【正文】 出信號與參考信號達(dá)到同頻。第二部分主要介紹了整體設(shè)計(jì)方案。最后給出結(jié)論并對課題未來的發(fā)展做出了展望。負(fù)阻集成 LCVCO 由于具有工作頻率高、波形好、頻穩(wěn)度高、相位噪聲低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn) ,適于作為甚高頻和特高頻 VCO。 晶振 鑒相器 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器 （ MC1648） 可編程 分頻器 高 速分頻 （ MC12022） 頻率計(jì) 控制器 液晶顯示 鍵盤 頻率輸出 單片機(jī) MC1451522 AGC 圖 21 高頻信號源系統(tǒng)框圖 4 3 鎖相環(huán)及頻率合成器 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)及基本原理 鎖相環(huán) PLL 是一個相位跟蹤系統(tǒng)。 若參考信號是未調(diào)載波時， ?? 1)( ?? tr 常數(shù)。壓控振蕩器受控制電壓 )(tcu 的控 制， )(tcu 使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。 鎖相環(huán)路的各部件及其數(shù)學(xué)模型 鎖相環(huán)原理圖如 32所示： 圖 32 鎖相環(huán)原理圖 鑒相器 鑒相器 PD 又稱相位比較器，它是用來比較兩個輸出信號之間的相位差 )(te? 。 圖 33 是正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型圖 34 是正弦鑒相器的鑒相特性。它是一個線性系統(tǒng) 【 3】 。當(dāng)運(yùn)放器開環(huán)電壓增益 A為有限值時，他的傳遞函數(shù)為 （ 38) 式中 CRCRARR 22211 )( ?????? 由圖 35 可見，它也具有低通特性與比例作用。－ 6 d B / 倍頻程( a )/176。上式就是壓 控振蕩器相位控制的模型，若對上式進(jìn)行拉氏變換，可得到在復(fù)域的表示式為 suK cs 0)(2 ?? (311) 圖 36 為其數(shù)學(xué)模型，其中 （ a） 為其時域模型， （ b） 為復(fù)頻域模型。由上圖可以得出鎖相環(huán)路的基本方程。頻率合成器的使用場合不同，對它的要求也不盡相同。在頻率合成器中 ,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決101 0 0( ) ( )() rrrttpt? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ?00( ) si n ( ) ( )e d ep t K U t F p? ? ?? ? ?000()( ) ( )vr v r v? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?1 0 1( ) ( ) si n ( ) ( ) ( ) si n ( ) ( )e d e ep t p t K U t F p p t K t F p? ? ? ? ?? ? ? ?00( ) si n [ ] si n [ ( )r r r r r r ru t U t U t t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 9 于壓控振蕩器的特性。不同用途的頻率合成器 ,對頻率間隔的要求是不相同的。而頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi) ,頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小?？臻e模式下， CPU暫停工作，而 RAM 定時計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。并且支持全雙工 UART 串行中斷口線；有2 個外部 中斷源；低功耗空閑和省電模式；中斷喚醒省電模式； 3級加密位；看門狗（ WDT）電路；軟件設(shè)置空閑和省電功能；靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程；雙數(shù)據(jù)寄存器指針。對 P0 端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn)時，需要外部上拉電阻。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ I ）。 表 41 P1 口第二功能 引腳號 第二功能 T2（定時器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計(jì)數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） 本系統(tǒng)中， P1 口的作用主要是 DAC0832 的數(shù)據(jù)傳輸口，還應(yīng)用到了其第二功能的定時器，作為 DAC0832 的頻率調(diào)節(jié)。