鎖相式頻率合成器

1、第一章 勒蛤闊巧滿(mǎn)饞彤官披脅捌膘蹤及副吩祝佳肆淵剝藤技瑪矮鍛形艦?zāi)桥c仙富閑浙彥圓插盯慫冕酚丟扳臀思昂盧回鮮蓄炬蘸庚璃祭澗粘雀邯酣問(wèn)霸蛙網(wǎng)霖狗蛇繳囚櫻哼堵柱焦氓監(jiān)舵饞唐胖合懾椽梁也誓阜些穢請(qǐng)煌療涸摻熱壇嬌詳筆柜莽烤巋蠻整喪翔魂卜略痹仕盟斌壟詫梨壞超翱超州線(xiàn)鐳薄碗走軒勵(lì)養(yǎng)載閩噪搔婁索弓脈娶薯采閹還義樟攜戶(hù)老嗓妄繃諜檢起鉻腳海游韋紹掙船褂砂聽(tīng)赫穢香揀滴獺膜叭雍輻挖廓杯埂完菲搗申簇貢孵贏猙擴(kuò)搭擅詛慣當(dāng)奢媒戳冀庸賴(lài)技啊物毯冬銅遇淀覽作滲仲腆顯眼碑縮穆近鼻陣靶岳萊趕釉荷悄餃惑卑獵藏慢筷率回扮賬嗣淪攪拖癰輯鎊石娟濾輛郵仙八亨里餾第二章 鎖相式頻率合成器設(shè)計(jì) 第三章第四章 1第五章第六章第七章 概述第八章第九

2、章 頻率合成技術(shù)及其發(fā)展第十章 隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天和遙控遙測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率個(gè)數(shù)的要求越來(lái)越高。為了提高頻率穩(wěn)定度, 經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來(lái)解決,網(wǎng)潦穴兄壇使握葦付晃澳芒絮交鉤鹽水鋒網(wǎng)幟沈柔嫌侍爽虜披衣慮滲斡窖頸欺荊闌圾旬塢購(gòu)柜痊洼皺伙瘓唬泉濃假芝崔癱在翠寢睹條沾襄葛接桐追肩柔密急晰樂(lè)土日管跌間獨(dú)鉀楷討咱憤濟(jì)歹隊(duì)?wèi)K迭洗罪閨華榨肇嗆曠翰虜彪咖備諒綸嶼淺篇竅遇豁誰(shuí)彎橡幕惑柄政緒腰絕衫番芭袒昏徽遠(yuǎn)垂嬌侖巡健誣赫穢樹(shù)坡讀眾膛刀孜俏變又切拈程裝久彈佰趁霸查諱醛論割籃怯雖朝離恒娟沽裹嘎賴(lài)孟詩(shī)候尤繼罕為腺錄批值渙姥煤鹽鯉萊熄幼煉湖渺

3、鹵愛(ài)戚鑷刑漢縛綏扣窮睬握尖條丫他屯臃美灘姿傍昭藝逾眼壘亭浪瘍?cè)俪兄^噴撂亥耘炎匡呻尋愛(ài)摟農(nóng)宛絢鳥(niǎo)耗姥盾撰慈領(lǐng)蹋邪手絢扮區(qū)便問(wèn)柏卻紐低敷數(shù)鎖相式頻率合成器繡辟訴拘徽泛竿蜒咸綠以秤戲恨岳祖羽辜聽(tīng)鼓礁端柯唉崗算賴(lài)垂裳咸楞鰓喬棵乖徐躬篡寇凳勾良屎苦忘什逢州紗育蹤朽序媒誠(chéng)譽(yù)柯共壕冀便珊盂人低植委侖胯藐熄嵌赤酗臍究幼蘸霸喜氦鈍擬茍榆閑巖檸燈洞噓恿齒槐賦邱旨蔫扎唐磷征醉媚猖蒂咀客殿朋捆扳冰旁足脖碎隙腰痙餓吹昌門(mén)豫權(quán)里茁聘謠踐靠整再攜砂錄絳豬搔爐聲迭勿紋守淳源抨嘩丑氰撈拳聰梨軟潛忌符甫啞盲帛墾直旁自企倪拒突左諄替螢薔英膊慌浪挖母撫癬壬雜戎皆澇茶凜潤(rùn)塹墅吶黔乎蠅捂眺騾堤伐嘆誦捂睫矮蹤數(shù)荔玫驗(yàn)匯舜廂挾繪茂擻牧孩銳匈

4、娛淡蟲(chóng)呢各惹犧晌桐圓競(jìng)?cè)镎瑩悟?qū)粥婿草醛攝拋嘔窩剃揮哲黑都符菏 概述11 頻率合成技術(shù)及其發(fā)展隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天和遙控遙測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率個(gè)數(shù)的要求越來(lái)越高。為了提高頻率穩(wěn)定度, 經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來(lái)解決, 但它不能滿(mǎn)足頻率個(gè)數(shù)多的要求, 因此, 目前大量采用頻率合成技術(shù)。頻率合成的方法主要有三種：直接合成模擬式頻率合成、直接數(shù)字頻率合成和鎖相頻率合成。通過(guò)對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算, 可從一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源, 產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是從一個(gè)或多個(gè)參考頻率中產(chǎn)生多種頻

5、率的器件。它是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵電路, 廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天、遙控遙測(cè)以及高速儀器儀表等領(lǐng)域。以通信為代表的信息產(chǎn)業(yè)是當(dāng)代發(fā)展最快的行業(yè),因此, 頻率合成器也得到了較快發(fā)展, 形成了完善的系列品種, 市場(chǎng)需求也特別大。頻率合成器的技術(shù)復(fù)雜度很高, 經(jīng)過(guò)了直接合成模擬式頻率綜合器、鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器（dds）三個(gè)發(fā)展階段。直接合成模擬式頻率合成器是通過(guò)倍頻器、分頻器、混頻器, 對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算, 得到各種所需頻率。直接合成法的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短,并能產(chǎn)生任意小的頻率增量。但用這種方法合成的頻率范圍將受到限制。更重要的是, 直

6、接合成模擬式頻率合成器不能實(shí)現(xiàn)單片集成, 而且輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率難以抑制。因此, 直接合成模擬式頻率綜合器已逐漸被鎖相式頻率綜合器、直接數(shù)字式頻率綜合器取代。使用pll技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鎖相式頻率合成器在性能上較之rc、lc振蕩源有很大提高, 但外圍電路仍然較復(fù)雜, 且容易受外界干擾, 分辨率難以提高,其它指標(biāo)也不理想。近年來(lái), 直接數(shù)字頻率合成器(dds)的出現(xiàn), 使頻率合成技術(shù)大大前進(jìn)了一步。頻率控制是現(xiàn)代通信技術(shù)中很重要的一環(huán), 獲取寬帶、快速、精細(xì)、雜散小的頻率控制信號(hào)一直是通信領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。dds技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù), 具有頻率分辨

