【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1和MC12148。MC12148是摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成壓控振蕩器芯片，采用單電源5V電壓供電，結(jié)合具體諧振電路其輸出頻率可達(dá)千兆赫茲級(jí)別，其外接電路簡(jiǎn)單，能將震蕩頻率信號(hào)分兩部分進(jìn)行輸出，滿足系統(tǒng)對(duì)鎖相環(huán)指標(biāo)的要求。 AD公司生產(chǎn)的集成芯片ADF4001，能同時(shí)滿足鎖相頻率源對(duì)前置分頻器和鑒相器功能的需求，可對(duì)參考信號(hào)和VCO反饋信號(hào)進(jìn)行相位誤差鑒別進(jìn)而將相位誤差輸入到環(huán)路濾波器產(chǎn)生誤差電壓，且利用其制作的頻率源環(huán)路濾波器部分的具體元件指標(biāo)可用軟件直接仿真生成，大大提高鎖相頻率源的穩(wěn)定性。ADF4001采用5V直流電源提供芯片工作電壓，正常工作時(shí)功耗小于25mW，其最高工作頻率高達(dá)上百赫茲滿足本文對(duì)輸出頻率值的要求，芯片內(nèi)部包含的14位參考分頻器和13位前置分頻器可進(jìn)行程序控制，提高了芯片程控的簡(jiǎn)易程度。二、鎖相頻率源的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案 寬帶VCO設(shè)計(jì)MC12148需外接電容和電感組成的并聯(lián)諧振回路，外加變?nèi)荻O管才能形成可變電壓輸入的振蕩器。 VCO電路原理圖此電路為壓控振蕩器芯片MC12864的典型應(yīng)用電路，可工作在很寬的頻率范圍內(nèi)。諧振回路經(jīng)pin3和pin4引腳接入，主要器件有電感LLL9和變?nèi)荻O管DDDD5。VCO控制電壓通過(guò)DD4連接點(diǎn)控制芯片MC12148，從而產(chǎn)生所需電壓。課題要求FSK信號(hào)中心頻率在20MHz~30MHz之間變化，調(diào)諧范圍很寬，其最高頻率與最低頻率之間的頻率比見(jiàn)式（31） （31）由諧振頻率公式（32） （32）計(jì)算可得?？紤]到理論值與實(shí)際值之間的差異性。由最終確定的鎖相環(huán)硬件可知，式（32）中L = 660nH； 取值在42pF~96pF的范圍內(nèi)。壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容就是對(duì)諧振電路變?nèi)荻O管的選擇，結(jié)合上文壓控振蕩器諧振電路電感和電容的取值和課題所需要的頻率值的范圍，選擇合適的變?nèi)荻O管。在通常情況下，的容值越大，系統(tǒng)二極管總電容的可變比范圍也就越大，壓控振蕩器輸出振蕩頻率的范圍也就越大，因此選擇大容值的變?nèi)荻O管。但是的容值也不可過(guò)大，因?yàn)榇笕葜档耐ǔ值較低，會(huì)惡化壓控振蕩器的相位噪聲性能。經(jīng)過(guò)對(duì)變?nèi)荻O管容值和Q值的綜合考慮，本文選擇KV1471作為壓控振蕩器的變?nèi)荻O管使用， KV1471技術(shù)指標(biāo)通過(guò)對(duì)諧振電路設(shè)計(jì)指標(biāo)和硬件電路的具體調(diào)試后，電感值選用660nh（由560nh和100nh電感串聯(lián)得到），由四個(gè)變?nèi)荻O管KV1471串并聯(lián)得到。壓控振蕩器輸出端分兩路提供鑒相器輸入頻率RFINA和鎖相環(huán)鎖定頻率RFOUT。 鎖相環(huán)電路及環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)ADF4001是AD公司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于制作頻率高度穩(wěn)定的、可程序控制的鎖相頻率源系列芯片的一種， ADF4001工作原理框圖，20MHz有源晶振經(jīng)14位R計(jì)數(shù)器分頻后得到參考信號(hào)脈沖，VCO反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)13位可編程N(yùn)分頻器分頻后得到VCO反饋信號(hào)脈沖，芯片內(nèi)部的鑒相器通過(guò)比較兩路脈沖信號(hào)的頻率和相位關(guān)系輸出鑒相脈沖。當(dāng)芯片工作時(shí)，芯片內(nèi)部的鑒頻鑒相器會(huì)根據(jù)分頻脈沖和參考脈沖信號(hào)頻率大小之間的關(guān)系選擇合適的工作方式。若二者頻率不一致，芯片處于鑒頻工作方式，無(wú)論二者頻率之間的關(guān)系如何，鑒頻鑒相器輸出信號(hào)比較后的最大電壓，控制VCO直至二者頻率相同；而當(dāng)分頻脈沖與參考脈沖頻率相等時(shí)，芯片內(nèi)部的鑒頻鑒相器部分轉(zhuǎn)為鑒相工作方式。鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器部分通常情況下由有源濾波器或無(wú)緣濾波器兩種形式，通過(guò)對(duì)比，因、本文選用無(wú)源二階濾波器作為鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器模塊電路。