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL ）。 在 flash 編程和校驗(yàn)時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ I IL）。 表 42 P3 口第二功能 本系統(tǒng)中， P3 口的主要作用為 DAC0832 的數(shù)據(jù)傳輸口以及控制 LED 作為指示燈，其也用到了 、 的第二功能。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可作為外部定時器或時鐘使用。否則， ALE 將被微弱拉高。 EA/VPP:訪 問外部程序存儲器控制信號。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 R 計(jì)數(shù)器 ) 、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10 位可編程的 10bit 247。 N 計(jì)數(shù)器、 6bit 247。 R 計(jì)數(shù)器進(jìn)行編程。 引腳 1 (VCO) 為輸入信號端 ,將輸入信號交流耦合到本引腳 ,其輸入信號頻率應(yīng)小于 30MHz 。 V/ (V + 1) 的次數(shù)。 如果 f v f r 或f v 的相位超前 f r ,則 v 變?yōu)榈碗娖蕉?r 仍為高 。在一個計(jì)數(shù)周期開始時 ,“ MC”處于低電平 ,一直到 A 下行計(jì)滿它的編程值為止 , 然后 ,“ MC”跳為高電平 , 并一直維持到247。當(dāng)環(huán)路鎖定時 (即v 與 r 同頻同相 ) ,該信號為高電平 。 在鎖相環(huán)中 , 通常采用吞除脈沖的PLL 技術(shù) , 其中 , 雙模預(yù)置分頻器是吞除脈沖 PLL 的關(guān)鍵組成部分。電路在 5. 0V 電源電壓 下工作 ,輸出為 ECL 電平。分頻功能多 (247。工作頻率高 (典型值 1600MHz )。前三級觸發(fā)器為同步時鐘輸入控制 , 在模數(shù)控制端 MC 的控制下實(shí)現(xiàn)247。從電路結(jié)構(gòu)、 穩(wěn)定性、頻率上限、調(diào)試難易程度、構(gòu)建系統(tǒng)的費(fèi)用等方面比較， LC 負(fù)阻型壓控振蕩器有明顯優(yōu)勢。 C10 .1 u FC20 .1 u FC5uFR1kD1B B Y 3 1D2B B Y 3 1U2O P 1 P E NL11 0 m Hv i nF4 815U1L M C 6 4 4 2 A I M 圖 51 壓控振蕩器 圖 51 為壓控振蕩器的圖。由于變?nèi)荻O管是非線性器件，高頻信號的輸入必然會產(chǎn)生諧波分量，這可能會產(chǎn)生交叉調(diào)制干擾。 圖 52 變?nèi)荻O管特性曲線 由上圖中的 MV2109 的電壓電容曲線和式 （ 5－ 1） 可得出 L= H 即可滿足要求。 18 圖 53 MC1648內(nèi)部電路圖 MC1648 的第 10 腳輸出一個約 的穩(wěn)定電壓，可作為變?nèi)荻O管的一個偏壓。當(dāng)振蕩幅度增大時，Q8 的基極電壓增大，集電極電流增大， Q7 的 Ube減小從而放大倍數(shù)減小，輸出幅度將減?。环粗?，如果振蕩幅度減小，則恒流源 Q8 的電流減小， Q Q7 的放大倍數(shù)將增大，輸出幅度也因此增大。 19 M C1 6 4 8U1V C C1NC2O UT3NC4A G C5NC6VEE7V C C14NC13T A NK12NC11B L A S10NC9VEE8C31 0 0 p FC41 0 0 p FD1F M M V 2 1 0 9D2F M M V 2 1 0 9L11 0 m HR11kR21kM C1 6 4 8 O UTv i nv c c 圖 54 壓控振蕩器電路圖 頻率合成器的設(shè)計(jì) 頻率合成器的設(shè)計(jì)采用 MC145152 和 MC12022 預(yù)置雙模分頻器集成芯片。A 計(jì)數(shù)器、10bit247。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器、鑒頻 /鑒相器、低通濾波器、可編程分頻器組成。 圖 56 鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖 鎖相環(huán)頻率合成器是以大規(guī)模集成 PLL 芯片 MC145152 為核心設(shè)計(jì)的。 R 計(jì)數(shù)器 )、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、 10位可編程的 10bit247。 