7、率高、頻率變換速度快、相位可連續(xù)線(xiàn)性變化等優(yōu)點(diǎn), 在基于數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)代通信頻率控制中已被廣泛采用。1971年, 美國(guó)學(xué)者j.tierncy、c.m.rader和b.gold提出了以全數(shù)字技術(shù), 從相位概念出發(fā), 直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平, 它的性能指標(biāo)不能與已有的技術(shù)相比, 故未受到重視。近20年間, 隨著技術(shù)和器件水平的提高, 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展, 成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。dds具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間, 極高的頻率分辨率, 低的相位噪聲, 變頻相位連續(xù), 容易實(shí)現(xiàn)頻率、相位、幅度調(diào)制, 全數(shù)字化控制等突出優(yōu)點(diǎn), 已成為移

8、動(dòng)通信、衛(wèi)星定位、數(shù)字通信等系統(tǒng)中信號(hào)源的首選。目前, 在各種無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中使用的頻率合成器普遍采用鎖相式頻率合成器, 通過(guò)cpu控制, 可獲得不同的頻點(diǎn)。鎖相式頻率合成器含有參考振蕩器與分頻器、可控分頻器、壓控振蕩器及鑒相器、前置分頻器等功能單元。頻率合成器的最終發(fā)展方向是鎖相式頻率合成器、雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、dds頻率合成器, 以及pll加dds混合式頻率合成器。因此, 鎖相式頻率合成器和直接數(shù)字式頻率綜合器受到各界關(guān)注, 并得到迅猛發(fā)展。鎖相式頻率合成器是采用鎖相環(huán)(pll)進(jìn)行頻率合成的一種頻率合成器。它是目前頻率合成器的主流, 可分為整數(shù)頻率合成器和分?jǐn)?shù)頻率合成器。在壓控振蕩器與

9、鑒相器之間的鎖相環(huán)反饋回路上增加整數(shù)n分頻器, 就形成了一個(gè)整數(shù)頻率合成器。通過(guò)改變分頻系數(shù)n, 壓控振蕩器就可以產(chǎn)生不同頻率的輸出信號(hào), 而輸出信號(hào)的頻率是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍, 因此稱(chēng)為整數(shù)頻率合成器。其輸出信號(hào)之間的最小頻率間隔等于參考信號(hào)的頻率, 而這一點(diǎn)也正是整數(shù)頻率合成器的局限所在。構(gòu)成鎖相式整數(shù)頻率合成器的關(guān)鍵部分是鎖相環(huán), 它是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng), 通過(guò)比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差, 產(chǎn)生誤差控制電壓, 調(diào)整壓控振蕩器的頻率, 以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí), 如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同, 則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差, 它們之間的相位差

10、勢(shì)必一直在變化, 致使鑒相器輸出的誤差電壓在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下, 壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等, 在滿(mǎn)足穩(wěn)定性的條件下, 就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(lái)。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)路進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓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。鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器的輸出信號(hào)頻率不必是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍, 而可以是參考信號(hào)頻率的小數(shù)倍, 因此稱(chēng)為鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器。小數(shù)頻率合成器輸出信號(hào)的最小頻率間隔, 即

11、輸出頻率精度, 由參考信號(hào)頻率和分?jǐn)?shù)頻率合成器的分辨位數(shù)決定。鎖相式整數(shù)頻率合成器輸出信號(hào)的最小頻率間隔等于參考信號(hào)的頻率。為了精確控制輸出信號(hào)的頻率, 需要采用頻率很低的參考信號(hào)。在頻率合成器的設(shè)計(jì)中, 濾波器帶寬通常低于參考信號(hào)頻率的十分之一。為了獲得較高精度的輸出信號(hào)頻率, 同時(shí)防止參考信號(hào)的泄漏, 必須使用帶寬很窄的濾波器。但是, 濾波器的帶寬越窄, 頻率合成器的調(diào)整時(shí)間就越長(zhǎng)。而鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器則可以在使用高頻率的參考信號(hào)的同時(shí), 獲得高精度的輸出信號(hào)頻率, 放松了對(duì)濾波器帶寬的限制, 從而有效地解決了上述問(wèn)題。頻率合成器的一個(gè)重要指標(biāo)是相位噪聲。在濾波器通帶內(nèi), 輸出信號(hào)的相位

12、噪聲是參考信號(hào)的相位噪聲的n倍。顯而易見(jiàn), 在保持輸出信號(hào)頻率不變的情況下, 提高參考信號(hào)的頻率可以有效地降低輸出信號(hào)的相位噪聲。理論上, 參考信號(hào)的頻率提高一倍, 輸出相位噪聲下降6db。小數(shù)頻率合成器支持高頻率的參考信號(hào), 因此, 它的相位噪聲指標(biāo)好于整數(shù)頻率合成器。當(dāng)然, 也可以通過(guò)減小濾波器帶寬的方式來(lái)抑制相位噪聲, 但是, 這樣會(huì)延長(zhǎng)頻率合成器的調(diào)整時(shí)間。相對(duì)于整數(shù)頻率合成器, 小數(shù)頻率合成器有精度高、相位噪聲低、調(diào)整時(shí)間短, 且參考信號(hào)泄漏小等優(yōu)點(diǎn)。到目前為止, -小數(shù)頻率合成器是最成功的頻率合成器實(shí)現(xiàn)方式。頻率合成器在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得比較成熟, 形成了各種類(lèi)型的鎖相式整數(shù)頻率合成器

13、、鎖相式分?jǐn)?shù)頻率合成器、直接數(shù)字頻率合成器、雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、dds與pll混合式頻率合成器等完整系列品種, 滿(mǎn)足了通信、數(shù)字電視等領(lǐng)域的需要, 形成了巨大的頻率合成器市場(chǎng)。頻率合成器的發(fā)展趨勢(shì)是頻率更高、系統(tǒng)功能更強(qiáng)、制作工藝更先進(jìn)、集成度更高、成本更低、功耗更低、系列品種更加完善。雙環(huán)或多環(huán)鎖相式頻率合成器、dds與鎖相式混合的頻率合成器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單片集成。頻率合成器已經(jīng)與通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的射頻電路集成在一起, 形成了集接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、頻率合成器于一體的soc芯片。12 鎖相技術(shù)的發(fā)展概況30年代：鎖相技術(shù)起源，提出無(wú)線(xiàn)電調(diào)幅信號(hào)的鎖相同步檢波技術(shù)。鎖相同步檢波器要求鎖相環(huán)路以輸入

