【正文】 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。 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。對于小型通用信 號產(chǎn)生器而言，這是一個比較理想的設(shè)計方案。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間穩(wěn)定性，鎖相環(huán)具有很好的短期時間穩(wěn)定性，兩者相結(jié)合可在設(shè)計要求的頻率范圍 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。 本設(shè)計的特點是全面采用數(shù)字電路方案，因而工作穩(wěn)定可靠。最大可變分頻比為 16383，最高工作頻率為 60MHz。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、一個可編程序分頻器、一個鑒相器和鎖定檢測器。但由于采用串行編碼，測試起來不直觀，而且芯片不易購買。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。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，還有三個放大器（ ）限幅器和穩(wěn)壓電路等。它的工作原理是用一個高穩(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。 （ 2）頻率合成模塊。包含單片機(jī)、鍵盤、 LED 顯示屏。 第三章 鎖相頻率合成器的設(shè)計 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)。 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。 一個典型的鎖相頻率合成器的原理框圖如圖 23 所示 設(shè)晶振的輸出頻率為 fr， VCO的輸出頻率為 f0，則它們滿足公式 (21) 其中 R 和 N 分別為參 考分頻器和主分頻器的分頻比，在外部設(shè)置并行或串行數(shù)據(jù)控制分頻比，就可以產(chǎn)生出所需要的頻率信號。 它利用環(huán)路的窄帶跟蹤與同步特性，將鑒相器一端 VCO 的輸出相位與另一端晶振參考的相位保持同步，實現(xiàn)鎖定輸出頻率的功能。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相 8 等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，相位差勢必一直在變化，鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。 鎖相環(huán)實質(zhì)是個相位誤差控制系統(tǒng)。 鎖相環(huán)的這些功能，就在于它是控制輸出信號 u2(t)相位的伺服系統(tǒng)。 如果輸入信號是一個低頻調(diào)制的調(diào)頻信號，則環(huán)路濾波器輸出就是解調(diào)出來的低頻信號，因此鎖相環(huán)可用作調(diào)頻信號解調(diào)器。 顯 然，此時 VCO 的工作頻率ω 2 比其中心頻率ω 0 高 △ ω。 現(xiàn)在假設(shè)輸入信號頻率在 t0 時刻突變 △ ω，如圖 22 所示，輸入信號的相位則開始偏離輸出信號相位，兩者之間產(chǎn)生相位差，并隨時間而增大。因此 VCO 輸出頻率必然為其中心頻率ω 0。 整個鎖相環(huán)的工作原理，首先假設(shè)輸入信號 u1(t)的角頻率ω 1 等于ω 0，而ω 0 為 VCO的中心頻率，也即控制電壓 uc(t)=0 時的頻率。 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。 鑒相器 PD 環(huán)路濾波器 LF 壓控振蕩器 VCOU1 ( t )輸 入 U d ( t ) U c ( t ) 輸 出U 2 ( t ) 圖 21 基本鎖相環(huán)方框圖 鑒相器是相位比較裝置，所以有時也叫做相位比較器或相敏檢波器。 鎖相環(huán)基本原理 鎖相環(huán)路是一個相位差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，首先給出圖 21 所示的最基本的鎖相環(huán)方框圖。 設(shè)計的頻率合成器系 統(tǒng)是 通過串行口，來自單片機(jī)的頻率控制字對集成鎖相芯片 的 內(nèi)部分頻器進(jìn)行設(shè)置，將所需頻率 fo進(jìn)行 10(M ＋ 1)次分頻作為一路 鑒相輸入，將參考頻率 fr 進(jìn)行 (R＋ 1)分頻作為另一路鑒相輸入，通過鑒相器后得到反映兩路鑒相信號誤差的輸出 PD_U 和 PD_D， PD_U 和 PD_D 經(jīng)過環(huán)路濾波器，對噪聲和雜散等干擾進(jìn)行抑制后得到 VCO 的控制電壓，控制 VCO 工作，使 VCO 輸出頻率鎖定在 fo(fo＝［ 10 改變單片機(jī)控制數(shù)據(jù)，可以選擇不同的波道。該芯片具有功耗低、相位噪聲低、雜散小、分頻頻率高、編程靈活方便等優(yōu)點。11 ；主計數(shù)器 M和參考計數(shù)器 R 分別對雙模前置分頻器輸出頻率和參考頻率進(jìn)行分頻；輔助計數(shù)器 A 用于模式選擇控制邏輯；鑒相器產(chǎn)生上下頻率控制信號；還具有鑒相頻率檢測、時鐘檢測引腳。高速前置分頻器采用吞脈沖分頻技術(shù)，通過模式選擇確定對 VCO 輸出頻率 247。這使得頻率合成器的成本、體積和功耗都大大下降，簡化了設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)試的復(fù)雜程度，而可靠性則明顯提高。在這些大規(guī)模集成電路中，把頻率合成器的主要部件如參考分頻器、程序分頻器、鑒相器、鎖定指示器、甚至微處理器等集成在同一芯片上。其中可編程分頻器是單片微機(jī)與鎖相環(huán)之間的接口，同時也是組成數(shù)字鎖相頻率合成器的關(guān)鍵部件。 串行數(shù)字鎖相頻率合成器體現(xiàn)了程序設(shè)計和鎖相技術(shù)的結(jié)合。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。 鎖相頻率合成器 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)計方法，數(shù)字頻率合成技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛。其優(yōu)點是 :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，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 。缺點是輸出信號的頻率上限不夠高，使其在高頻段應(yīng)用受限。它采用了數(shù)字取樣技術(shù)，將參考信號的頻率、相位、幅度等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M取樣函數(shù)，然后直接運算出所需要的頻率信號，并 把數(shù)字量形式的信號通過數(shù) /模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式，在時域中完成頻率合成。這種方法現(xiàn)在很少使用。優(yōu)點是不同頻率間的轉(zhuǎn)換時間很短 (100μs)和具有很好的頻率分辨率 。 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高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)信號源產(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。 頻率合成的方法 實現(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。 