【正文】 1 引言隨著通信技術(shù)、數(shù)字電視、航空航天和遙控技術(shù)的不斷發(fā)展，對頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率數(shù)量的要求也越來越高。為了提高頻率的穩(wěn)定度，經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它很難產(chǎn)生多個頻率信號。而頻率合成技術(shù)，可以通過對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，從一個高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)信號源，產(chǎn)生大量具有同樣高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是從一個參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的器件?；陬l率合成器的這以一特點(diǎn)，利用鎖相式頻率合成技術(shù)，可以制作高穩(wěn)定度、寬頻帶的正弦波信號發(fā)生器。2 設(shè)計(jì)要求利用鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生一個失真度小、頻率從30MHz到100MHz的可調(diào)的正弦波信號。根據(jù)頻率的不同選擇不同步進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。當(dāng)信號處于較低頻率時(shí)，選擇步進(jìn)為1KHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率，%；當(dāng)信號在較高的頻率段時(shí)，選擇以25 KHz為標(biāo)準(zhǔn)頻率，它的最小誤差不大于0. 5%。3方案論證與比較 壓控振蕩器方案論證與選擇 方案1：采用分立元件構(gòu)成。利用低噪聲場效應(yīng)管，用單個變?nèi)荻O管直接接入振蕩回路作為壓控器件。圖31 壓控振蕩電路電路是電容三點(diǎn)式振蕩器，如圖31所示。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是調(diào)試?yán)щy，而且輸出頻率不易靈活控制[1]。方案2：采用壓控振蕩器和變?nèi)荻O管，及一個LC諧振回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，便可改變壓控振蕩的輸出頻率。由于采用了集成芯片，電路設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)可以使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。綜上所述，方案2具有更優(yōu)良的物性和更簡單的電路構(gòu)成，所以使用方案2作為本次設(shè)計(jì)的方案。 頻率合成器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 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)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列頻率,然后再對這些頻率進(jìn)行倍頻、分頻或混頻，獲得大量的離散頻率。其組成框圖如32所示。直接式頻率合成器頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率間隔小。但系統(tǒng)中需要用大量的混頻器、濾波器等，體積大，易產(chǎn)生過多雜散分量，而且成本高、安裝調(diào)試都比較困難。晶振諧波發(fā)生器分頻器倍頻器混頻器fOut2fOut3fOut1圖32 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的頻率降低，與參考頻率進(jìn)行鑒相。優(yōu)點(diǎn)：可以得到任意小的頻率間隔；鑒相器的工作頻率不高，頻率變化范圍不大，較容易實(shí)現(xiàn)，帶內(nèi)帶外噪聲和鎖定時(shí)間易于處理，頻率穩(wěn)定度與參考晶振的頻率穩(wěn)定度相同。缺點(diǎn)是分頻率的提高要通過增加循環(huán)次數(shù)來實(shí)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（247。N）和壓控振蕩器（VCO）組成。組成框圖如圖51所示。利用鎖相環(huán)，將VCO的輸出頻率鎖定在所需頻率上。此電路可以很好地選擇所需頻率信號，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，與前兩種方案相比可以簡化頻率合成部分的設(shè)計(jì)，有利于集成化和小型化。頻率合成采用大規(guī)模集成PLL芯片BU2614，VCO選用MC1648； 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)字鎖相環(huán)式頻率合成器。4 系統(tǒng)組成根據(jù)要求設(shè)計(jì)信號發(fā)生器，輸出信號為正弦波。設(shè)計(jì)中采用鎖相環(huán)式的頻率合成技術(shù)，利用鎖相環(huán)，使輸出的正弦波頻率與晶體振蕩器的穩(wěn)定度一樣。控制部分采用單片機(jī)來完成，利用數(shù)碼管對頻率進(jìn)行顯示并對頻率值進(jìn)行存儲。系統(tǒng)框圖如圖41所示數(shù)碼顯示頻率AT89C51頻率合成器BU2614低通濾波器壓控振蕩器鍵盤控制頻率測量電路輸出存儲電路圖41系統(tǒng)框圖5 鎖相環(huán)介紹 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(zhǔn)頻率的整數(shù)倍頻率一致時(shí)所使用的電路。通?；鶞?zhǔn)振蕩器都使用晶體振蕩器，所以高頻振蕩的頻率穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。 鎖相環(huán)基本框圖圖51是鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)圖，由VCO、相位比較器、基準(zhǔn)頻率振蕩器、環(huán)路濾波器所組成的。在這里用表示基準(zhǔn)頻率振蕩器頻率，則表示VCO的頻率。當(dāng)壓控振蕩器的頻率由于某種原因而發(fā)生變化時(shí)，必然相應(yīng)地產(chǎn)生相位的變化。相位利用低通濾波器把誤差信號變成直流電壓比較與從而產(chǎn)生誤差信號PD鑒相器（PD）VCO（電壓控制振蕩器）環(huán)路濾波器基準(zhǔn)振蕩頻率振蕩頻率隨VR而變化Ud(t)υC(t)UR(t)0 圖51 PLL的基本結(jié)構(gòu)圖的變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位相比較，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(shí)頻率與瞬時(shí)相位的關(guān)系是：ω（t）= ()= + ()式中的為初始相位，為瞬時(shí)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： ()為參考晶體振蕩器的頻率， 壓控蕩頻率。此時(shí)的瞬時(shí)相位差為=　　　　+ ()當(dāng)兩個振蕩器的頻率相等時(shí)它們的瞬時(shí)相位差是一個常數(shù)，即：= ()Δω（t）= =0 ()亦即當(dāng)兩個振蕩頻率相等時(shí)，有相位差，無頻率差[3]。 鑒相器的時(shí)序圖當(dāng)與 的關(guān)系為。