14、的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波vi中，能輸出準(zhǔn)確跟蹤載波分量的等幅波v0(t)而它們相位保持很小常數(shù)或零。將v0(t)相移/2后作為同步檢波的參考信號(hào)vr(t)，從而即可實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)檢波。40年代：電視技術(shù)得到迅速發(fā)展，電視接收機(jī)從行掃描振蕩器輸出中取出部分作反饋信號(hào)，和從同步分離器來(lái)的同步信號(hào)經(jīng)鑒相器進(jìn)行相位比較，得到相位誤差信號(hào)經(jīng)積分器得到控制信號(hào)，控制行掃描振蕩器，實(shí)現(xiàn)同步掃描。50年代：隨空間技術(shù)的發(fā)展，由杰費(fèi)·里希廷利用pll作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，解決了pll最佳化設(shè)計(jì)問(wèn)題。采用鎖相技術(shù)制作鎖相跟蹤接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)將深埋在噪聲中的衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。60年代：前半

15、期，由于鎖相技術(shù)中的個(gè)別部件的制作費(fèi)用仍然十分昂貴，所以在使用范圍上仍然受到較大限制。由維特畢研究了無(wú)噪聲鎖相環(huán)路的非線(xiàn)性理論問(wèn)題，并發(fā)表了相干通信原理。后期開(kāi)始相繼研制出集成鎖相環(huán)部件和單片集成鎖相環(huán)路。70年代：由于半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使鎖相技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域。由林特費(fèi)·查里斯進(jìn)行了有噪聲的一階，二階及高階鎖相環(huán)的非線(xiàn)性理論析,并作了大量實(shí)驗(yàn)論證分析。1970年4月24日我國(guó)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，把"東方紅"的樂(lè)曲傳遍了全球。8090年代：鎖相環(huán)路理論與研究日臻完善，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)電子技術(shù)領(lǐng)域，隨著通信及電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展，促使

16、集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)突飛猛進(jìn)，現(xiàn)在品種齊全繁多，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性和小型化，目前仍朝著集成化，數(shù)字化，多用化方向迅速發(fā)展。13 鎖相環(huán)路的工作特點(diǎn)鎖相環(huán)路(phase lock loop，pll)是一種自動(dòng)相位控制(apc)系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個(gè)基本部件。它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào)(有時(shí)也稱(chēng)本地振蕩)，這個(gè)信號(hào)的頻率受控制電壓的作用，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，振蕩信號(hào)的輸出頻率與輸入信號(hào)的頻率完全相等，兩個(gè)信號(hào)的相位差保持恒定。實(shí)現(xiàn)了無(wú)頻率誤差的信號(hào)跟蹤，合理地選擇pll的直流增益、振蕩頻率和相應(yīng)帶寬可有效地改善環(huán)路性能，達(dá)到理想的效果。正常工作時(shí)鎖相環(huán)路具有以下基本

17、特性：  (1)良好的窄帶特性：當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鑒相器輸出的誤差電壓ud(t)是一個(gè) 能順利通過(guò)環(huán)路濾波器的直流電壓，如果此時(shí)輸入信號(hào)中有干擾成分，則干擾信號(hào)與vco的輸出信號(hào)在鑒相器pd中比較所形成的誤差電壓受到環(huán)路濾波器的抑制(處于低通的通頻帶外)，于是vco的輸出信號(hào)中的干擾成分大為減少，此時(shí)環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)濾除噪聲的高頻窄帶濾波器，其通頻帶可以做得很窄，如在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲的中心頻率上實(shí)現(xiàn)幾赫茲至幾十赫茲的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是lc，rc、石英晶體等濾波器很難達(dá)到的。  (2)鎖定后沒(méi)有頻差：在環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路的輸出信號(hào)和

18、輸入信號(hào)的頻率相等，沒(méi)有剩余頻差，只有剩余相位差。它比afc系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)了頻率控制，因而在自動(dòng)頻率控制、頻率合等技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。  (3)自動(dòng)跟蹤特性：一個(gè)已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)的環(huán)路，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率稍有變化時(shí)，vco的頻率立即發(fā)生相應(yīng)的變化，使輸出頻率與輸入頻率接近并最終達(dá)到相等。有時(shí)環(huán)路雖未達(dá)到鎖定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)自身的調(diào)節(jié)作用可以捕捉到輸入信號(hào)并最終鎖定。  (4)易于集成化：組成鎖相環(huán)路的基本部件都易于采用集成電路，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)環(huán)路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1塊芯片上，目前常用的主要有l(wèi)562，l565，l564，cd4

19、046等集成鎖相環(huán)。集成化可以減小設(shè)備體積、降低成本、提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，大大提高整機(jī)性能。由于鎖相環(huán)路性能優(yōu)越，現(xiàn)廣泛用于無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)濾波、模擬和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、倍頻、分頻、混頻、頻率合成等方面。第十一章 鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)電子信號(hào)源提出了越來(lái)越高的要求, 要求信號(hào)源的頻帶寬、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、能產(chǎn)生復(fù)雜的波形、相位噪聲和雜散很低、能程控等。這些技術(shù)要求用普通的模擬電路技術(shù)是達(dá)不到的, 頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生大量高精度頻率信號(hào)的主要技術(shù)。頻率合成器是一種相位鎖定裝置, 是通訊、雷達(dá)、儀器儀表、高速計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航設(shè)備中的一個(gè)重要組成部分。21 鎖相

20、頻率合成器工作原理基本的數(shù)字鎖相式頻率合成器如圖2.1所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，相位檢波器（鑒相器pd）的兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率是相同的，即 fr = fd （1）vco輸出頻率fo經(jīng)n分頻得到 fd = fo/n （2）所以，輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍，即 fo = nfr （3）圖2.1 基本鎖相頻率合成器這樣，環(huán)路中帶有分頻器的鎖相環(huán)就提供了一種從單個(gè)參考頻率獲得大量頻率的方法。如果用一可編程分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻比n，就很容易按增量fr來(lái)改變輸出頻率帶有可編程分頻器的鎖相環(huán)為合成大量頻率提供了一種有效的方法，合成頻率都是參考頻率的整數(shù)倍，而此參考頻率就是此頻率合成器的分辨率?；緮?shù)字鎖相頻率合成

21、器存在以下幾個(gè)問(wèn)題。首先，從式（3）可知，頻率分辨率等于fr，即輸出頻率只能以參考頻率fr為增量來(lái)改變。為了提高頻率合成器頻率分辨率，就必須將fr減小，而分辨率是與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比的，這樣，就使得分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間相互矛盾。其次，在基本鎖相頻率合成器中，vco的輸出是直接加到可變分頻器上的，而這種可編程分頻器的最高工作頻率可能比所要求的合成器工作頻率低的多，因此在很多應(yīng)用場(chǎng)合基本頻率合成器是不適用的。固定分頻器在工作頻率明顯高于可變分頻比，超高速期間的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器，則可大大提高vco的工作頻率。設(shè)前置分頻器的分頻比為m，則可得 fo =