AD公司提供的ADISimPLL軟件能完成鎖相環(huán)的整體仿真，通過(guò)仿真結(jié)果軟件給出鎖相環(huán)環(huán)路濾波器部分各獨(dú)立元件的設(shè)計(jì)參數(shù)。由軟件仿真獲得環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果，需要設(shè)計(jì)人員給出設(shè)計(jì)使用的鎖相環(huán)芯片名稱，系統(tǒng)需要的頻率范圍，晶振提供的參考頻率，VCO調(diào)諧靈敏度和環(huán)路濾波器電路形式?；谏鲜?，軟件會(huì)自動(dòng)生成電路模型并對(duì)該模型進(jìn)行時(shí)域與頻域的仿真，給出鎖定時(shí)間與相位噪聲等關(guān)鍵參數(shù)，可以據(jù)此判斷是否環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)的鑒相頻率步進(jìn)制設(shè)為20kHz，參考信號(hào)由外部20MHz有源晶振提供。環(huán)路濾波器采用二階無(wú)源濾波器，環(huán)路帶寬為6kHz，相位裕量為，供電電壓為5V。 環(huán)路濾波器整體仿真圖利用ADISimPLL軟件對(duì)鎖相中心頻率為25MHz的信號(hào)進(jìn)行仿真，；；。 相位噪聲 相位檢測(cè)輸出 鎖定時(shí)間輸出結(jié)合軟件仿真后的結(jié)果，對(duì)環(huán)路濾波器經(jīng)行硬件電路焊接和調(diào)試。最終。 環(huán)路濾波器各原件參數(shù) 功率放大電路鎖相環(huán)產(chǎn)生的FSK信號(hào)由于功率較小，需經(jīng)過(guò)功率放大電路得到足夠的輸出功率后，才能進(jìn)入下級(jí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。本文采用傳統(tǒng)的分立器件搭建功放電路。功放主體是兩個(gè)型號(hào)為2N3904的三極管，構(gòu)成推動(dòng)放大和丙類(lèi)輸出放大兩級(jí)電路，滿足信號(hào)對(duì)功率的要求。 功率放大電路原理圖 天線天線用以接收大氣中的FSK信號(hào)，MHz，而FSK信號(hào)在大氣中是以電磁波的方式傳播的，信號(hào)的波長(zhǎng)見(jiàn)式（33）： （33）根據(jù)天線理論，當(dāng)天線的物理尺寸為波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，天線的接收效果最好，所以本論文選用長(zhǎng)度大約為1m的導(dǎo)線作為系統(tǒng)的發(fā)射接收天線。 STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)STM32是系統(tǒng)的主控制器，主要控制鎖相環(huán)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率。另外，基于STM32產(chǎn)生的基帶方波信號(hào)，配合DA模塊和模擬開(kāi)關(guān)可以控制發(fā)射機(jī)產(chǎn)生FSK信號(hào)，完成發(fā)射機(jī)的發(fā)射工作。STM32系列是專(zhuān)為要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM CortexM3內(nèi)核。關(guān)于STM32的優(yōu)勢(shì)，本文分一下三個(gè)方面具體介紹：出色的功耗表現(xiàn)STM32擁有三種不同的低功耗模式和一個(gè)通用的超頻方案使用戶可以相對(duì)于性能優(yōu)化功耗。STM32內(nèi)部嵌入了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），由內(nèi)部RC提供。實(shí)時(shí)時(shí)鐘由自己獨(dú)立的供電部分。從低功耗模式啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間比從Stop模式啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間短10us。高集成度內(nèi)置式的管理單元減少了對(duì)外部器件的需求：上電復(fù)位，低電壓檢測(cè)，掉電檢測(cè)，帶有獨(dú)立的看門(mén)狗時(shí)鐘定時(shí)器。一個(gè)主晶振可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，內(nèi)置的PLL可以生成各種頻率。先進(jìn)，創(chuàng)新的外設(shè)STM32采用APB（先進(jìn)外設(shè)總線）結(jié)構(gòu)，每條總線都是高速APB總線（最高可達(dá)CPU的頻率）。外設(shè)通過(guò)連接這種總線提高了外設(shè)的速度。廣泛的工具和固件庫(kù)支持。標(biāo)準(zhǔn)的ARM體系結(jié)構(gòu)，具有成熟的體系，支持大多數(shù)的第三方開(kāi)發(fā)工具，如keil?？