PLL電路研究及在信號產(chǎn)生中應用畢業(yè)設計論文

1、Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 論 文專 業(yè)： 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 天津工程師范學院本科生畢業(yè)設計PLL電路的研究及在信號產(chǎn)生中的應用Research of PLL electric circuit and application in the signal-generating 摘 要摘要：隨著科學技術的開展，鎖相環(huán)PLL是自動頻率控制和自動相位控制技術的融合。鑒于其在通訊、航海、軍事等發(fā)面的廣泛應用，研究鎖相環(huán)電路的特性有助于了解和提高鎖相環(huán)電路的性能指標，使其在各領域得到更為廣泛的應用和推廣，其具有很強的

2、實際應用價值。本設計基于數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術,采用AT89S52單片機完成電壓控制LC振蕩器的控制?？煽刂茊纹瑱C改變頻率，步進為100KHz；可實時測量壓控振蕩器輸出頻率、輸出電壓峰峰值，并用數(shù)碼管顯示器顯示；在輸出負載為容性阻抗時，用一個串聯(lián)諧振回路提高其輸出功率；采用了交流電壓反響和AGC電路來穩(wěn)定輸出電壓；末級功放選用三極管2SC2668，使其工作在丙類放大狀態(tài)，提高了放大器的效率；輸出正弦波比較穩(wěn)定，沒有明顯失真；輸出頻率穩(wěn)定度到達10-3；輸出功率20mW；輸出電壓可穩(wěn)定在1V±0.1V。關鍵詞：鎖相環(huán)；壓控振蕩器；頻率測量；信號產(chǎn)生；單片機ABSTRACTAbstra

3、ct: Along with the science technical development, lock mutually the wreath PLL is mutually automatic frequency control and auto control technical fusion. Owing to it is in the hair noodleses, such as communication, voyage and military.etc. of extensive applied. The research lock mutually the charact

4、eristic of wreath electric circuit help understanding and exaltation to lock mutually the function index sign of wreath electric circuit, Make it get more extensive application and expansion in each realm, it has very strongly physically applied value.The system adopting AT89S52 to design the VCO is

5、 based on the digital frequency synthesize technical .The digital PLL principle is used and the control of the core chip MC145163 is accomplished by AT89S52. It can automatically change and measure the frequency of VCO with a step of 100 kHz and VP-P and display it by LED .Meantime it realizes the f

6、unctions of expanding the frequency, which make more practical. The design is program with AT89S52 . It is proved to be well functioning, the output frequency is stable and the power of is over 20mW, and the capability indexes are also good after testing.Key Words：PLL;voltage controlled oscillator;

7、frequency measure; signal-generating; SMCU目 錄 引言12系統(tǒng)組成33方案論證與比較43.1壓控振蕩器方案論證與選擇43.2頻率合成器的設計方案論證與選擇43.3控制模塊的設計方案論證與選擇 53.4電源方案的選擇54鎖相環(huán)777鑒相器的時序圖8捕捉帶與通頻帶95單元電路的設計105.1壓控振蕩器105壓控振蕩器MC1648115壓控振蕩電路設計115.1.3變?nèi)荻壒芘c開關二級管切換電路125.2鎖相環(huán)式頻率合成器的設計125鎖相環(huán)控制電路設計125.2.2 MC145163的管腳圖與內(nèi)部組135.2.3 MCl45163P的相位比較器145.3低通

8、濾波器155.4電源電路設計165.5電子控制單元電路ECU165.5.1 89C52單片機的管腳說明165.6頻率測量顯示電路206 軟件設計217 測試結果238 結論249參考文獻25致謝26附錄：系統(tǒng)原理圖27附錄2：環(huán)境參數(shù)檢測程序281 引言1.1一、課題研究意義隨著我們國家社會、經(jīng)濟的飛速開展，通信技術、數(shù)字電視、航空航天和遙控技術的不斷開展，且相關領域的知識體系進一步完善與拓展，各種類型的現(xiàn)代化通信設備被廣泛的運用，對頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率數(shù)量的要求也越來越高。為了提高頻率的穩(wěn)定度，經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它很難產(chǎn)生多個頻率信號。而頻率合成技

