【正文】 主計數(shù)器輸出頻率 fp 和參考計數(shù)器輸出頻率 fc即為鑒相頻率，他們和輸入頻率、參考頻率的關(guān)系為： fp＝ fin／［ 10(M ＋ 1)＋ A］ A≤M ＋ 1， M≠0 fc＝ fr／ (R＋ 1) R≥0 當環(huán)路鎖定時，應(yīng)有： fp=fc。 5 第二章 鎖相環(huán)路和鎖相頻率合成器的基本原理 由于本文采用的頻率合成方法是應(yīng)用鎖相環(huán)路的間接頻率合成， 因此首先要了解鎖相環(huán)路的基本工作原理和基本構(gòu)成部分才能進一步的 開展下一步的工作。它包括三個基本部件，壓控振蕩器（ VCO）、鑒相器（ PD）和環(huán)路濾波器（ LF）。它把輸出信號u2(t)和參考信號 u1(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差θ e 的誤差電壓 ud(t)。 壓控振蕩器受控制電壓 uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率接近，也就是使差拍頻率越來越低，直到消除頻率差而鎖定。此時相位差θ e 為零，那么鑒相器輸出也 6 為零，環(huán)路濾波器輸出也必定為零。 如果輸入信號 u1(t)的角頻率不等于ω 0，那么鑒相器會產(chǎn)生非零輸出 ud(t)，環(huán)路濾波器也將產(chǎn)生輸出信號 uc(t)，這將使 VCO 的中心頻率朝著相差θ e 消失的方向變化。這時，鑒相器產(chǎn)生輸出信號ud(t)也隨時間而增大，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)一段時間之后 VCO 的頻率將精確地等于輸入信號的頻率，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。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。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檢測出來。 7 圖 22 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)是一種相位負反饋系統(tǒng)。通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。達到穩(wěn)定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出 信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，環(huán)路就進入 “ 鎖定 ” 狀態(tài)。同時可得到和參考源相同的頻率穩(wěn)定度。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、電路簡單易集成、易編程等特點。根據(jù)圖 23，設(shè)θ i 為晶振經(jīng) R分頻器分頻之后的相位 ,θ o為 VCO 輸出相位， 為 VCO 經(jīng) N 分頻器分頻之后的相位，θ e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) (22) (2) 開環(huán)傳遞函數(shù) (23) 其中 G(s) = KPDKVCOF(s)/ s 稱做前向傳遞函數(shù) , 9 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)。 10 晶 振 參考分頻 PD LF VCO除以 N單片機控制數(shù)碼顯示鍵盤輸入f r f o = Nf r 圖 31 系統(tǒng)方框圖 模塊說明： （ 1）單片機模塊。它的工作原理 是根據(jù)用戶操作信息通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，然后通過程序使單片機輸出相對應(yīng)的信息到頻率合成模塊，進而控制系統(tǒng)的各種功能，頻率的合成及各種參數(shù)，輸入的數(shù)據(jù)還可通過數(shù)碼顯示。包括與單片機連接的并行接口、頻率合成器、低通濾波器、壓控振蕩器。 方案的選擇 集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片的選擇 方案一：單片集成鎖相環(huán) L562。因此它的環(huán)路性能和通用性能的較好， 是 屬于通用型的集成鎖相環(huán)。 方案二：采用串行輸入頻合器（如 MB1504， MC145162），內(nèi)含參考振蕩器、參考分頻器、相位檢測器、可 編程 /N 計數(shù)器及接收串行輸入數(shù)據(jù)所必需的移位寄存器和鎖存電路，其優(yōu)點是工作頻率高，占用單片機的外圍接口不多，為實現(xiàn)單片機的其它控制節(jié)省了硬件資源。 方案三：集成鎖相頻率合成 MC1451512。參考分頻器帶有 12 位計數(shù)器，參考分頻比通過三個輸入端控制的存儲 11 及編碼。該集成配 合獨立 VCO 便能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。利用單片機控制管理，使頻率設(shè)置和占空比調(diào)整等操作可用鍵盤輸入，十分方便。另外，電路產(chǎn)生的信號波形很好，其中正弦信號的失真度僅為 ％。 考慮到實際情況，我們選擇了第三個方案即采用 MC1451512。適用于高頻通信設(shè)備作頻 ， 率合成器用。 單片機部分的選擇 由于眾多單片機里， 8051 系列單片機結(jié)構(gòu)比較簡單，且可以實現(xiàn)多種功能，價格也比較合理，單片機語言也主要是匯編語言，故選擇 51 系列單片機作為系統(tǒng)所用單片機。 方案一： LED 數(shù)碼管顯示：此種顯示結(jié)構(gòu)一般， 用于各類儀表、儀器、家用電器等的數(shù)字顯示。 方案二：用液晶顯示：此種顯示結(jié)構(gòu)簡單，只須連在單片機中輸出的 IO 口即可，方法也較為成熟， 需要為驅(qū)動顯示部分另外編程，而且價格較為貴，但是顯示的內(nèi)容豐富，內(nèi)容美觀。 鎖相環(huán)路功能模塊電路的設(shè)計 壓控振蕩電路 結(jié)合指標要求，采用改進型高穩(wěn)定度電容三點式的克拉波電路，見附圖 1。 在反饋電壓高影響變?nèi)荻O管的電容值時，不會改變電路的反饋系數(shù)，波形穩(wěn)定。