【正文】 分頻信號(hào)。工作過程是這樣的：設(shè)撥盤開關(guān)撥到“N”，當(dāng)某時(shí)刻PE（3）=“1”，則N置到IC內(nèi)的計(jì)數(shù)器中，下一個(gè)CP來時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)變?yōu)镹1，一直到第N個(gè)CP來時(shí)，計(jì)數(shù)器為0。單片4522分頻器如下圖37所示：圖37 單片4522分頻器撥盤開關(guān)為BCD碼開關(guān)，如當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示“3”時(shí)則A和“1”“2”相連；當(dāng)顯示“5”時(shí)，則A和“1”“4”相連，其余類推。其引腳見上圖。如果此后f1又發(fā)生變化，鎖相環(huán)能再次捕獲f1，使f2與f1相位鎖定。UΨ經(jīng)濾波后得到的Ud信號(hào)開始下降，這就迫使VCO對(duì)f2進(jìn)行微調(diào)，最后達(dá)到f2/N=f1，并且f2與f1的相位差Δφ=0176。如圖35所示：圖35 100倍頻電路圖35用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路。振蕩器的充、放電電容C1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻R1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號(hào)從4腳輸出。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同，不再贅述。UΨ經(jīng)RR4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。2MHz(VDD=15V），若VDD15V，則fmax要降低一些。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí)，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。對(duì)相位比較器Ⅱ而言，當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí)，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器Ⅱ的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0176。相位比較器Ⅱ是一個(gè)由信號(hào)的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。從圖中還可知，fout不一定是對(duì)稱波形。圖33 比較器Ⅰ的輸入和輸出信號(hào)的波形圖由圖可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90176。范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0176。 74HC4046內(nèi)部電路原理圖如圖32所示：圖 32 4046內(nèi)部電原理框圖圖42是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。14腳信號(hào)輸入端。112腳外接振蕩電阻。9腳壓控振蕩器的控制端。7腳外接振蕩電容。4腳壓控振蕩器輸出端。2腳相位比較器Ⅰ的輸出端。根據(jù)圖 24，設(shè)θi 為晶振經(jīng) R 分頻器分頻之后的相位,θo 為 VCO 輸出相位, 為 VCO 經(jīng) N 分頻器分頻之后的相位，θe 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) ()(2) 開環(huán)傳遞函數(shù) ()其中G(s) = KPDKVCOF(s)/ s 稱做前向傳遞函數(shù) 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)3 基于單片機(jī)的鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計(jì)方案 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 74HC4046 CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V－18V），輸入阻抗高(約100MΩ)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。用鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器具有頻率穩(wěn)定度高、 相位噪聲小、電路簡(jiǎn)單易集成、易編程等特點(diǎn)。同時(shí)可得到和參考源相同的頻率穩(wěn)定度。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零,相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，環(huán)路就進(jìn)入“鎖 定”狀態(tài)。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。通過比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差, 從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻。如圖23所示：圖 23 輸出相位偏移圖 鎖相頻率合成器的基本原理鎖相頻率合成器是由鎖相環(huán)路（PLL）構(gòu)成的，鎖相環(huán)是一種相位負(fù)反饋系統(tǒng)。鎖相環(huán)的一種奇特功能是可以抑制疊加在輸入端的噪聲，把深埋于噪聲中的有用信號(hào)檢測(cè)出來。那么，環(huán)路濾波器輸出 uc(t)最終應(yīng)為 uc(t)= △ω/K0，K0 是 VCO 的壓控增益。這時(shí)，鑒相器產(chǎn)生輸出信號(hào) ud(t)也隨時(shí)間而增大，經(jīng)環(huán)路濾波延遲后 uc(t)也增大，這就使得 VCO 的頻率提高，相位差減小，經(jīng)一段時(shí)間之后 VCO 的頻率將精確地等于輸入信號(hào)的頻率，其最終相位差將根據(jù)所使用的環(huán)路濾波器類型可能減小到零或很小的有限值?，F(xiàn)在假設(shè)輸入信號(hào)頻率在 t0 時(shí)刻突變△ω，如圖 3173。因此 VCO 輸出頻率必然為其中心頻率ω0。 整個(gè)鎖相環(huán)的工作原理，首先假設(shè)輸入信號(hào) u1(t)的角頻率ω1 等于ω0， 而ω0 為 VCO 的中心頻率，也即控制電壓uc(t)=0時(shí)的頻率。 