9、術，可以通過對頻率進行加、減、乘、除運算，從一個高穩(wěn)定度和高準確度的標準信號源，產(chǎn)生大量具有同樣高穩(wěn)定度和高準確度的不同頻率。頻率合成器是從一個參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的器件?；陬l率合成器的這以一特點，利用鎖相式頻率合成技術，可以制作高穩(wěn)定度、寬頻帶的正弦波信號發(fā)生器。鑒于其在通訊、航海、軍事等發(fā)面的廣泛應用，研究鎖相環(huán)電路的特性有助于了解和提高鎖相環(huán)電路的性能指標，使其在各領域得到更為廣泛的應用和推廣，其具有很強的實際應用價值。隨著科學技術的開展，鎖相環(huán)PLL是自動頻率控制和自動相位控制技術的融合。其原理在數(shù)學理論方面早在30 年代無線電技術開展的初期就已出現(xiàn)。1930年已建立了同步控制理論

10、的根底，1932 年貝爾塞什(Bellescize)提出了同步檢波理論，第一次公開發(fā)表了鎖相環(huán)路的數(shù)學描述。用鎖相環(huán)路提取相干載波來完成同步檢波，早期的鎖相環(huán)路采用電子管且價格昂貴，只能用在實驗裝置中，在其他領域未得到廣泛應用。電子技術的飛速開展促使鎖相環(huán)技術的開展進程。特別是由于戰(zhàn)爭，電子技術在軍事領域的重要作用，使得其技術得到顯著的提高。50 年代隨著空間技術的開展，由杰費(Jaffe)和里希廷(Rechtin)利用鎖相環(huán)路作為導彈信標的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章，同時解決了鎖相環(huán)路最正確化設計問題。1.3 系統(tǒng)的特點與先進性本系統(tǒng)具有結構簡單

11、、信號穩(wěn)定可靠、性能價格比高且易于維護，其主要特點表達在：1. 采用AT89S52單片機完成電壓控制LC振蕩器的控制，實時測量并顯示壓控振蕩器輸出頻率及輸出電壓峰峰值精度優(yōu)于10；2. 用數(shù)碼管顯示器，具有實時顯示環(huán)境；3. 輸出頻率范圍：15MHz45MHz；4輸出頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10³；5輸出電壓峰-峰值：；6采用鎖相環(huán)提高輸出頻率穩(wěn)定度，輸出頻率步進間隔為100kHz；7頻率步長step10kHz。本設計利用鎖相環(huán)技術產(chǎn)生一個失真度小、輸出頻率穩(wěn)定，整個課題的設計需要用到鎖相環(huán)電路、MC145163芯片、AT89S52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、放大器、LED數(shù)碼管顯示電路等局部的研

12、究與設計。根據(jù)課題設計要求可知該系統(tǒng)需要利用環(huán)路濾波器LPF、可變分頻器÷N和壓控振蕩器VCO電壓信號，將放大后的信號送給換器進行轉(zhuǎn)換，并用PC機顯示轉(zhuǎn)換后的穩(wěn)定電壓。 2 系統(tǒng)組成根據(jù)要求設計信號發(fā)生器，輸出信號為正弦波信號。數(shù)碼顯示頻率鎖相環(huán)MC145163鑒頻器、分頻、鎖相環(huán)AT89S52單片機輸出壓控振蕩器低通濾波器頻率測量電路A/D轉(zhuǎn)換電路鍵盤控制圖2-1系統(tǒng)框圖本設計采用鎖相環(huán)式的頻率合成技術，利用鎖相環(huán)，使輸出的正弦波頻率與晶體振蕩器的穩(wěn)定度一樣。控制局部采用單片機AT89S52單片機完成電壓控制LC振蕩器的控制，實時測量壓控振蕩器輸出頻率及輸出電壓峰峰值；并用數(shù)碼管顯