其中由 L1,C1 及 D1 組成 感抗支路， C3,C5 組成反饋電容，其振蕩頻率主要由 L1,C1 及變?nèi)荻O管的電容值來決定： )(2 1 111 DCCLf ?? ?, （ 41） 因此只要用鎖相環(huán)送來的電壓控制 D1 的電容值就可以改變其振蕩頻率。 變?nèi)荻O管 1T33 其 Cj=2235P， Cj/Cj2=10，以 f=1/(2π * (LC )1/2)估算，壓控范圍可以過題目所求的 3638MHz。其參數(shù)為 V（ BR） CBO=30V， Icm=，F(xiàn)=1GHz，是一優(yōu)秀的高頻小功率管符合電路要求且本地易購。同時在布板的時候考慮到級間電容等因素的影響，我們把元器件盡量靠緊，走線也盡量的短。 鎖相環(huán)電路 鎖相環(huán)的應(yīng)用：鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用，調(diào)制和解調(diào)的概 念為了 實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅（ AM）、調(diào)頻（ FM）和調(diào)相（ PM）三種。 MC1451512 是 MC1451511 的改進 型 產(chǎn)品，集成可以利用247。用戶可以選擇的 8 個247。 N 選擇范圍＝ 3～ 16383。 圖 32 MC1451512 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MC1451512 引腳如圖 33。 （ 2） RA0RA2 為參考分頻器地址輸入，這三個輸入組成了一種碼 ，它可以為整個參考分頻器商定 8 個分頻值之一，這些地址碼如下表所示。 N0 為最低位， N13 為最高位。 （ 4） OSCin 和 OSCout 為參考振蕩器輸入 /輸出，當這些引腳聯(lián)到外部并聯(lián)諧振晶體的端子時，它們可以組成一個在片內(nèi)參考振蕩器。 （ 5） PDout 為相位檢測器的輸出，該引腳為可用作環(huán)路誤差的相位檢測器三態(tài)輸出。 鎖相環(huán)電路分析 鎖相環(huán)電路原理圖附圖 2。 在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計是十分重要的。各個參數(shù)計算如下： 平均分頻比 74002/)( m a xm in ??? NNN （ 42） 鑒相器靈敏度 )5(4/ VVVK DDDDd ?? ? （ 43） 壓控振蕩器靈敏度在工程上可用下式求得： CVCO VfK ??? /2 0? （實際測得 vsra dK V C O ./ 6?? ） （ 44） 環(huán)路總增益 dVCOKKK ? （ 45） 環(huán)路自然諧振角頻率 102 rn f?? ? 11RNCKn ?? 46） 環(huán)路阻尼系數(shù) ?????? ?? KNCRn 2221 ?? （ 47） 15 取 ξ=， C1=104 根據(jù)上兩式取 R1=15K, R2=。 單片機模塊的設(shè)計 單片機模塊的構(gòu)成及分析 單片機模塊是本系統(tǒng)設(shè)計的控制核心，框圖如圖 34 所示，其主要的功能有： a，根據(jù)操作信息，輸出相應(yīng)的可編程程序分頻比。 b，根據(jù)操作信息完成一些其他的功能如頻率自動步進、遞減 10K(或 100K)，預(yù)置頻率、記憶的功能。 AT89C51 單片機 ： AT89C51 單片機是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ 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。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組 16 合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 單片機是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖 35 AT89C51 的引腳圖 1． AT89C51 單片機管腳說明： 2． VCC：供電電壓。 4． P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 5． P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 17 8． P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 9． 口管腳 備選功能 10． RXD（串行輸入口） 11． TXD（串行輸出口） 12． /INT0（外部中斷 0） 13． /INT1（外部中斷 1） 14． T0（記時器 0 外部輸入） 15． T1（記時器 1 外部輸入） 16． /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 17． /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 18． P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 21． /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi) 部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 23． XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 單片機控制接線圖見附圖 3。 譯碼器 74LS138 74LS138 為 3 線譯碼器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下： 當一個選通端（ G1）為高電平，另兩個選通端（ /(G2A)和 /(G2B)）為低電平時，可將 19 地址端（ A、 B、 C）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以電平譯出。 若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時， 74LS138 還可作數(shù)據(jù)分配器。單片機 P2 口和 P3 口總共有 16 個端口，而 MC1451512