環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓 ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 22 基本鎖相環(huán)方框圖 鑒相器是相位比較裝置，所以有時(shí)也叫做相位比較器或相敏檢波器。2所示的最基本的鎖相環(huán)方框圖。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(hào)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(hào)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。（2）頻率合成模塊。包含單片機(jī)、鍵盤、LED 顯示屏。系統(tǒng)方框圖如圖 2173。 鑒于以上分析軟硬件結(jié)合的方法可以設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)、功能擴(kuò)展靈活、頻率的穩(wěn)定性良好、精度準(zhǔn)確性高的新一代頻率合成器。其優(yōu)點(diǎn)是:由于鎖相環(huán)相當(dāng)于一窄帶跟蹤濾波器，它具有良好的窄帶跟蹤特性，能很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制寄生分量，而且避免了大量使用濾波器，有利于集成化和小型化。其主要優(yōu)點(diǎn)是:轉(zhuǎn)換頻率的時(shí)間短(可 達(dá) μs 級(jí))，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控?缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的頻率上限不夠高，使其在高頻段應(yīng)用受限。直接數(shù)字式頻率合成是一種近年發(fā)展起來的新的頻率合成技術(shù)，是從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成的。優(yōu)點(diǎn)是不同頻率間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短(100μs)和具有很好的頻率分辨率?缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生大量的輸出頻率，雜散分量多，對(duì)濾波和屏蔽的要求很高，功率相當(dāng)大。 直接合成法是最早被采用的頻率合成法。相干合成就是由一個(gè)高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生若干具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的頻率，這些頻率與基準(zhǔn)頻率之間是完全相關(guān)的，各輸出頻率之間也是完全相關(guān)的。，信號(hào)源電路、顯示電路、等硬件電路設(shè)計(jì)； 方案的設(shè)計(jì)與選擇實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法很多，總的可分為相干合成和非相干合成兩大類。~999。主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：。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。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，而是由環(huán)路信噪比決定，較高的環(huán)路信噪比可取得較低的門限性能。鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器輸出頻率可以跟蹤輸入信號(hào)的瞬時(shí) 變化，表現(xiàn)了良好的調(diào)制跟蹤性能。當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時(shí)，位于信 號(hào)頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進(jìn)入環(huán)路， 而絕大部分干擾會(huì)受到環(huán)路濾波器 的低通特性的抑制，就相當(dāng)于一個(gè)窄帶的高頻帶通濾波器。由于鎖相環(huán)路包含有一個(gè)固定積分環(huán)節(jié)、環(huán)路輸出無剩 余穩(wěn)態(tài)頻差存在。由于鎖定情形下（即完成捕捉后），該仿制的時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)于接收到的信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)具有一定的相差，所以很形象地稱其為鎖相器。 鎖相環(huán)頻率合成器綜述鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，它用于在通信的接收機(jī)中，其作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息。世界各國(guó)都非常重視頻率合成器的發(fā)展，低相位噪聲、高速捷變頻率合成器發(fā)展迅速，系列化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，并得到廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電子系統(tǒng)地位的與日俱升，現(xiàn)代雷達(dá)、現(xiàn)代通信、制導(dǎo)武器和電子對(duì)抗等系統(tǒng)對(duì)頻率合成器提出了愈來愈高的要求。 頻率合成器是利用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過各種技術(shù)途徑產(chǎn)生大量離散頻率信號(hào)的設(shè)備。具有門限擴(kuò)展能力的調(diào)頻信號(hào)鎖相鑒頻器也是在60年代初發(fā)展起來的。20世紀(jì)50年代后期隨著空間技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)用于對(duì)宇宙飛行目標(biāo)的跟蹤、遙測(cè)和遙控。因?yàn)樗墓ぷ鬟^程是一個(gè)自動(dòng)頻率（相位）調(diào)整的閉合環(huán)路，所以叫環(huán)?；阪i相環(huán)的間接頻率合成技術(shù)，又稱鎖相式頻率合成技術(shù)，是在四十年代初根據(jù)控制理論的線性伺服環(huán)路發(fā)展起來的，它利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加、減、乘、除，即把一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率源，通過諧波發(fā)生器、混頻和分頻等一系列非線性器件，產(chǎn)生大量的諧波或組成頻率，然后用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一組合頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需要的頻率輸出。