【正文】 簡單易集成、易編程等特點(diǎn)。 晶振 R 分頻器 鑒相器 PD 環(huán)路濾波器L P F壓控振蕩器V CO數(shù)據(jù)寄存器 N 分頻器控制數(shù)據(jù)θ i θ oθ eθ O ` 圖 23 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(xué)模型或基本方程就可以獲得環(huán)路的完整性能。根據(jù)圖 23，設(shè)θ i 為晶振經(jīng) R分頻器分頻之后的相位 ,θ o為 VCO 輸出相位， 為 VCO 經(jīng) N 分頻器分頻之后的相位，θ 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) (22) (2) 開環(huán)傳遞函數(shù) (23) 其中 G(s) = KPDKVCOF(s)/ s 稱做前向傳遞函數(shù) , 9 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(jì) 鎖相頻率合成系統(tǒng)的簡介 本系統(tǒng)由單片機(jī)控制、頻率合成及壓控 LC 振蕩模塊組成，系統(tǒng)方框圖如圖 31 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(jī)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給數(shù)碼管顯示讀數(shù)。 10 晶 振 參考分頻 PD LF VCO除以 N單片機(jī)控制數(shù)碼顯示鍵盤輸入f r f o = Nf r 圖 31 系統(tǒng)方框圖 模塊說明： （ 1）單片機(jī)模塊。包含單片機(jī)、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(jī)輸出相對應(yīng)的信息到頻率合成模塊，進(jìn)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(jī)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(gè)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(jìn)行鎖定和合成，合成頻率又經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行環(huán)路參數(shù)調(diào)整再輸出到壓控振蕩器，這時(shí)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，在這過程中加入單片機(jī)傳輸 串行碼來控制該集成模塊的分頻比。 方案的選擇 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(gè)放大器（ ）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(jì)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(diǎn)是工作頻率高，占用單片機(jī)的外圍接口不多，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)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 MC1451512。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(gè)可編程序分頻器、一個(gè)鑒相器和鎖定檢測器。參考分頻器帶有 12 位計(jì)數(shù)器，參考分頻比通過三個(gè)輸入端控制的存儲(chǔ) 11 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(dú)立 VCO 便能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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(jī)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)字頻率合成技術(shù)使輸出頻率準(zhǔn)確和穩(wěn)定，頻率分辨率為基準(zhǔn)頻率 10Hz 或 1kHz；由于晶體振蕩器具有很好的長期時(shí)間穩(wěn)定性，鎖相環(huán)具有很好的短期時(shí)間穩(wěn)定性，兩者相結(jié)合可在設(shè)計(jì)要求的頻率范圍 100Hz～ 16383kHz 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(diǎn)。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 ％。對于小型通用信 號產(chǎn)生器而言，這是一個(gè)比較理想的設(shè)計(jì)方案。 考慮到實(shí)際情況，我們選擇了第三個(gè)方案即采用 MC1451512。 MC1451512 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，其中 MC145151P2 為 28 腳雙列直插式封裝， MC145151DW2 為 28 腳雙列直插式封裝， MC145151DW2 為 28 腳貼片封裝，MC145151FN2 為 28 腳貼片式環(huán)形封裝。 單片機(jī)部分的選擇 由于眾多單片機(jī)里， 8051 系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，且可以實(shí)現(xiàn)多種功能，價(jià)格也比較合理，單片機(jī)語言也主要是匯編語言，故選擇 51 系列單片機(jī)作為系統(tǒng)所用單片機(jī)。 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(dòng)顯示部分另外編程，而且價(jià)格便宜，但是顯示的內(nèi)容有限，另外就是不夠美觀。 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(jī)中輸出的 IO 口即可，方法也較為成熟， 需要為驅(qū)動(dòng)顯示部分另外編程，而且價(jià)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。 鎖相環(huán)路功能模塊電路的設(shè)計(jì) 壓控振蕩電路 結(jié)合指標(biāo)要求，采用改進(jìn)型高穩(wěn)定度電容三點(diǎn)式的克拉波電路，見附圖 1。 由于電容三點(diǎn)式的克拉波的高穩(wěn)定性， 電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路所示 , 12 其結(jié)構(gòu)與電感三點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是 振蕩頻率可做得較高 ,一般可達(dá)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(diǎn)是頻率調(diào)節(jié)不便 ,這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)電容來改變頻率時(shí) ,(既使 C 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(yùn)放構(gòu)成的電容三點(diǎn)式振蕩電路 。 在反饋電壓高影響變?nèi)荻O管的電容值時(shí)，不會(huì)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： )(2 1 111 DCCLf ?? ?, （ 41） 因此只要用鎖相環(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(diǎn)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=2235P， Cj/Cj2=10，以 f=1/(2π * (LC )1/2)估算，壓控范圍可以過題目所求的 3638MHz。振蕩管選用 C1906。其參數(shù)為 V（ BR） CBO=30V， Icm=，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(jìn)行高低頻濾波。同時(shí)在布板的時(shí)候考慮到級間電容等因素的影響，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(gè) 50pF 的補(bǔ)償電容，將會(huì)使振蕩頻率更加的穩(wěn)定。 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(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進(jìn)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(gè)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(diǎn)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而變化；調(diào)頻波的特點(diǎn)是幅度與載 13 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(diǎn)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 MC1451512 該集成芯片帶單模預(yù)置計(jì)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(jì)數(shù)器和 R 計(jì)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(jì)數(shù)器。 MC1451512 是 MC1451511 的改進(jìn) 型 產(chǎn)品，集成可以利用247。 N 計(jì)數(shù)器的輸出，單模并行編程。用戶可以選擇的 8 個(gè)247。 R 值： 8， 128， 256， 512， 1024， 2048， 4096， 8192，247。 N 選擇范圍＝ 3～ 16383。 在其內(nèi)部“線性化”的數(shù)字頻率相位檢測器能改進(jìn)傳輸函數(shù)的線性度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 32。 圖 32 MC1451512 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MC1451512 引腳如圖 33。 : （ 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(qiáng)的信號（標(biāo)準(zhǔn) CMOS 邏輯電平），直流耦合也是適用的。 （ 2） RA0RA2 為參考分頻器地址輸入，這三個(gè)輸入組成了一種碼 ，它可以為整個(gè)參考分頻器商定 8 個(gè)分頻值之一，這些地址碼如下表所示。 表 31 地址碼 基準(zhǔn)地址碼 總除數(shù) RA1 RA2 RA0 0 0 0 8 0 0 1 128 0 1 0 256 0 1 1 512 1 0 0 1024 1 0 1 2048 14 圖 33 MC1451512芯片 （ 3） N0N11 為 N 計(jì)數(shù)器的編程輸入，當(dāng)除 N 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)為零 時(shí)，這些輸入端供給預(yù)調(diào)計(jì)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(shí)停留在邏輯“ 1”，而只需要一個(gè) 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(dāng)這些引腳聯(lián)到外部并聯(lián)諧振晶體的端子時(shí)，它們可以組成一個(gè)在片內(nèi)參考振蕩器。適當(dāng)數(shù)值的調(diào)頻電容必須從 OSCin 和OSCout 連到