) 頻率（mhz） 圖 2.13壓控特性曲線 故壓控靈敏度： 6 22(11080) 10 75.36rad/s v 4.4 1.9 vco v vco f k v 選用變?nèi)荻O管，

33、從手冊可知，由 mc1648 輸入電容 6pf,寄生電容 2pf.故 cs=8pf. 根據(jù) 1sv101 指標(biāo)可知：當(dāng) v-r=3v 時，=1214pf.dminc 當(dāng) v-r=9v 時，=2832pf.dmaxc 由，可得 l=0.1h 時， s ccl f 0 2 1 fmax110mhz，fmin80mhz?；緷M足設(shè)計要求，細(xì)微調(diào)整在實驗中進(jìn)行。 （6）片內(nèi)鑒相靈敏度 0.8v/rad 2 dd d v k （7）確定環(huán)路濾波器參數(shù) 由和 c1=0.047可知：n 11 = vd mean kk nr c f 取標(biāo)稱值 1.61 262 1 75.36 0.8 1.67k 4876 0

34、.047 1012560 vd meann kk r nc k 由 可得21 1 2 nr c2 6 1 22 0.707 2.4k 12560 0.047 10n r c 由于 mc145146 的用戶手冊中典型設(shè)計=1，當(dāng)=1 時=3.4故在此取2rk 中間標(biāo)稱值 2.7。k 2.5 本章小結(jié) 本章主要基于本次畢業(yè)設(shè)計的題目討論了基于 mc145146 的頻率合成器 的設(shè)計，根據(jù)鎖相環(huán)的組成分別討論了壓控振蕩器，前置分頻器，低通濾波 器的選件和周邊電路的設(shè)計，并且介紹了主要器件的功能和用法。 可以刪處 第 3 章 單片機控制部分 3.1 單片機控制的原理 由于頻率合成器件選用的 mc145

35、146 是一塊用 4bits 數(shù)據(jù)總線輸入方式 置定的頻率合成電路,所以必須嚴(yán)格按照表 21 數(shù)據(jù)輸入與地址輸入的關(guān)系 來置數(shù)。如果采用撥碼開關(guān)置數(shù)，由于芯片只有四位數(shù)據(jù)總線，有不同的地 址來控制當(dāng)前的置數(shù)位數(shù)，所以必須經(jīng)過比較麻煩的運算轉(zhuǎn)換才能得到想要 得置數(shù)值，而且 st 端也需要有一個脈沖來把數(shù)從鎖存器中置入芯片，手動 撥碼容易造成抖動等因素而造成置數(shù)錯誤。故采用單片機來控制芯片的頻率 編輯部分。由單片機計算出需要置的數(shù)據(jù)和地址值，并輸出到輸出口。用七 位總線分別和 mc145146 的 4 位數(shù)據(jù)、3 位地址總線相連接，一位總線和 st 端相連并在置數(shù)時給一個脈沖。這樣就可以完成一次置

36、數(shù)，即一次頻率 的編輯。而還可以用數(shù)碼管來顯示當(dāng)前輸入的中心頻率值。這樣更加直觀和 方便,操作者不需了解數(shù)據(jù)輸入與地址輸入的關(guān)系即可方便，快速，準(zhǔn)確地 將所需頻率值置入。 在這里我選用的是 at89c51 單片機，at89c51 是一種低功耗，高性能 的片內(nèi)含有 4kb 快閃可編程/擦除只讀存儲器的 8 位 coms 微控制器，使用高 密度，非易失存儲技術(shù)制造，并且與 80c51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片 上的 fperom 允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復(fù)編 程。at89c51（以下簡稱 89c51）將具有多種功能的 8 位 cpu 與 fperom 結(jié)合 在一個芯片

37、上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又便宜的方案，其 性能價格比遠(yuǎn)高于 8751。由于片內(nèi)帶 eprom 的 87c51 價格偏高，而片內(nèi)帶 fperom 的 89c51 價格低且與 intel80c51 兼容，這就顯示出了 89c51 的優(yōu)越 性。 at89c2051 是一種帶 2k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。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(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51 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 at89c51 是一種高效微