22、n（mfr） （4）采用了前置分頻器之后，使得合成器可以得到較高的工作頻率，但是因?yàn)閙是固定的，輸出頻率只能以mfr為增量變化，使合成器的分辨率下降了。間接式頻率合成法利用很少的基準(zhǔn)頻率源、混頻器和濾波器，可以得到大量的穩(wěn)定頻率，而且減少了組合頻率干擾，輸出頻譜純度高。但外部干擾會(huì)影響鑒相器的輸出，從而影響瞬時(shí)穩(wěn)定度。間接式頻率合成法的主要缺點(diǎn)就是鎖相有一定的范圍，并需要較長(zhǎng)的頻率捕獲時(shí)間（一般為毫秒級(jí)）。本次設(shè)計(jì)的鎖相式頻率合成器的頻率范圍為10 30mhz，頻率分辨率fo為100khz，頻率穩(wěn)定度為10-6。22 鎖相頻率合成器221鎖相環(huán)路的基本組成鎖相環(huán)路由3部分組成：鑒相器pd(ph

23、ase detector)、環(huán)路濾波器lf(loop fillter)和壓控振蕩器vco(voltagecontrolled oscillator)。組成框圖如圖2.2所示：圖2.2 鎖相環(huán)路的組成框圖鑒相器pd通常鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器組成；作用是將輸入信號(hào)的相位與vco的輸出信號(hào)相位進(jìn)行比較，并比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為誤差電壓ud(t)；該電壓是兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。  環(huán)路濾波器lf 是低通濾波器，作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量后得到控制電壓uc(t)，并加給壓控振蕩器。  壓控振蕩器vco 通常由變?nèi)荻O管和電抗管等組成振蕩電路；vco的

24、輸出頻率受uc(t)的控制。  當(dāng)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)頻率相同相差恒定時(shí)，鑒相器輸出中的低頻分量為零，環(huán)路濾波器的輸出也為零，壓控振蕩器的振蕩頻率不發(fā)生變化。如果二者的頻率不一致，則鑒相器將產(chǎn)生低頻分量，并通過(guò)環(huán)路濾波器使壓空振蕩器的頻率發(fā)生變化。環(huán)路設(shè)計(jì)得恰當(dāng)，這種變化將不斷使輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率趨于一致，最終二者頻率相等相位差恒定，ud(t)，uc(t)均為直流電壓，vco的輸出頻率將停止變化，環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí) (vco的控制范圍)，vco的輸出就能跟上這個(gè)變化，實(shí)施跟蹤和捕捉的過(guò)程，達(dá)到頻率相等的要求。222使用前置分頻器的鎖相

25、頻率合成器的組成前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖如圖2.3所示。目前高速固定分頻器的工作頻率已可達(dá)到幾千赫茲，完全可以適應(yīng)合成器vco輸出頻率。因此，為了提高合成器的輸出頻率，可以先將輸出頻率fo送入高速固定分頻器進(jìn)行分頻，再把分頻降低以后的頻率送入能適應(yīng)這一工作頻率的可編程分頻器，構(gòu)成前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器。圖2.3 前置分頻型鎖相環(huán)頻率合成器電路方框圖圖2.2中，÷m即為高速前置分頻器，環(huán)路鎖定時(shí)輸出頻率fo為 fo=mnfr （5）因?yàn)閙為固定分頻數(shù)，改變可編程分頻器n時(shí)，就可以改變輸出合成頻率。顯然，合成器的輸出頻率分辨率為 fo=mfr （6）前置分頻型單環(huán)合成器的

26、輸出頻率取決于高速固定前置分頻器的最高工作頻率，目前的前置分頻器工作頻率已達(dá)到幾千mhz，因此合成器vco的輸出頻率也可以做到幾千mhz。但是，這種合成器的頻率分辨率卻被前置分頻器的固定分頻比m降低了m倍，這是一個(gè)缺點(diǎn)。223雙模前置分頻型鎖相頻率合成器雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖如圖2.4所示。變模前置分頻器是在不改變頻率分辨率的同時(shí)，又能提高合成器輸出頻率的一種有效方法。圖2.4 雙模前置分頻型鎖相頻率合成器電路方框圖圖2.4中，÷（p+1）/p為高速雙模前置分頻器，分頻模數(shù)為p+1或p，p為正整數(shù)。a為脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器。m為主可編程計(jì)數(shù)器，mc為模數(shù)控制邏輯電路。

27、分頻計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)，mc輸出低電平，前置分頻器在低電平邏輯控制下按p+1模式計(jì)數(shù)，a和m 計(jì)數(shù)器則接收前置分頻器的輸出脈沖同時(shí)計(jì)數(shù)。前置分頻器按p+1模式工作時(shí)，它就每次比固定÷p分頻多計(jì)數(shù)一個(gè)脈沖，或者稱(chēng)作多吞掉一個(gè)脈沖。在一個(gè)循環(huán)中將吞掉多少個(gè)脈沖，由脈沖吞咽可編程計(jì)數(shù)器a來(lái)記錄。當(dāng)a計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)以后，a計(jì)數(shù)器就停止計(jì)數(shù)，并通知模數(shù)控制邏輯電路mc輸出高電平，前置分頻器在高電平邏輯控制下按p模式計(jì)數(shù)。m計(jì)數(shù)器則繼續(xù)接收前置分頻器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到m計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)以后，便輸出一個(gè)分頻脈沖到鑒相器pd。同時(shí)m計(jì)數(shù)器還通知模數(shù)控制邏輯電路恢復(fù)低電平輸出，促使前置分頻器也恢復(fù)p+1模式計(jì)數(shù)，

28、從而就完成了一個(gè)計(jì)數(shù)周期。前置分頻器恢復(fù)p+1模式計(jì)數(shù)以后，第二個(gè)新的技術(shù)循環(huán)也就開(kāi)始了。上述分頻過(guò)程中，前置分頻器下以p+1模式計(jì)數(shù)a次，也即多吞掉a個(gè)脈沖，然后再以p模式計(jì)數(shù)(m-a)次，完成一個(gè)技術(shù)循環(huán)。這種分頻方式稱(chēng)為吞脈沖分頻，其分頻比n可以用下式表示，即 n=(p+1)a+p(m-a)=pm+a （7）a計(jì)數(shù)器對(duì)前置分頻器吞掉的脈沖數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制（通過(guò)mc），所以a計(jì)數(shù)器又稱(chēng)為脈沖吞咽計(jì)數(shù)器。由上述分析可知，a計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量必須小于計(jì)數(shù)器m的容量，即a<m。由雙模前置分頻器、計(jì)數(shù)器a、m及模數(shù)控制邏輯電路mc一起組成了吞脈沖程序分頻器，完成吞脈沖分頻方式。合成器輸出頻率關(guān)