13、示器對頻率、電壓峰峰值進行時時顯示；采用交流電壓反響和AGC電路輸出穩(wěn)定電壓，實時測量并顯示振蕩器輸出電壓峰-峰值，精度優(yōu)于10使其輸出穩(wěn)定的正弦波。系統(tǒng)框圖如圖2-1所3方案論證與比較3.1 壓控振蕩器方案論證與選擇 方案1：采用分立元件構成。利用低噪聲場效應管，用單個變?nèi)荻O管直接接入振蕩回路作為壓控器件。圖3-1 壓控振蕩電路電路是電容三點式振蕩器，如圖3-1所示。該方法實現(xiàn)簡單，但是調(diào)試困難，而且輸出頻率不易靈活控制1。方案2：采用壓控振蕩器和變?nèi)荻O管，及一個LC諧振回路構成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，便可改變壓控振蕩的輸出頻率。由于采用了集成芯片，電路設計

14、簡單，系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術可以使輸出頻率穩(wěn)定度進一步提高。綜上所述，方案2具有更優(yōu)良的物性和更簡單的電路構成，所以使用方案2作為本次設計的方案。3.2 頻率合成器的設計方案論證與選擇 方案一:采用直接式頻率合成器技術,將一個或幾個晶體振蕩器產(chǎn)生的標準頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列頻率,然后再對這些頻率進行倍頻、分頻或混頻，獲得大量的離散頻率。直接式頻率合成器頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換時間短，頻率間隔小。但系統(tǒng)中需要用大量的混頻器、濾波器等，體積大，易產(chǎn)生過多雜散分量，而且本錢高、安裝調(diào)試都比較困難。方案二：采用模擬鎖相式頻率合成器技術，通過環(huán)路分頻器降頻，將VCO的頻率降低，與參

15、考頻率進行鑒相。優(yōu)點：可以得到任意小的頻率間隔；鑒相器的工作頻率不高，頻率變化范圍不大，比較好做，帶內(nèi)帶外噪聲和鎖定時間易于處理。不需要昂貴康德晶體濾波器，頻率穩(wěn)定度與參考晶振的頻率穩(wěn)定度相同。缺點是分頻率的提高要通過增加循環(huán)次數(shù)來實現(xiàn)，電路超小型化和集成化比較復雜。方案三：采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術，由晶振、鑒頻/鑒相FD/PD、環(huán)路濾波器LPF、可變分頻器÷N和壓控振蕩器VCO組成。圖3-2分立元件構成的VCO電路圖利用鎖相環(huán)，將VCO的輸出頻率鎖定在所需頻率上。可以很好地選擇所需頻率信號，抑制雜散分量，并且防止了大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，與前兩種方案相位可以簡化批頻

16、率合成局部的設計，有利于集成化和小型化。頻率合成采用大規(guī)模集成PLL芯片MC145163；VCO選用MC1648；環(huán)路濾波器采用運放LM358和RC電路組成，即可完成鎖相環(huán)路的設計。利用該方法設計簡單，功能齊全，可靠性高，抗干擾性強。分頻器3分頻器2分頻器1諧波發(fā)生器晶振圖3-2分立元件構成的VCO電路圖綜上所述，選擇方案三采用大規(guī)模PLL芯片MC145163和其他芯片構成數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器。方案一：利用FPGA來控制集成芯片MC145163的分頻系數(shù)A和N，以改變輸出頻率的大小，但由于其開發(fā)周期和系統(tǒng)利用率考慮，價格昂貴，開發(fā)周期也較長。方案二：利用單片機AT89S52控制。內(nèi)有8K的F

17、lash，可用ISP在線下載，開發(fā)周期短，而且價格廉價，系統(tǒng)利用率高，使用方便靈活，易于進行功能擴展。系統(tǒng)的多個部件如頻率測量電路，鍵盤控制電路，顯示控制等都可以集成到一塊芯片上，大大減小了系統(tǒng)體積。 綜上所述，選擇方案二，采用AT89S52單片機構成控制局部。系統(tǒng)需要多個電源，AT89S52使用5V穩(wěn)壓電源，振蕩器的變?nèi)荻O管需要1-8V電壓，運放，功放等需要 8V穩(wěn)定電源。方案一：采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片MC34063芯片分別將3V的電池電壓進行直流斬波調(diào)壓，得到5V和8V的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系