梢允褂脧腟T獲得的免費(fèi)的固件庫(kù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，STM最小系統(tǒng)選用ST公司的STM32F103VBT6芯片，是一款內(nèi)置128K閃存，最高工作頻率72MHz的STM32處理器。其工作頻率為72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗為32mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括電源模塊、下載模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊。具體模塊設(shè)計(jì)如下所示：電源模塊：。CCCC4用于電源濾波；LLL3起電源隔直作用；DD2為電源指示燈。 STM32最小系統(tǒng)電源模塊下載模塊：，其主體為JTAG下載模塊，用KEIL軟件編寫(xiě)的C語(yǔ)言程序通過(guò)通過(guò)仿真器和JTAG模塊可以下載到STM32中。 STM32最小系統(tǒng)下載模塊最小系統(tǒng)時(shí)鐘及復(fù)位模塊：，系統(tǒng)時(shí)鐘由MHz的晶振Y1提供，CC6用于晶振起振；復(fù)位按鍵按照普通按鍵的原理設(shè)計(jì)，R15為上拉電阻，保證在按鍵不按下的時(shí)候STM32的輸入端為高電，R14起保護(hù)STM32系統(tǒng)IO口引腳的作用。 最小系統(tǒng)時(shí)鐘及復(fù)位模塊在設(shè)計(jì)STM32最小系統(tǒng)的時(shí)候，考慮到STM32的應(yīng)用系統(tǒng)除了STM32處理器外，往往需要添加外圍模塊，例如常用的ADC轉(zhuǎn)換模塊，DAC轉(zhuǎn)換模塊，按鍵，液晶等等。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)TM32所有能作為普通IO的引腳都用排針引出來(lái)了，以方便連接外圍模塊。STM32處理器作為系統(tǒng)的主控，除了最小系統(tǒng)外，還需要輸入模塊作為系統(tǒng)的認(rèn)為控制模塊，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，為STM32最小系統(tǒng)連接了矩陣鍵盤(pán)按鍵作為系統(tǒng)輸入部分。 DAC和模擬開(kāi)關(guān)DAC模塊由于FSK信號(hào)包含兩個(gè)頻率值f1和f2，而鎖相環(huán)只能鎖定在其中一個(gè)頻率值。本文決定用DAC模塊生成一個(gè)模擬電壓，控制鎖相環(huán)的VCO，產(chǎn)生FSK信號(hào)的另一個(gè)頻率值。在設(shè)計(jì)DAC轉(zhuǎn)換器電路時(shí)，主要需要考慮DAC芯片的分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間，也需要考慮DAC轉(zhuǎn)換器的輸出形式、通道數(shù)等。本文要求產(chǎn)生的模擬電壓在0~5V之間，對(duì)DAC轉(zhuǎn)換器的要求并不高，綜合考慮， 本文決定用TI公司生產(chǎn)的12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)化器芯片TLV5618完成這一功能。TLV5618是帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的雙路十二位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)CMOS兼容的三線串行總線，可對(duì)TLV5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。芯片采用16位串行編程，前四位為控制位，后十二位為數(shù)據(jù)位。輸出電壓為基準(zhǔn)電壓的兩倍，且單調(diào)變化。數(shù)字輸入端帶有斯密特觸發(fā)器，具有較高的噪聲抑制能力。TLV5618主要技術(shù)參數(shù)：1）、~。2）、兩路12位CMOS電壓輸出，DACA、DACB同時(shí)更新。3）、三線串行接口。4）、電壓輸出范圍為基準(zhǔn)輸入電壓的兩倍。，；STM32最小系統(tǒng)控制DA芯片的片選引腳、時(shí)鐘引腳SCLK、使能端DIN，通過(guò)程序編寫(xiě)，可以通過(guò)引腳OUTA和OUTB產(chǎn)生兩路相應(yīng)的模擬電壓。電壓范圍為最大值為參考電壓的兩倍。CC2為電源濾波電容，L1起電源隔直作用，D1為電源指示燈，R4為參考電壓芯片LM4040的上拉電阻。 TLV5618電路模擬開(kāi)關(guān)電路在本課題中，選用了模擬調(diào)頻法產(chǎn)生FSK信號(hào)。具體原理是，單片機(jī)產(chǎn)生的基帶信號(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)的使能端，使DA產(chǎn)生的模擬電壓在基帶方波信號(hào)邏輯電平為“1”時(shí)，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)控制鎖相環(huán)VCO產(chǎn)生頻率f2；基帶方波信號(hào)邏輯電平為“1”，模擬開(kāi)關(guān)截至，DA產(chǎn)生的模擬電壓不能影響VCO，鎖相環(huán)鎖