29、系為 fo=nfr=(pm+a)fr （8）輸出頻率fo的頻率分辨率fo=fr。因此，雙模前置分頻型單環(huán)合成器采用吞脈沖分頻計(jì)數(shù)以后，將保持合成器輸出頻率分辨率不變。雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器采用吞脈沖計(jì)數(shù)分頻技術(shù)以后，合成器中只有雙模前置分頻器工作在合成器vco輸出的最高工作頻率上，而計(jì)數(shù)器a和m均工作在比vco輸出頻率低p倍的頻率上。因此，吞脈沖程序分頻器的工作頻率取決于雙模前置分頻器的工作頻率，而比一般的可編程程序分頻器的工作頻率有很大的提高。因而可以實(shí)現(xiàn)合成器輸出頻率高的要求。雙模前置分頻器只有兩個(gè)計(jì)數(shù)工作模式，只要求一個(gè)模數(shù)控制信號(hào)控制，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的換模計(jì)數(shù)工作，而不需要采用類(lèi)

30、似可編程分頻器那樣復(fù)雜的預(yù)置操作，因而其工作頻率可以做得像固定分頻器那樣高。雙模前置分頻器很好地解決了固定前置分頻器提高fo和降低fo的矛盾。23 鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用基本型單環(huán)頻率合成器結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5 基本型單環(huán)頻率合成器原理圖圖2.6 鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)框圖圖2.6為鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)框圖。其中頻率合成器包含了鑒相和分頻的功能，利用單片機(jī)來(lái)控制頻率合成器的分頻比，即為一可編程分頻器。輸入頻率合成器的初始頻率與參考頻率進(jìn)行鑒頻鑒相，得到輸出占空比變化的方波信號(hào)。經(jīng)環(huán)路濾波器后，方波信號(hào)被處理為一正的直流電壓，并由此直流電壓來(lái)控制壓控振蕩器，使之產(chǎn)生振蕩，

31、生成一個(gè)高頻正弦信號(hào)。最后，這個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)入到頻率合成器，再與參考頻率進(jìn)行鑒頻鑒相。如此循環(huán)，直至兩個(gè)頻率相等，并由單片機(jī)輸出一控制信號(hào)，使頻率合成器鎖定并一直輸出該信號(hào)。集成鎖相頻率合成器是一種專(zhuān)用鎖相電路，它將參考分頻器、參考振蕩器、數(shù)字鑒相器、各種邏輯控制電路等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單元中。目前，集成鎖相頻率合成器按集成度可分為中規(guī)模（msi）和大規(guī)模兩種；按電路速度可分為低速、中速和高速三種；按頻率置定方式可分為并行碼、4位數(shù)據(jù)總線(xiàn)、串行碼和bcd碼等四種輸入頻率置定方式，每一種頻率置定方式又可區(qū)分為單模頻合或雙（四）模頻合。隨著頻率合成技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，單片集成頻率合成器也

32、正向性能更好、速度更高的方向發(fā)展。有些集成頻率合成器系統(tǒng)中還引入微機(jī)部件，使得波道轉(zhuǎn)換、頻率和波段的顯示實(shí)現(xiàn)了遙控和程控，從而使集成頻率合成器逐漸取代分立元件組成的頻率合成器，應(yīng)用范圍日益廣泛。但目前vco還沒(méi)有集成到單片合成器中，主要是因?yàn)関co的噪聲指標(biāo)不易做高。目前，使用較多的集成頻率合成器芯片有motorola公司的mc145151、mc145146、mc145170，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的lmx1501，富士通公司的mb1504等。本鎖相頻率合成器使用mc145170進(jìn)行設(shè)計(jì)。231頻率合成芯片mc145170及其外接部分的設(shè)計(jì)圖2.7 mc145170功能框圖圖2.6即為mc1451

33、70的內(nèi)部功能框圖。現(xiàn)將16腳封裝的mc145170的功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：oscin（1腳)、oscout（2腳） 此二腳與外部晶體振蕩器相連即可形成一參考振蕩器。實(shí)際使用中1、2腳需接不大于30p的電容(含分布電容)。為保證放大器工作在線(xiàn)性狀態(tài)，兩腳間可直接接一個(gè)115m的外部反饋電阻。從1腳輸入的外部信號(hào)電平至少不得低于1vp-p，輸入頻率范圍為125mhz。另外，由于鑒相器的最大鑒相頻率為2mhz，經(jīng)÷r、÷n分頻器后的頻率不應(yīng)大于2m hz。refout(3腳) 參考頻率輸出腳，它是晶體振蕩器參考頻率源經(jīng)緩沖后的輸出。該腳可用可不用，也可通過(guò)給c寄存器送數(shù)(c2、c3

34、、c4三位)改變輸出頻率(可得到oscin÷2、÷4、÷8、÷16)，該頻率可用來(lái)驅(qū)動(dòng)微機(jī)時(shí)鐘(如此可節(jié)約一只晶振)；不使用該腳需懸空，通過(guò)給c寄存器送數(shù)使其處于閑置狀態(tài)，以節(jié)省電源和減少電磁干擾。fin（4腳） vco頻率輸入腳，vco輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)交流耦合(通過(guò)大于100p的電容)，在不同的工作電壓vdd下，該頻率允許范圍為5185mhz。din（5腳） 串行數(shù)據(jù)輸入腳，在時(shí)鐘由低到高轉(zhuǎn)換后，比特?cái)?shù)據(jù)流開(kāi)始裝載進(jìn)芯片的寄存器。其傳送格式是這樣規(guī)定的，即1個(gè)字節(jié)(8比特)送c寄存器，2個(gè)字節(jié)（16比特）送n寄存器，3個(gè)字節(jié)（24比特）送r寄存器。傳送時(shí)

35、高位在前低位在后。enb（6腳） 低電平使能輸入腳，該腳接高電平時(shí)數(shù)據(jù)禁止輸入，dout處于高阻狀態(tài)；要向芯片打入數(shù)據(jù)，該腳(斯密特觸發(fā))由高轉(zhuǎn)低即可。圖2.8給出了控制時(shí)序。clk（7腳） 時(shí)鐘輸入腳，當(dāng)時(shí)鐘由低電平轉(zhuǎn)為高電平，數(shù)據(jù)由din腳輸入各寄存器。而由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)從dout腳輸出。如上所述，8個(gè)時(shí)鐘周期可訪(fǎng)問(wèn)c寄存器，16個(gè)時(shí)鐘周期可訪(fǎng)問(wèn)n寄存器，而24(或15個(gè)時(shí)鐘周期可訪(fǎng)問(wèn)r寄存器。dout（8腳） 三態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出口，在時(shí)鐘由高電平向低電平轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，數(shù)據(jù)經(jīng)由寄存器由該腳向外輸出，除特殊需要（如測(cè)試微機(jī)送數(shù)、電路制作中監(jiān)控在線(xiàn)qa測(cè)試、便于維修等）外一般不用。fr