也就是VCO振蕩頻率低于時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)相位比較器的輸出PD，如圖52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)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，便可圖52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=在與的相位成為一致時(shí)，PD端子會成為高阻抗?fàn)顟B(tài)，使PLL被鎖定(Lock)。 捕捉帶與通頻帶壓控振蕩器本來處于失鎖狀態(tài)時(shí)，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(jìn)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(shí)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(jì) 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壒埽碾娙萘渴艿捷斎腚妷旱目刂?，?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(shí)是一種電壓——頻率變換器。它的特性可用瞬時(shí)振蕩頻率與控制電壓υC之間的關(guān)系曲線來表示，如圖61所示。圖上的中心頻率是在沒有外加控制電壓時(shí)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) () Kr是特性曲線的斜率，稱為VCO的增益或靈敏度，量綱為rad/,它表示單位電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小。ω0OυC 圖61 壓控振蕩器的特性曲線 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62所示。壓控振蕩電路由芯片內(nèi)部QQQQQ7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： （）（） 、分別為電感、電容大小，為變?nèi)荻O管的電容量。圖62 MC1648內(nèi)部原理圖 壓控振蕩電路設(shè)計(jì)圖63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D63 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[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。 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(shí)，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(shí)，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CVD和外加反向偏壓UR的關(guān)系可用下式表示。（） UR 是加在變?nèi)荻O管的反向電壓，CVD0為UR=0時(shí) 的結(jié)電容U0 是接觸電位差；n是電容變化系數(shù)。⑵ 電感切換電路為了擴(kuò)大頻率的帶寬，通過切換電源來切換電感。圖64是開關(guān)二級管切換頻段電路圖。當(dāng)開S連接+5V時(shí)，開關(guān)二級管VD2截止，電感L1和L2相加，電感量較大，對應(yīng)于低頻段VL；當(dāng)S接向地時(shí)，VD2導(dǎo)通，L2被大電容2000pF短接，電感只剩下L1，電感量較小，對應(yīng)于高頻段 [7]。圖64 電感切換電路 鎖相環(huán)式頻率合成器的設(shè)計(jì) BU2614的管腳圖與內(nèi)部組成BU2614為16管腳芯片，其管腳圖如圖65所示。管腳Xout與Xin為外接晶振管腳，一般接75KHz晶體，主要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)鐘信號；CE、CLK和DA端分別為使能、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入端，PD為相位比較輸出。圖65 BU2614管腳圖BU2614是一種串行碼輸入的鎖相頻率合成器，它采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總路線結(jié)構(gòu)，可以工作在整個FM波段，具有低噪聲、低功耗、高靈敏度的特點(diǎn)，并具有中頻檢測功能。BU2614內(nèi)部主要有相位比較器PD、可編程分頻器、參考分頻器、高穩(wěn)定晶體振蕩器及內(nèi)部控制器組成。當(dāng)單片機(jī)對BU2614送入一組數(shù)據(jù)， BU2614把接收到的數(shù)據(jù)與接收的信號頻率進(jìn)行比較后輸出一個PD，該P(yáng)D信號通過外部環(huán)路低通濾波后加在VCO上，通過VD的不斷調(diào)整使VCO振蕩頻率鎖定在與單片機(jī)送入數(shù)據(jù)相對應(yīng)的頻率上，實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，移位鎖存器作用是把單片機(jī)送來的32位串行數(shù)據(jù)送入鎖存器后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，其中16位控制可編程分頻器，3位控制參考分頻器，其余為內(nèi)部控制字?？删幊谭诸l器按照16位數(shù)據(jù)的控制要求，把 focs振蕩頻率信號經(jīng)過參考分頻之后的頻率信號fd與fr在PD中進(jìn)行比較，當(dāng) fd不等于fr時(shí)由PD輸出電壓VD控制VCO，使 focs穩(wěn)定在確定頻率上。參考分頻器通過狀態(tài)字中R 0、RR2三位數(shù)據(jù)把高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的75kHz標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻。可輸出4個固定頻率fr。PD把 fr和fd進(jìn)行鑒相比較，PD的輸出為高電平，低電平及高阻三態(tài)輸出，通過外部LF實(shí)現(xiàn)鎖相。 輸入、輸出數(shù)據(jù)形式BU2614的串行數(shù)據(jù)輸入靠CE、CLK和DA三個端子完成。時(shí)鐘信號、數(shù)據(jù)信號和使能信號邏輯關(guān)系如圖66所示。其中T1應(yīng)大于15μs， T2大于2μs，時(shí)鐘寬度應(yīng)大于1μs。數(shù)據(jù)和狀態(tài)字共32位，從低位到高位依次排列為：D0、D1……D 15 、圖66 CLK、DATA、CE的邏輯關(guān)系P0、PP2 、*、*、*、*、CT、R0、RR S、PS、*、GT、TS。其中D0到D 1表示可變分頻比的16位二進(jìn)制數(shù)；*表示與控制不相關(guān)的位，可為1 或0；參考分頻器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率由R0、RR2三位數(shù)據(jù)控制，控制關(guān)系如表61所示。表61 R0、RR2與標(biāo)準(zhǔn)頻率的關(guān)系 R0 R1 R2 標(biāo)準(zhǔn)頻率 000 25KHz 0 11 KHz 1 0 0 KHz 1 1 0 1 KHz 111*PLL關(guān)閉P0、PP2為輸出口控制數(shù)據(jù)，可使輸出通道打開或關(guān)閉。置0時(shí)為通道打開。S和PS可用于收音