18、統(tǒng)穩(wěn)定運作。方案二：采用三端穩(wěn)壓集成7805與7808分別得到5V與8V的穩(wěn)定電壓。利用該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠。綜上所述，選擇方案二，采用三端穩(wěn)壓器電路。4鎖相環(huán)4.1 鎖相環(huán)的概念鎖相環(huán)是指使高頻振蕩器的頻率與基準頻率的整數(shù)倍頻率一致時所使用的電路。通常基準振蕩器都使用晶體振蕩器，所以高頻振蕩的頻率穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。4.2 鎖相環(huán)根本框圖圖4-1是鎖相環(huán)的根本結構圖，由VCO、相位比較器、基準頻率振蕩器、環(huán)路濾波器所組成的。在這里用f r表示基準頻率振蕩器頻率，f 0那么表示VCO的頻率。當壓控振蕩器的頻率f 0由于某種原因而發(fā)生變化時，必然相應地產(chǎn)生相位的變化。0UR(t)VC

19、O鑒相器PD振蕩頻率隨VR而變化 基準振蕩頻率 Ud(t)C(t)環(huán)路濾波器圖4-1 PLL的根本結構圖相位的變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位f r相比較，使鑒相器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓分量C(t)。C(t)用來控制壓控振蕩器中的壓控元件參數(shù)，一般指的是變?nèi)荻O管，而這壓控元件又是VCO振蕩回路的組成局部，結果壓控元件電容量的變化將VCO的輸出頻率f 0又拉回穩(wěn)定值來。這樣，VCO的輸出頻率穩(wěn)定度即由參考晶體振蕩器所決定。由頻率與相位的關系可知，瞬時頻率與瞬時相位的關系是： t= (4.1) = + (4.2)為初始相位，為瞬時頻率。由上面討論可知加到鑒相器的兩個振蕩信號的

20、頻率差為 (4.3.)為參考晶體振蕩器的頻率， 壓控蕩頻率。此時的瞬時相位差為=+ (4.4)當兩個振蕩器的頻率相等時它們的瞬時相位差是一個常數(shù)，即：= (4.5) t= =0 (4.6) 亦即當兩個振蕩頻率相等時，有相位差，無頻率差3。4.3 鑒相器的時序圖當與 的關系為>。也就是VCO振蕩頻率低于時的狀態(tài)。此時相位比較器的輸出PD，如圖4-2所示，產(chǎn)生正脈沖信號，使VCO的振蕩頻率提高的信號。反之，當<是產(chǎn)生負脈沖。圖4-2相位/頻率比較器的動作這一PD脈波信號經(jīng)過回路濾波器的積分，便可以得到直流電壓VR，可以控制VCO電路。由于控制電壓VR的變化，VCO振蕩頻率會提高。結果使

21、得=在與f 0的相位成為一致時，PD端子會成為高阻抗狀態(tài)，使PLL被鎖定(Lock)。4.4 捕捉帶與通頻帶壓控振蕩器本來處于失鎖狀態(tài)時，由于環(huán)路的作用，使壓控振蕩頻率逐漸向標準參考頻率靠近，靠近到一定程度后，環(huán)路即能進入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉最大的頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。當環(huán)路已鎖定后，如果由于某種原因引起頻率變化，這種頻率變化反映為相位變化，那么通過環(huán)路的作用，可使VCO的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時環(huán)路即處于跟蹤狀態(tài)。環(huán)路所能保持跟蹤的最大失諧頻帶稱為同步帶，又稱為同步范圍或鎖定范圍。5 單元電路的設計5.1 壓控振蕩器壓控振蕩就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻

22、率控制器件。壓控器件一般是用變?nèi)荻壒?，它的電容量受到輸入電壓的控制，當輸入電壓變化，就引起了起振蕩頻率的變化。因此，壓控振蕩器事實是一種電壓頻率變換器。它的特性可用瞬時振蕩頻率與控制電壓C之間的關系曲線來表示，如圖5-1所示。圖上的中心頻率是在沒有外加控制電壓時的固有頻率。在一定范圍內(nèi)，與C之間是線性關系。在線性范圍內(nèi)，這一線性可用以下方程來表示。t=+KrC(t) (5.1) Kr是特性曲線的斜率，稱為VCO的增益或靈敏度，量綱為 rad/s.V,它表示單位電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小。0OC 圖5-1 壓控振蕩器的特性曲線 壓控振蕩器MC1648MC1648是一個8引線雙列直插的器件