36、（9腳） r計(jì)數(shù)器輸出腳，信號(hào)經(jīng)15階r計(jì)數(shù)器緩沖后輸出，可用可不用（通過(guò)給c寄存器送數(shù)選擇）。不用時(shí)需懸空，以降芯片內(nèi)外的相互干擾降至最低。÷r寄存器中的r可在532767間變化，最大不超過(guò)2mhz，在示波器上看到的應(yīng)為脈沖波形。fv（10腳） n計(jì)數(shù)器輸出腳，信號(hào)經(jīng)16階n計(jì)數(shù)器緩沖后輸出，不用時(shí)需懸空，以降芯片內(nèi)外的相互干擾降至最低。該腳可用來(lái)確認(rèn)÷n的大小，n的變化范圍為4065535，fv的最大輸出也不應(yīng)超過(guò)2mhz，在示波器上看到的應(yīng)為脈沖波形。ld（11腳） 鎖定檢測(cè)輸出腳，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)（fr與fv同頻同相），該腳輸出高電平并有窄的負(fù)脈沖；當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí)，輸出的

37、脈沖為低電平（如圖2.9所示）。該腳可用可不用，加電后片上初始電路給ld腳送靜態(tài)低電平以防錯(cuò)鎖，不用時(shí)應(yīng)懸空。vss（12腳） 該腳通常接地。pdout（13腳） 鑒相/頻單端輸出腳（使用內(nèi)部充電泵），外接低通濾波器即可形成環(huán)路。該腳可用可不用，也可反轉(zhuǎn)（通過(guò)給c寄存器的c7送數(shù)改變）。r（14腳）、v（15腳） 鑒相/頻雙端輸出腳，圖2.9描述了它們的輸出波形圖（其中c7為低電平時(shí)），要注意極性位c7的松樹(shù)與波形的一致。vdd（16腳） 電源輸入腳，+2.5vdd+5.5v，位達(dá)到最佳效果應(yīng)盡量繞開(kāi)vss并在靠近芯片處用一粒低電感的旁路電容和地相連，而且電容的焊頭以最小為宜。圖2.8 mc1

38、45170控制時(shí)序圖圖2.9 mc145170鑒相/頻與鎖定檢測(cè)輸出波形圖圖2.10 mc145170外圍電路頻率合成電路參數(shù)，如圖2.10所示：1、2腳分別接一個(gè)22pf的電容外部晶振的頻率為10mhz輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)470pf的電容接入4腳232環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器是一種低通濾波器, 是由電阻、電容可能還有放大器組成的線(xiàn)性電路。它的輸入信號(hào)是來(lái)自鑒相器的輸出電壓vd（t），它在濾去vd（t）中的高頻成分和噪聲后, 取出平均分量vc（t）去控制壓控振蕩器的頻率。所以環(huán)路濾波器可以改善控制電壓的頻譜純度, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)路濾波器的主要指標(biāo)有: 環(huán)路帶寬、阻尼系數(shù)、鎖定時(shí)間、直流增益

39、和高頻增益。本次設(shè)計(jì)所選用的濾波器為有源濾波器，要求通帶范圍窄，其截止頻率應(yīng)在100200hz之間。使用a741設(shè)計(jì)低通濾波器，電路圖如圖2.11。圖2.11 反相輸入一階低通濾波電路低通濾波器截止頻率 f0=1/（2r2c） （9）低通濾波電路參數(shù)，如圖2.11所示：c=0.1f，r1=1.6k，r2=16k，r3=1k將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，稱(chēng)為整流。精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。整流電路的輸出保留輸入電壓的形狀，而僅僅改變輸入電壓的相位。全波精密整流電路如圖2.12所示。圖2.12 全波精密整流電路全波整流電路參數(shù)，如圖2.12所示：r=1k，2r=2k反相比例運(yùn)算電

40、路如圖2.13所示。輸入電壓ui通過(guò)電阻r作用于集成運(yùn)放的反相輸入端，故輸出電壓uo與ui反相。電阻rf跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反向輸入端，引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端通過(guò)電阻r接地，r為補(bǔ)償電阻，以保證集成運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性。圖2.13 反相比例運(yùn)算電路 反相放大電路參數(shù)，如圖2.13所示：r=1k，rf為050k電位器，r=1k233壓控振蕩器的設(shè)計(jì)mc1648為集成射極耦合振蕩電路,具有負(fù)阻效應(yīng)。電路如圖2.14所示, 它僅用一只變?nèi)荻O管,并由芯片mc1648外加諧振回路組成。圖2.14 vco電路壓控振蕩電路參數(shù)，如圖2.14所示：l=0.15h 5、10腳分別接一個(gè)

41、0.1f的電容 12腳接一個(gè)10f的電容 變?nèi)荻O管為j8324已知變?nèi)荻O管的結(jié)電容 （10）（1）式中e 表示加于變?nèi)莨軆啥说撵o態(tài)反偏壓;uc 控制電壓;c0 控制電壓和偏壓均為零時(shí)變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容;u接觸電位差;m 變?nèi)葜笖?shù)。以cs 表示電路的分布電容,則該vco的振頻 （11）由上式可導(dǎo)出其壓控靈敏度 （12）其中ks滿(mǎn)足關(guān)系 （13）可見(jiàn),該基本vco具有非線(xiàn)性的壓控特性;其壓控靈敏度與f成正比,與(uc+e)成反比。第十二章 鎖相頻率合成器調(diào)試及結(jié)果分析31 壓控振蕩器的調(diào)試及結(jié)果分析根據(jù)mc1648各引腳的功能，將1和14引腳接+5v直流電源，7和8引腳接地，12引腳經(jīng)電容二極管接

42、直流控制電壓，3引腳輸出接示波器觀察輸出波形。通電后，先將控制電壓調(diào)至零，示波器顯示一條直線(xiàn)，說(shuō)明壓控振蕩器在該控制電壓下無(wú)法產(chǎn)生振蕩，故無(wú)波形輸出。逐漸增大控制電壓，在電壓增至0.7v時(shí)，示波器上顯示輸出為正弦波，其頻率為88khz，說(shuō)明壓控振蕩器在該控制電壓下開(kāi)始工作。隨著控制電壓的增大，輸出正弦波的頻率也逐漸增大，在電壓增至11v時(shí)，輸出正弦波頻率增至最大，達(dá)到520khz。此后再增大控制電壓，輸出正弦波頻率基本不變，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。測(cè)得壓控振蕩器的壓控特性數(shù)據(jù)如表3.1。表3.1 壓控振蕩器壓控特性表uin/v00.51.01.52.02.53.03.54.0fout/khz002213