。 。 。 。 鎖相技術(shù)的特點 鎖相環(huán)路處于正常工作狀態(tài)時，有如下基本特點 : 。目前，鎖相環(huán)路的理論研究正日臻完善，應(yīng)用范圍遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域。到 70年代林特塞 (Lindscy)和查利斯 (Charles)進(jìn)行了有噪聲的一階、二階及高階鎖相環(huán)路的非線性理論分析，并作了大量實驗以充實理論分析。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，同時解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計問題。 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。 鎖相技術(shù)發(fā)展 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)。 本文采用鎖相式頻率合成的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是減小相位噪聲，以滿足用戶提出的較為苛刻的相位噪聲指標(biāo)。它比較輸入信號和振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制信號來調(diào)整振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號同頻同相。 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)路逐漸變成了一個成本低、使用簡便的多功能組件，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。 I 第一章 緒論 全套圖紙，加 527953900 鎖相環(huán)路 鎖相環(huán)路 （ PLL）是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，它在無線電技術(shù)的各個領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路有其獨特的優(yōu)良性能，它具有載波跟蹤特性，作為一個窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲之中的信號；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量等等。它具有低門限特性，可大大改善模擬信號和數(shù)字信號的解調(diào)質(zhì)量。 鎖相環(huán)是一個相位誤差控制系統(tǒng)。所謂全數(shù)字鎖相環(huán)路 (DPLL)就是環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器（ DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器 (DLF)、數(shù)控振蕩器 (DCO)構(gòu)成的鎖相環(huán)路 。 本課題是設(shè) 計一個由單片機(jī)、定時計數(shù)器及單片機(jī)集成鎖相環(huán)路組成的可程控頻率合成器，所以設(shè)計過程會涉及到鎖相環(huán)路、頻率合成器和單片機(jī)方面的知識。 1930 年 2 己建立了同步控制理論的基礎(chǔ)。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。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)表了“相干通信原理”一書。 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、自動頻率調(diào)諧、模擬和數(shù)字信號的相干 解調(diào)、 AM波信號的同步檢波、數(shù)字通信中的位同步提取、鎖相穩(wěn)頻、鎖相倍頻與分頻、鎖相測速與測距、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?，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。由于鎖相環(huán)路包含有一個固定積分環(huán)節(jié)、環(huán)路輸出無 剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在。當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時，位于信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進(jìn)入環(huán)路，而絕大部分干擾會受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制，就相當(dāng)于一個窄帶的高頻帶通濾波器。鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器輸出頻率可以跟蹤輸入信號的瞬時變化，表現(xiàn)了良好的調(diào)制跟蹤性能。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。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。非相干合成就 3 是利用多個獨立無關(guān)的晶體振蕩器作參考頻率源來產(chǎn)生所需的頻率。相干合成按其型式分為三種 :直接式頻率合成，鎖相式頻率合成和直接數(shù)字式頻率合成，這三種不同的頻率合成型式既體現(xiàn)了頻率合成技術(shù)的發(fā)展過程，又各有優(yōu)缺點。它利用倍頻 (即乘法 )、分頻 (即除法 )、混頻 (即加法和減法 )及濾波，從單一參考頻率源產(chǎn)生多個所需的輸出頻率。缺點是不能產(chǎn)生大量的輸出頻率，雜散分量多，對濾波和屏蔽的要求很高，功率相當(dāng)大。 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。其主要優(yōu)點是 :轉(zhuǎn)換頻率的時間短 (可達(dá) μs 級 )，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控 。 鎖相式頻率合成是一種將鎖相環(huán)原理應(yīng)用于頻率合成的方法。此外，一個設(shè)計良好的 LC 壓控振蕩器具有較高的短期頻率穩(wěn)定度，而高精度標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器則具有很 好的長期頻率穩(wěn)定度，利用鎖相環(huán)路把二者的優(yōu)點結(jié)合在一起，就使鎖相式頻率合成法能夠提供長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都比較高的信號輸出 :缺點是頻率轉(zhuǎn)換時間比較大，由環(huán)路內(nèi)噪聲引起的輸出信號相位抖動比較大。數(shù)字頻率合成器應(yīng)用于通信設(shè)備中，使得工作頻率的選擇變得極為簡單而又精確。特別適合某些特殊場合的應(yīng)用。這種合成器從總體結(jié)構(gòu)上看由單片機(jī)、鎖相環(huán)及可編程分頻器三部分組成。 隨著半導(dǎo)體工藝和集成電 4 路技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多用于頻率合成的大規(guī)模集成電路。再 配上參考振蕩器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器及高速前置分頻器，即可構(gòu)成完整的頻率合成器。 鎖相頻率合成器 高速前置分頻器、計數(shù)器、鑒相器和控制邏輯組成。10 還是 247。各計數(shù)器的計數(shù)值可 以通過串行或并行接口編程實現(xiàn)，也可以直接通過連線實現(xiàn)。