23、，內(nèi)部電路圖如圖6-2所示。壓控振蕩電路由芯片內(nèi)部Q8、Q5、Q4、Q1、Q7和Q6，10腳和12腳外接LC諧振回路組成正反響的正弦振蕩電路4，其振蕩頻率： 5.2 5.3 5.3式中L C分別為電感、電容大小，為變?nèi)荻O管的電容量。圖5-2 MC1648內(nèi)部原理圖 壓控振蕩電路設計圖5-3為壓控振蕩電路圖。壓控振蕩器主要由壓控振蕩芯片MC1648和變?nèi)荻D5-3 壓控振蕩電路極管MV209以及諧振回路構成。MC1648需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路。為到達最正確工作性能，在工作頻率要求并聯(lián)諧振回路的QL100。電源采用5V 的電壓，振蕩器的輸出頻率隨加在變?nèi)荻O管上的電壓大小變化

24、而變化。通過切換電源來切換電感量，從而改變振蕩頻率。 變?nèi)荻壒芘c開關二級管切換電路 變?nèi)荻O管變?nèi)荻壒苁且环N特制的二級管，它的PN結電容變化范圍比較大，正常工作時，變?nèi)荻壒芗臃聪嚯妷?，在其PN結上產(chǎn)生電荷存儲，于是相當于一個電容，當反向電壓改變時，變?nèi)荻壒艿慕Y電容也發(fā)生相應的變化 。變?nèi)荻壒艿慕Y電容CVD和外加反向偏壓UR的關系可用下式表示。5.3 R 是加在變?nèi)荻O管的反向電壓，CVD0為UR=0時 的結電容U0 是接觸電位差；n是電容變化系數(shù)。5.2 鎖相環(huán)式頻率合成器的設計鎖相環(huán)控制鎖相環(huán)控制的根本原理框圖如圖5-5所示。采用鎖相環(huán)頻率合成，可以得到任意頻率步進,同時頻率穩(wěn)定度

25、與參考晶振相當,可以到達10-3。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器VCO、鑒頻/鑒相器FD/PD、低通濾波器LPF、可編程分頻器組成。它是應用數(shù)字邏輯電路將VCO頻率一次或?qū)掖蔚椭凌b相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進行比較，通過低通濾波器取出誤差信號來控制VCO的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上，由于采用了大規(guī)模集成電路塊MC145163，圖5-5鎖相環(huán)控制電路將圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器可編程分頻器集成在一個芯片中，不需要再單獨設計。同時利用AT89S52來控制MC145163，確定分頻系數(shù)A、N和發(fā)射頻率的對應關系。 MC145163的管腳圖與內(nèi)部組本設計PLL采用

26、IC采用Motorola公司MC145163P。圖5-6為MC145163P管腳排列的特性、引腳連接與結構圖。此IC集成了產(chǎn)生基準頻率的所需的晶體振蕩電路與分頻電路、用以分頻VCO信號的分頻電路以及比較與的相位比較器。圖5-6 MC145163P管腳排列在實際電路原理中引腳功能描述如表5-1所示。表5-1MC145163管腳功能引腳1至合成器的可編程N計數(shù)器的輸入，通常fin來自VCO，與AC耦合至引腳1。如果是像標準CMOS邏輯電平那樣的大振幅信號的場合，那么直接連接也可以引腳2電路連接VDD引腳3正電源+5VPD out引腳4可作VCO的控制信號使用的相位比較器3狀態(tài)輸出頻率頻率頻率RA0

27、，RA1引腳5，引腳6這些輸入，將設定基準分頻器R計數(shù)器的分頻比分頻，分頻比可從512、1024、2048、4096選擇， (引腳7 引腳8)這些相位比較器的輸出,通過與低通帶濾波器相結合,可成為VCO的控制信號頻率：產(chǎn)生L脈沖，頻率：，產(chǎn)生L脈沖頻率：，除了都有短的L脈沖產(chǎn)生外，其于都為H引腳9，BCD輸入引腳24這些輸入資料，當計數(shù)器的內(nèi)容為0時，將被預置于計數(shù)器。引腳9為10°位數(shù)的LSB，引腳24為103位數(shù)的MSB。因內(nèi)含拉降電阻，所以輸入開放時呈L電平。再使用BCD指撥開關，可以此隨意設定3至9999的分頻比內(nèi)部基準振蕩器或外部基準輸入信號的緩沖器輸出這些引腳如果接于晶體