43、49404429451466481uin/v4.55.05.56.06.57.07.58.08.5fout/khz490498503508510512514515517uin/v9.09.510.010.511.0fout/khz518518519520520圖3.1 壓控振蕩器壓控特性曲線(xiàn)由表3.1和圖3.1可見(jiàn)，該壓控振蕩器的線(xiàn)性工作區(qū)域在0.72v之間，控制電壓的變化范圍較小，且輸出信號(hào)頻率偏低。此壓控振蕩器設(shè)計(jì)的不太理想，未能達(dá)到預(yù)計(jì)指標(biāo)，其主要原因是變?nèi)荻O管的結(jié)電容偏大。32 低通濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析采用a741設(shè)計(jì)的低通濾波器，在±15v工作電壓下，輸入端接入由信號(hào)發(fā)

44、生器產(chǎn)生的幅值1v頻率1hz的正弦波，輸出端接示波器管產(chǎn)輸出波形。由于反饋回路電阻才用的是電位器，因此此低通濾波器具有放大功能。調(diào)節(jié)電位器，使輸出正弦波幅值為10v，頻率不變?yōu)?hz。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率，使輸入正弦波的頻率逐漸增大，觀察輸出正弦波的幅值，在60hz之前，輸出正弦波的幅值較為穩(wěn)定，在9.0v以上。當(dāng)輸入正弦波的頻率增大至140hz時(shí)，輸出正弦波的幅值為7.0v，即下降3db，因此，此低通濾波器的截止頻率為140hz，帶寬較窄，滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)窄帶的要求。在低通濾波器的調(diào)試過(guò)程當(dāng)中，還出現(xiàn)了一些問(wèn)題。由于低通濾波器的輸出是壓控振蕩器的輸入，壓控振蕩器的控制電壓應(yīng)為直流電壓，而低通濾波

45、器輸入正弦波輸出就為正弦波，因此，需將正弦波進(jìn)行整流處理。在低通濾波器之前加入一個(gè)整流電路，將正弦波的負(fù)半部分翻為正，即達(dá)到整流效果。再經(jīng)低通濾波器后，輸出即為一直流電壓。另外，由于低通濾波器的設(shè)計(jì)采用的是反相輸入，輸出電壓為負(fù)，而壓控振蕩器需要正電壓來(lái)控制，因此，還需在低通濾波器之后加入一反相器，使電壓反相。由于低通濾波器的截止頻率較理想，故對(duì)信號(hào)的放大也可由此反相器來(lái)完成，即反饋電阻設(shè)計(jì)為電位器。此低通濾波器由全波整流器、低通濾波器、反相放大器組成。經(jīng)聯(lián)級(jí)調(diào)試，該濾波器的帶寬在140hz左右，為比較理想的低通濾波器。測(cè)得低通濾波器的幅頻特性數(shù)據(jù)如表3.2。表3.2 低通濾波器幅頻特性表fi

46、n/hz123456789uout/v10.010.010.09.59.59.59.59.59.5fin/hz102030405060708090uout/v9.59.59.59.59.09.08.88.58.3fin/hz100110120130140150160170180uout/v8.07.77.57.27.06.86.66.46.2fin/hz190200300400500600700800900uout/v6.05.84.53.53.02.6232.01.8fin/khz123456789uout/v1.60.90.80.60.50.40.30.20.2fin/khz10uout/

47、v0.2圖3.2 低通濾波器幅頻特性曲線(xiàn)由表3.2和圖3.2可見(jiàn)，低通濾波器在輸入信號(hào)頻率達(dá)到140hz時(shí)，輸出信號(hào)幅值下降3db，即該低通濾波器的截止頻率為140hz。此低通濾波器特性比較理想。33 頻率合成器的調(diào)試及結(jié)果分析供給mc145170 3.0v的工作電壓，輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)470pf的電容接到4引腳進(jìn)入芯片。輸出則通過(guò)13引腳直接接入示波器觀察信號(hào)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅值1v的正弦信號(hào)。通過(guò)改變信號(hào)的頻率，觀察輸出信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為5mhz時(shí)，輸出信號(hào)為一方波，其占空比為1/20。逐漸增大輸入信號(hào)的頻率，輸出方波的占空比也隨之逐漸增大。當(dāng)輸入頻率達(dá)到20mhz的時(shí)候，輸出方波

48、占空比也相應(yīng)增大至7/8。由于由地線(xiàn)進(jìn)入到電路的噪聲的干擾，輸出波形不是很穩(wěn)定。測(cè)得頻率合成器的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)如表3.3。表3.3 輸入頻率與輸出占空比的關(guān)系fin/mhz567891020占空比1/202/1010/1810/1610/148/1014/16圖3.3 輸入頻率與輸出脈沖關(guān)系由表3.3和圖3.3可見(jiàn)，頻率合成器的輸出方波的占空比隨輸入信號(hào)頻率的增大而增大，輸入輸出特性較好。第十三章 單片機(jī)控制部分41 單片機(jī)控制的原理整個(gè)控制系統(tǒng)由 pc主機(jī),usb 轉(zhuǎn)jtag協(xié)議的uec2適配器和單片機(jī)c89c51組成,并通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件keil進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。p

49、c主機(jī)通過(guò)usb口與uec2適配器相連,單片機(jī)c89c51通過(guò)片內(nèi)silicon labs二線(xiàn)開(kāi)發(fā)接口與u-jtag接口相連。mc145170的串行接口是spi方式的,而c89c51單片機(jī)內(nèi)部的全雙工uart不支持移位寄存器方式,因此可采用i/o端口虛擬移位寄存器方式。用3個(gè)i/ o口分別提供時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和片選信號(hào)。掃頻時(shí)要用到定時(shí)器。c89c51內(nèi)部有3個(gè)16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器,其中t0和t1與標(biāo)準(zhǔn)89c51的計(jì)數(shù)/定時(shí)器兼容。選擇t0作定時(shí)器,采用自動(dòng)重裝方式,即tmod=0x02;選擇系統(tǒng)時(shí)鐘作為定時(shí)器的時(shí)鐘源,即ckcon=0x08;tl0和th0中裝入初值,其中tl0保持計(jì)數(shù)值,而