通過對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的輸出頻率相位噪聲、雜散輸出和轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論分析，可以盡可能地設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出頻率可由正式計(jì)算出?，F(xiàn)在鎖相環(huán)路正向著集成化、數(shù)字化、多用途、系列化、高速度、高性能方向迅速發(fā)展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。鎖相環(huán)路具有許多優(yōu)良特性，它可用于頻率合成與交換、自動(dòng)頻率調(diào)諧、模擬和數(shù)字信號(hào)的相干解調(diào)、AM 波信號(hào)的同步檢波、數(shù)字通信中的位同步提取、鎖相穩(wěn)頻、鎖相倍頻與分頻、鎖相測(cè)速與測(cè)距、鎖相 FM (PM)調(diào)制與解調(diào)、微波鎖相頻率源及微波鎖相功率放大器等。51 指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51 單片機(jī)是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。并且隨著大規(guī)模集成電路（LSI）技術(shù)和單片微機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，大大促進(jìn)了數(shù)字鎖相頻率合成器集成化程度的提高和體積的縮小，滿足了通信設(shè)備的高集成度和超小型化的要求。當(dāng)前，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及微控制器在電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，數(shù)字頻率合成技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛。在 60 年代，維特比(Viterbi)研究了無噪聲鎖相環(huán)路的非線性理論問題,并發(fā)表“相干通信原理” 一書。到了 40 年代，電視接收機(jī)的同步掃描電路中開始廣泛地應(yīng)用鎖相技術(shù)，使電視圖像的同步性能得到很大改善。1930 年己建立了同步控制理論的基礎(chǔ)。70 年代以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、通用單片集成鎖相環(huán)路以及多種專用集成鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路逐漸變成了一個(gè)成本低、使用簡(jiǎn)便的多功能組件，這就為鎖相技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。它具有調(diào)制跟蹤特性，可制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于單片機(jī)的鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄摘 要 IAbstract II1 緒 論 1 設(shè)計(jì)背景及意義 3 鎖相環(huán)頻率合成器綜述 32 基于單片機(jī)的鎖相環(huán)頻率合成器方案設(shè)計(jì)與論證 4 課題研究的內(nèi)容與要求 4 方案的設(shè)計(jì)與選擇 4 設(shè)計(jì)原理 5 鎖相環(huán)基本原理 6 鎖相頻率合成器的基本原理 83 基于單片機(jī)的鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計(jì)方案 10 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 74HC4046 10 CD4522 15 LCD1602 16 AT89C51單片機(jī) 18 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 軟件系統(tǒng)主程序流程圖 22 鍵盤掃描流程圖 23 脈沖計(jì)數(shù)流程圖 244 電路仿真 25 仿真軟件介紹 25 proteus 25 Keil編譯軟件 26 硬件電路仿真 27 鎖相環(huán)模塊 27 4522分頻器模塊 28 單片機(jī)模塊 29 顯示及按鍵模塊 30結(jié)論 31致 謝 32參考文獻(xiàn) 33附 錄 34附錄A High Speed Digital Hybrid PLL Frequency Synthesizer 34Abstract 34INTRODUCTION 34DHPLL synthesizer 35Simulation results and discussion 36Conclusion 37REFERENCES 37附錄B 高速數(shù)字混合鎖相環(huán)頻率合成器 37摘要 381簡(jiǎn)介 38 383 仿真結(jié)果與討論 394 結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40附錄C 程序代碼 40附錄D 仿真結(jié)果 44II1 緒 論鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它在無線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路有其獨(dú)特的優(yōu)良性能，它具有載波跟蹤特性，作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲之中的信號(hào)；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可作提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源；可進(jìn)行高精度的相位與頻率測(cè)量等等。它具有低門限特性，可大大改善模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。鎖相原理在數(shù)學(xué)理論方面，早在 30 年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就己出現(xiàn)。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。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(shí)解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計(jì)問題。到70年代林特塞(Lindscy)和查利斯(