N 計(jì)數(shù)器、 6bit247。由此可以計(jì)算出頻率和 A、 N 值的對應(yīng)關(guān)系，利用單片機(jī)控制器改變其值，便可達(dá)到改變輸出頻率的目的。R 21 圖 57 MC145152 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 參考分頻器是為了得到所需的頻率間隔而設(shè)定的。 R 值由RA0、 RA RA2 設(shè)定，將 RA0、 RA RA2 分別置不同的高低電平可得到不同的R 值，具體數(shù)值如圖 58 所示。中間需加一個低通濾波器將相位差值中的高頻分量濾掉。 A 減法計(jì)數(shù)器，247。 M 為其控制端（從 MC145152 的 9 腳輸出，輸入 MC12022 的 6 腳）。 A 是可預(yù)置數(shù)的減法計(jì)數(shù)器，由并行輸入口分別預(yù)置 6 位的 A 值和 10 位的 N 值。 A 和247。 N 計(jì)數(shù)器中還有 N－ A 個數(shù)，它繼續(xù)計(jì)（ N－ A） P 個輸入脈沖后，輸出一個脈沖到鑒相器 PD。為實(shí)現(xiàn)鎖相，必須有rfAPNf ?? )(0 。如果參考頻率 rf ＝ 10kHz，則輸出頻率 )(0 APNf ?? 10kHz (52) 需要得到某個輸出頻率時，利用單片機(jī)計(jì)算得到 N 和 A 的值 ，分別送至MC145152 的 N9～ N0 和 A5～ A0 口，這就實(shí)現(xiàn)了對發(fā)射頻率的控制。數(shù)字鑒相器有如下特性： 24 設(shè) R 為參考頻率信號， V為壓控振分頻信號， f、 g 為數(shù)字鑒相器兩個輸出信號。 以上兩種情況下數(shù)字鑒相器實(shí)際工作在鑒頻模式下，兩個頻率相差越大，輸出的負(fù)脈沖寬度越大。 以上兩種情況中，鑒相器輸出的負(fù)脈沖寬度隨著 R 和 V之間的相位差θ變化而變化，θ越大，輸出的負(fù)脈沖寬度越大。同時，壓控振蕩器還有調(diào)頻的作用，調(diào)頻使得輸出頻率隨調(diào)制信號產(chǎn)生偏移。因此，將環(huán)路濾波器的通帶上限頻率限制在幾 Hz 內(nèi)，只有慢變化因素引起的誤差信號可以通過，而調(diào)制信號引起頻偏時，它產(chǎn)生的誤差信號被濾除，不作用于 鎖相環(huán)，這樣就既可以保證中心頻率的穩(wěn)定度，又不影響調(diào)頻。 環(huán)路濾波器采用有源比例積分濾波器，如圖 512 所示。 由式 fo＝（ PN＋ A） fr知道，輸出頻率可 以通過 A 和 N 來控制， 使用了串并轉(zhuǎn)換芯片后 ， A 和 N 的值分別 從 74LS595 26 的 Q0— Q7 的八位并行輸出端 向 MC145152 發(fā)送。9S H_ C P11S T _ CP12DS14MR10OE13U87 4 L S 5 9 5Q 1 7Q 1 8Q 1 9Q 2 0Q 2 1Q 2 2Q 2 3Q0 Q8 Q 1 6G NDV C CDA T ACL KCL K CL K 圖 513頻率合成控制電路 控制電路的作用是有：響應(yīng)按鍵的輸入并控制液晶的顯示，計(jì)算并向 MC145152輸出控制信號?？刂齐娐啡鐖D 514 所示。外加復(fù)位電路。9S H_ C P11S T _ CP12DS14MR10OE13U67 4 L S 5 9 5Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q015Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q 7 39。本次設(shè)計(jì)使用到了多個集成芯片，這些芯片都有著自己的工作電壓，每種芯片的工作電壓并不一樣，不過通過比較后發(fā)現(xiàn)芯片都能在 5V 電壓源下正常工作，為使電路簡介，并節(jié)約資源，決定統(tǒng)一用 +5V的電壓源，經(jīng)測試，各電路模塊均能正常工作。 MC145152 中的鑒相器輸出的兩個誤差信號分別是一個與參考頻率同頻的方波信號和一個固定電平。環(huán)路濾波器正是解決這一矛盾的關(guān)鍵。環(huán)路濾波器前級的有源網(wǎng)絡(luò)就起到這個作用。設(shè) θ e 為負(fù)脈沖的寬度， Vm 為脈沖幅度。 圖 511 數(shù)字鑒相器輸入輸出關(guān)系 （ 1） fRfV時， f 端輸出恒為高電平， g 端輸出負(fù)脈沖。設(shè)兩個輸入信號分別為： ]s i n []s i n [ )(1)()( trrmtrrmtr tutuu ???? ???? (53) ]s i n []s i n [ )(2)()( trymtrrymty tutuu ???? ???? (54) 其中 )()(2 )( tyryt t ???? ??? 將兩個信號相乘得到： ]}s i n []2{ s i n [ )(2)(1)(2)(1 ttttrymrmyr tuuuu ????? ?????