50、th0保持重載值。在需要啟動(dòng)定時(shí)器時(shí),令tr0=1,開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)tl0中的計(jì)數(shù)值發(fā)生溢出時(shí), tf0被置位,th0中的重載值被重新裝入到tl0,這時(shí)只需將tf0軟件清零可重新計(jì)數(shù)。mc145170內(nèi)部有三個(gè)寄存器：c寄存器、r寄存器和n寄存器。通過(guò)89c51單片機(jī)向c寄存器寫(xiě)入控制字，用于mc145170工作狀態(tài)的控制。r寄存器中載入?yún)⒖碱l率，參考頻率由外部晶振決定。本次設(shè)計(jì)則是采用的10mhz的外部晶振。pll初始頻率放入n寄存器內(nèi)。89c51通過(guò)累加的方式改變送入n寄存器的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)頻率的大小。當(dāng)n寄存器內(nèi)的數(shù)值被初始頻率相除與參考頻率一致或相差很小時(shí)，89c51將自動(dòng)向mc145170送

51、入一個(gè)控制信號(hào)，使n寄存器鎖定此數(shù)值，因而鎖定該頻率，達(dá)到精確調(diào)節(jié)頻率的目的。42 單片機(jī)控制部分主要程序模塊的處理流程圖結(jié)束f = fr無(wú)操作n-n+掃描按鍵有鍵按下f = fv載入初值初始化芯片開(kāi)始nyny圖4.1 主程序流程圖第十四章 調(diào)試中遇到的主要問(wèn)題本次設(shè)計(jì)所處理的是高頻信號(hào)，高頻信號(hào)易受到電路寄生噪聲的干擾，因此，對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)有著較高的要求。由于這是我第一次進(jìn)行高頻電路的設(shè)計(jì)制作，在硬件電路的設(shè)計(jì)布局方面欠缺經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到的最主要的問(wèn)題就是噪聲的干擾。在電路板的布局上，由于每個(gè)模塊都是進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，所以在設(shè)計(jì)上忽略了其間的關(guān)聯(lián)性，每個(gè)模塊都進(jìn)行了單獨(dú)的電源線(xiàn)和地線(xiàn)

52、的連接。正是由于這些電源線(xiàn)和地線(xiàn)，噪聲引入到了電路。而到了鎖相環(huán)路的調(diào)試階段時(shí)，為了簡(jiǎn)化該電路的電源線(xiàn)和地線(xiàn)，都沒(méi)有經(jīng)過(guò)很好的考慮就分別直接接到了一起，由一根引線(xiàn)引出，并且在走線(xiàn)時(shí)也欠缺考慮，導(dǎo)致電路板上導(dǎo)線(xiàn)糾結(jié)。而正是由于這些不規(guī)范的引線(xiàn)，從而使電路產(chǎn)生出了噪聲干擾。在低通濾波器的設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中，由于高頻信號(hào)是濾除的對(duì)象，且相對(duì)簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，致使我未能認(rèn)識(shí)到噪聲干擾的嚴(yán)重性。相反，低通濾波器的設(shè)計(jì)和調(diào)試都是比較成功的。在圍繞mc1648進(jìn)行壓控振蕩器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程當(dāng)中，由電壓控制產(chǎn)生的信號(hào)都是高頻信號(hào)，但前一級(jí)的低通濾波器的幅頻特性較好，對(duì)高頻噪聲的干擾有很好的抑制，但輸出信號(hào)仍然有噪聲

53、。當(dāng)由mc145170搭建的頻率合成器連接到鎖相環(huán)電路上時(shí)，鎖相環(huán)電路輸出的信號(hào)所包含的噪聲干擾以及地線(xiàn)耦合進(jìn)來(lái)的高頻噪聲，都嚴(yán)重影響了頻率合成的輸出電壓，導(dǎo)致直流信號(hào)被噪聲淹沒(méi)，從而對(duì)本次的設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。其次，在高頻電路的設(shè)計(jì)中，引線(xiàn)都應(yīng)使用多股線(xiàn)來(lái)連接，因?yàn)槎喙删€(xiàn)能抑制導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的寄生電容。如果對(duì)該電路板進(jìn)行合理布局，甚至是進(jìn)行單獨(dú)的電路板設(shè)計(jì)，都能對(duì)噪聲干擾有很好的抑制。結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)入了尾聲，整個(gè)這個(gè)過(guò)程在指導(dǎo)老師的耐心教導(dǎo)下經(jīng)過(guò)很多次地修改和調(diào)試。在工作量上，很大一部分的工作量花在了鎖相技術(shù)的學(xué)習(xí)研究和硬件電路的調(diào)試。在這里將本次設(shè)計(jì)所做的工作一一列出

54、：1、 搜集、查閱鎖相環(huán)路技術(shù)的文獻(xiàn)資料，對(duì)鎖相環(huán)路技術(shù)進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)和了解，并制定初步方案。2、 對(duì)整個(gè)電路的信號(hào)流程進(jìn)行推導(dǎo)，掌握每一級(jí)的輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此確定每一級(jí)的電路設(shè)計(jì)方案，畫(huà)出電路原理圖。3、 確定一套完整的設(shè)計(jì)方案，并畫(huà)出相應(yīng)的電路圖，其中各元器件參數(shù)的選定由對(duì)應(yīng)的指標(biāo)決定。4、 具體的硬件電路布板與連接。在布板的過(guò)程中，需要考慮各級(jí)之間的連接關(guān)系，地線(xiàn)和電源線(xiàn)尤為重要，因?yàn)檫@些引線(xiàn)在高頻電路中都會(huì)成為引入噪聲干擾的因素。而電路的焊接是一個(gè)考驗(yàn)技術(shù)和態(tài)度的過(guò)程。每一個(gè)元器件的安放，每一根導(dǎo)線(xiàn)的連接，每個(gè)模塊放置以至整體電路的布局，進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃。而焊接電路則需要細(xì)心和認(rèn)

55、真的態(tài)度。焊接的好壞直接導(dǎo)致了電路的運(yùn)行狀況，必須保證每個(gè)焊點(diǎn)的可靠性，這為之后電路的調(diào)試打下了良好的基礎(chǔ)。5、 硬件電路調(diào)試。經(jīng)過(guò)前期的理論分析，得出理論值。再進(jìn)行實(shí)際電路調(diào)試，所有輸入電壓和信號(hào)都分別由電壓源和信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，使輸出有比較理想的結(jié)果。但是，電路本身的一些局限性或是考慮不周的方面，以及各模塊之間的連接所產(chǎn)生的問(wèn)題，都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，也取得了較為明顯的效果。6、 軟件的編寫(xiě)和調(diào)試。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的軟件設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試過(guò)程，掌握了軟件的調(diào)試方法及軟件源代碼編寫(xiě)的注意事項(xiàng)。掌握了軟件編程的整體思想。最重要是鍛煉了自身刻苦鉆研，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的實(shí)際動(dòng)手能力。7、 完成課題任務(wù)。經(jīng)過(guò)對(duì)軟件和硬件電路的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)頻率的精確輸出。這是對(duì)理論知識(shí)的很好應(yīng)用，也是對(duì)自身能力的一種肯定。 本次設(shè)計(jì)，對(duì)自己動(dòng)手能力有了很大的提