28、振蕩器，就變成基準振蕩器。與地，以及與地應接以適當數(shù)值的電容器也可以作為外部產(chǎn)生基準信號的輸入。此信號通常以AC耦合于，但大振幅信號CMOS邏輯電平場合那么為DC耦合。外部基準mode,無需接至LD引腳28PLL鎖定檢測信號，PLL環(huán)路鎖定時的頻率與相位相同時呈H電平，鎖定外時產(chǎn)生L脈沖2對4解碼器13位元/R計數(shù)器4位數(shù)BCD/N計數(shù)器鎖定檢測相位比較器A相位比較器B24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 948 28LD56103 102 101 100RA0 RA17 MCl45163P的相位比較器圖5-7 MC145163的結構圖從圖5

29、-7中可以看出，相位比較器(PD)是PLL中的重要部件，MCl45163P中內(nèi)含兩個相位比較器(A和B)。其中相位比較器A是用輸信號邊沿判別相位的電路，這種相位比較器只對輸入信號的上升沿起作用，與輸入信號的占空比無關，由該類相位比較器構成PLL，它的同步帶和捕捉帶與環(huán)路濾波器(LF)無關而為無限大，但實際上將受到壓控振蕩器 (VCO)控制范圍的限制。5.3 低通濾波器低通濾波器由三極管和RC電路組成，其電路圖如圖5-8所示。低通濾波器用于濾除鑒相器輸出的誤差電壓中高頻分量和瞬變雜散干擾信號，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。鎖相穩(wěn)頻系統(tǒng)是一個相位反響系統(tǒng)，其反響

30、目的是使VCO的振蕩頻率由自有偏差的狀態(tài)逐步過渡到準確的標準值。而VCO如做調(diào)頻源用，其瞬時頻率總是偏離標準值的。振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化是緩慢的，鎖相環(huán)路只對VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量處于低通濾波器通帶之內(nèi)起作用，使其中心頻率鎖定在設定的頻率上。因此，輸出的調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高8。圖5-8 濾波電路圖電源電路如圖5-9所示，由于低通需要28V的工作電壓、MC1648、單片機、MC145163P等工作電壓需要5V，所以變壓器的輸出只需要接地和15V，考慮到高頻信號產(chǎn)生電路和單片機共用一個電源會互相干擾，所以采取對單片機單獨供電。由變壓器

31、出來的交流信號經(jīng)過穩(wěn)壓電路，得到5V和28V的穩(wěn)定電壓。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的直流電壓更穩(wěn)定。接小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲。圖5-9電源電路電子控制單元電路ECUECU是控制系統(tǒng)的核心，其作用是對輸入的信號進行檢測、運算處理和邏輯判斷，根據(jù)預先存儲的控制程序和試驗數(shù)據(jù)，向各執(zhí)行器發(fā)出控制指令，控制各執(zhí)行器的工作。89C52是控制系統(tǒng)內(nèi)部的主要局部，它是整個控制系統(tǒng)的處理單元，AT89C52是一種帶4K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATME

32、L高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-52 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52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。5.5.1 89C52單片機的管腳說明 VCC：供電電壓5V GND：接地P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。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)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供

33、上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。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。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。當P3口

34、寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳備選功能P3.0 RXD串行輸入口P3.1 TXD串行輸出口P3.2 /INT0外部中斷0P3.3 /INT1外部中斷1P3.4 T0記時器0外部輸入P3.5 T1記時器1外部輸入P3.6 /WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7 /RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST：復位輸入。要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。當8052通電，時鐘電路開始工作，系統(tǒng)即初始復位。常見復位電路如圖5-10所示。圖5-10復位電路ALE/

35、PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。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)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器0000H-FFFFH，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加5V編程電源VPP。 XTAL1：反向振蕩放大