38、控制器，at89c2051 是它的一種精簡版本。at89c 單 片機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。 本實驗中控制顯示部分使用了已做好的一塊單片機通用實驗系統(tǒng)板，板 上有 6 位數(shù)碼管 led0led5 和 6 位按鍵開關(guān) pb0pb5?？梢杂糜谥行?頻率的顯示以及頻率的編輯。各位的功能分配如表 5-1 所示。 表表 4-1數(shù)碼管和按鍵功能分配表數(shù)碼管和按鍵功能分配表 數(shù)碼管顯示內(nèi)容按鍵功能 led0fpb0編輯/取消 led1百兆位pb1百兆位編輯 led2十兆位pb2十兆位編輯 led3兆位pb3兆位編輯 led40.1 兆位pb40.1 兆位編輯 led5pb5確定

39、單片機引腳圖？鍵盤和顯示接口？ 3.2 單片機控制部分主要程序模塊的處理流程圖 1主函數(shù)流程 main( ) 2.定時器中斷處理函數(shù)流程圖 系統(tǒng)復(fù)位 初始化定時器 1ms 中斷一次 初始化 mc145146 是 k1 按下 等待一個按鍵 調(diào)用頻率編輯函數(shù) 定時器中斷 重置計數(shù)值 系統(tǒng)時間加 1 毫秒 調(diào)用一次顯示驅(qū)動函數(shù) 調(diào)用一次鍵盤驅(qū)動函數(shù) 中斷返回 3.頻率編輯函數(shù)流程圖 4初始化 mc145146 流程圖 5.設(shè)置分頻比 n,a 的流程圖 保存原來的頻率值 等待一個按鍵 轉(zhuǎn)/取消編輯 百兆位加一 十兆位加一 兆位加一 0.1 兆位加一 調(diào)頻率設(shè)置函數(shù) 成功？ 返回 恢復(fù)顯示原來的頻率值

40、返回 y n 數(shù)碼管顯示初始頻率 100mhz 設(shè)置 mc145146 參考頻率為 20khz 設(shè)置 mc145146 的分頻比 n,a 返回 根據(jù)數(shù)碼管顯示的數(shù)值計算頻率值 超出范圍 返回 0 y n k1k3k2k5k4k6 判斷哪個按鍵按下 6.單片機和 mc145146 的連接圖 3.3 本章小結(jié) 本章主要闡述了系統(tǒng)的控制及顯示部分的設(shè)計，給出了設(shè)計流程及各部分的功能實 現(xiàn)流程圖，并畫出了控制電路與主系統(tǒng)的連接圖。 結(jié) 論 本設(shè)計在實現(xiàn)頻率合成過程中,采用了鎖相式頻率合成器,它是目前應(yīng)用 最廣泛的一種頻率合成技術(shù).只要讓環(huán)路有適當(dāng)寬度的低頻通帶，壓控振蕩 器輸出信號的頻率與相位就能跟蹤

41、輸入調(diào)頻或調(diào)相信號的頻率與相位的變化。 它具有的窄帶濾波特性能很好的選擇所需頻率,同時能夠把 lc 壓控振蕩器較 高的短期頻率穩(wěn)定度和晶體振蕩器較高的長期頻率穩(wěn)定度結(jié)合起來,使輸出 計算 n,a 將 n,a 寫入 mc145146 返回 1 at89c51 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 p0.4 p0.5 p0.6 p1.5 mc145146 d0 d1 d2 d3 a0 a1 a2 st p0.2 p0.1 p0.0 p0.4 p0.5 p0.6 p1.5 的調(diào)制信號頻率穩(wěn)定性在一個理想的范圍內(nèi).同時鎖相環(huán)路用在調(diào)頻電路中, 其中的壓控振蕩器輸出頻率可以跟蹤輸入信號的瞬時變化,具有良好的調(diào)制 跟蹤性能，環(huán)路可以在保持窄帶特性的情況下跟作輸入載波頻率的漂移。最 后,采用鎖相環(huán)制作的調(diào)頻電路體積小非常方便集成。軟件方面用一塊單片 機實驗系統(tǒng)板來實現(xiàn)頻率的編輯和中心頻率的顯示，比起原來的撥碼開關(guān)設(shè) 計更加方便直觀，置數(shù)更加快速，準(zhǔn)確。但是由于本人水平有限，又是第一 次比較系統(tǒng)的設(shè)計整個電路，難免會出錯。在實驗中我也遇到了不少的問題， 有一些問題通過我的努力解決了，而另外一些問題始終沒有處理好，比如輸 出波形的純度方面等