36、器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無圖任何要求，但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。 MCS-52單片機的內(nèi)部結構如圖5-12所示。89C52單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 中央處理器中央處理器

37、(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器RAM89C52內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用存放器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用存放器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。 程序存儲器89C52共有4096個E2PROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時/計數(shù)器89C52有兩個16位的可編程，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控

38、制程序轉(zhuǎn)向。 并行輸入輸出口89C52共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口89C52內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 中斷系統(tǒng)89C52具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。 時鐘電路89C52內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但89C52單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard

39、)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-52系列單片機采用的是哈佛結構的形式。5.8 頻率測量顯示電路顯示電路如圖5-11所示。由于鎖相環(huán)產(chǎn)生正弦波的頻率較高，無法用單片機直接來測量它的頻率，必須先用高速分頻器來對它進行分頻，使它降低到單片機的測量范圍之內(nèi)。但又考慮到性價比的問題，可直接用頻率合成器MC145163P的控制字和分頻比來送給單片機顯示。當控制字是8600H時，也就是R0、R1、R2為000時，選擇步進為1K的標準頻率，頻率范圍從25MHz到54MHz，根據(jù) ()N是分頻比，為輸入BU2

40、614的頻率， 為標準信號源頻率;計算出分頻比的范圍： (5.6) ()轉(zhuǎn)化成十六進制的變化范圍是從61A8H到D2F0H。當控制字是8000H時，R0、R1、R2為110時，步進為25KHz標準頻率，頻率從54 MHz 到110MHz，根據(jù)上面的公式可得分頻數(shù)從0870H到1130H。送顯示的時候可把它的分頻數(shù)乘于所選擇的標準頻率，然后進行BCD碼轉(zhuǎn)換，再送給單片機處理。分頻比可通過按鍵來調(diào)整。設置四個按鍵，分別是加一、加十、減一、減十。當需要選擇較大調(diào)整時，可選擇加十或減十；當需要較小范圍調(diào)整時，可選擇加一或減一。圖5-11 顯示電路6 軟件設計本設計軟件的主要作用是用來控制MC14516

41、3、以及頻率的時時顯示。因為輸出正弦波的頻帶范圍較寬，又考慮到精確度的要求，當步進為10KHz、控制字為4500H時，輸出頻率的最大值只能為45MHz，所以為了到達更高的頻率，又能提高精確度，必須選擇兩種不同的標準頻率。因為分頻數(shù)乘于標準頻率化成BCD碼以后占用的字節(jié)數(shù)不同，所以要調(diào)用兩個不同的顯示單元。調(diào)整頻率時，可通過按鍵來實現(xiàn)，根據(jù)調(diào)用不同的子程序可以完成分頻比加一、加十、減一、減十，當復位鍵按下時，顯示的頻率為30MHz。每次判斷有按鍵按下時重新調(diào)用存儲，寫入新的數(shù)據(jù)，以防掉電時重新復位。軟件流程圖如圖6-1、6-2所示。初始化化清屏調(diào)用顯示程序?qū)懭隡C145163 判斷按鍵是否按下否

42、是 執(zhí)行相應按鍵的功能圖6-1主流程圖開始按鍵是否按下否是判斷哪個按鍵按下按鍵4按鍵3按鍵2按鍵1減1減10加10加1寫MC145163調(diào)用顯示圖6-2 按鍵流程圖7測試結果在整個設計系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)以后，用示波器可測量出各個頻率值與相對應的電壓值，由于考慮到正弦波的頻帶寬不能一一列出，這里測出以5MHz為步長,從15MHz到45MHz的6個測試頻率點。從表7-1測試結果可以得出，在45MHz的時候電壓值最大，也就是在這個頻率點的時候Q值最大。表8-1頻率與電壓的對應關系(頻率單位MHz)基準頻率15202530354045測得頻率電壓(V)8 結論由于晶體振蕩器單頻點的局限性，難于滿足多頻點的要求。

43、本設計為了修正石英晶體振蕩器的缺乏，運用鎖相環(huán)來產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度、高精確度、多頻點的正弦波信號。產(chǎn)生的正弦波信號可應用于調(diào)頻、解調(diào)、通信、電視等領域。本設計的優(yōu)點是，通過切換電感可擴大鎖相環(huán)的帶寬，實現(xiàn)15MHz到45MHz可調(diào)的頻率，結果滿足設計要求。此設計調(diào)試比較困難，要求經(jīng)過低通濾波以后的直流電壓穩(wěn)定性較好,如果不穩(wěn)定會造成壓控振蕩輸出頻率抖動。通過對低通中的RC值反復嘗試發(fā)現(xiàn)，如果C太小，會造成經(jīng)過低通以后的直流電壓有紋波成分；如果C太大，會造成了充放電的時間過長，低通濾波的變化速度跟不上PD信號變化的速度，導致壓控振蕩輸出頻率變化特別緩慢。要實現(xiàn)設計要求中的任務，使壓控振蕩輸出頻率在

44、15MHz到45MHz之間可變，就必須調(diào)整電感和電容的大小。電路中的高頻信號容易受到干擾，如果單片機與其它電路共用一個電源的話，會對單片機造成干擾；測試的時候不同的接地測出來的波形有較大差異，而且測試端的引線太長，會造成高頻輻射而使波形失真。為了防止這種情況，一般連接線都用屏蔽線。在實際操作中，由于個別元件的夠買和相關知識體系的不完善，讓我在想關問題上遇到了阻礙，就整體系統(tǒng)而言，原來設計的原理中有頻率的測量電路，但是在實際中，由于電路調(diào)試很屢次被燒壞，并且對其頻率的干擾較嚴重，在征得老師意見下，最后將其局部電路撤消，直接用單片機控制頻率的輸出值。此電路應用范圍廣泛，日常生活中的很多地方都有它的

45、應用。如無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，收音機等。隨著無線通信技術的開展，PLL信號源的應用也會越來越廣泛。9 參考文獻1日鈴木憲次，何中庸譯.高頻電路設計與制作M.北京：科學出版社，20052吳運昌.模擬集成電路原理與應用(第一版)M.廣州:華南理工大學出版社,20013全國大學生電子設計競賽組委會.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(第1版) M.北京:北京理工大學出版社,20034高桔祥，黃智偉.數(shù)字電子技術(第1版)M.北京:電子工業(yè)出版社,20036李廣弟.單片機根底M.北京:北京航空航天大學出版社，2001年7月7高桔祥，黃智偉，陳和.高頻電子線路M (第一版).北京:電子工業(yè)出版社,200

46、3 8何希才，劉洪梅. 新型通用集成電路實用技術M.北京:國防工業(yè)出版社， 19979李隆寶. 實用電子器件和電路簡明手冊M.北京:電子工業(yè)出版社，199110劉常澍，數(shù)字邏輯電路M.北京:國防工業(yè)出版社，200211單長虹，孟憲元.嵌入式數(shù)字鎖相環(huán)的設計與實現(xiàn)J.計算機仿真，第20卷，2003第6期:93-9512程佩清，數(shù)字信號處理M. 北京:清華大學出版社，200013陽昌漢，高頻電子電路M. 西安:西安交通大學出版社，200014鄒理和，數(shù)字濾波器M.北京:國防工業(yè)出版社，198215宗孔德，多抽樣率信號處理M.北京:清華大學出版社，199816張大彪. 采用單片機控制的 H動報WA7

47、 J.電子技術應用，1999,第10期 :19-2017 陳元享，胡家驥等.信號處理原理M.成都:四川大學出版社,198918肖麗君增強單片機系統(tǒng)可靠性的假設干措施J.電腦開發(fā)與應用，2000，第八期:60-6419劉春生.DTMF芯片HT9170在數(shù)據(jù)通信中的應用J.國外電子元器件.2002年第1期 2002年1月:22-2420 張迎新. 單片微型計算湘U1lmAt用及接口技術M.北京:國防T業(yè)出版社，致 謝畢業(yè)設計意味著我大學四年的學習生活即將結束，從此我將踏上新的人生征途，進入一個新的工作崗位，開始一段新的生活。在此，我要感謝在我做畢業(yè)設計期間幫助過我的老師。首先我要感謝我的畢業(yè)設計指