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微波射频源的产生,射频识别技术 2008.10.14,主要内容,锁相环概念介绍 利用单片机和锁相环产生微波射频源,一、锁相环概念介绍,本节我们分为以下三个方面进行讲解： 1、锁相环的基本组成 2、锁相环的工作原理 3、锁相环的应用,1、锁相环的基本组成,许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信 号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这 个目的。 锁相环路是一种反馈控制电路，锁相环的英文全称 是Phase-Locked Loop，简称PLL。锁相环的特点是：利用 外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相 位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的 自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路 。,续1、锁相环的基本组成,锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入 信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相 位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是 锁相环名称的由来。 锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振 荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如下:,续1、锁相环的基本组成,锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和 输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成ud(t)电压信号输 出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc(t)对振荡 器输出信号的频率实施控制。 它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率 和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内 检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号 正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调 制的直流电平。 由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号 V c(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频 率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减 小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。,2、锁相环的工作原理,锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘 法器组成的鉴相器电路如下所示: 鉴相器的工作原理是: 设外界输入的信号电压和压控振荡 器输出的信号电压分别为:,续2、锁相环的工作原理,式中的0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直 流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率. 则 模拟乘法器的输出电压ud(t)为:,续2、锁相环的工作原理,用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频 分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t): 式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率，i(t)和o(t)分 别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得 瞬时频率和瞬时位相的关系为:,续2、锁相环的工作原理,我们即可得到: 从而得瞬时相位差d为: 对两边求微分，可得频差的关系式为:,续2、锁相环的工作原理,上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态, 此时输出和 输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态Uc(t)为恒定值, VCO 输出频率恒定. 当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁 定，输入信号和输出信号的频率不等,Uc(t)随时间而变, VCO输出 频率随时间变化. 压控振荡器的压控特性如图所示 : 该特性说明压控振荡器的振荡频率 u以0为中心，随输入信号电压 uc(t)的变化而变化。 该特性的表达式为:,续2、锁相环的工作原理,上式说明当uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率u也随时 间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率, 使锁相环进入锁定的状态，并保持0= i的状态不变。 对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立 刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着 改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。环路的这种 状态称为跟踪状态。因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统， 其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠 相位差的作用。,3、锁相环的应用,1. 锁相环在调制和解调中的应用 (1)调制和解调的概念 为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号 进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号. 所谓的 调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uc的参数，使载波信 号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频 率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三 种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度 的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输 入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相 等，相位随输入信号幅度的变化而变化。,续3、锁相环的应用,续3、锁相环的应用,(2)锁相环在调频和解调电路中的应用 调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环 的固有振荡频率0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持0不 变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号 uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以0为 中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号. 由此可得调频电 路可利用锁相环来组成，同理可以用锁相环组成解调电路. 由锁相环 组成的调频电路解调电路组成框图如下:,续3、锁相环的应用,续3、锁相环的应用,2锁相环在频率合成电路中的应用 在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石 英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、 倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号 输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输 出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。 图中的N大于1时，为分频电路；当0N1时，为倍频电路。,二、微波射频源的产生,我们利用单片机控制锁相环来实现微波射频源的产生，接口为 SPI(软件实现即可)，任何具有三个通用I/O管脚的单片机都可以选 用；锁相环我们选用国家半导体公司(National Semiconductor)生 产的lmx2531系列，具体介绍见数据手册。 lmx2531系列锁相环中有14个24位寄存器，这些寄存器定义了 锁相环的各种工作状态控制位通过SPI接口向这14个寄存器里写入 数值就可控制锁相环输出相应频率。每个24位寄存器的最后四位均 为寄存器的地址位，前20位为数据位。其中比较重要的寄存器有R3 、R6和R7。,二、微波射频源的产生,续二、微波射频源的产生,单片机程序设计： 1、端口定义和端口初始化 定义： sbit PLL_LE = P20; / PLL锁存使能位控制端口 sbit PLL_CLK = P21; / PLL时钟输入端口 sbit PLL_CE = P22; / LMX2531芯片使能端口 sbit PLL_DATA = P23; / PLL数据输入端口 初始化： XBR2 = 0x40; /交叉开关使能，使能全局弱上拉 P2MDOUT |= 0x0F; /P2.0-P2.3推挽输出,续二、微波射频源的产生,2、写一个24位寄存器子程序 因为寄存器为24位，写一个寄存器要发送三个字节数据，不能 一次完成，所以我们分开写入；先写入高8位一个字节的数据，再写 入低16位两个字节的数据。 根据时序要求，每发送一位数据，在数据和时钟管脚都要插入 适量的时延，从而实现高低电平持续状态。,续二、微波射频源的产生,void SendWord(uchar Word_H, uint Word_L) uchar k; PLL_CLK=0; PLL_LE=1; Delay(20); PLL_LE=0; for(k=0; k8; k+) /发送高8位 if(Word_H ,else PLL_DATA=0; Word_H=Word_H1; Delay(20); PLL_CLK=1; Delay(20); PLL_CLK=0; Delay(20); ,续二、微波射频源的产生,for(k=0; k16; k+) /发送低16位 if(Word_L,Delay(20); PLL_CLK=1; Delay(20); PLL_CLK=0; Delay(20); PLL_LE=1; Delay(20); PLL_LE=0; Delay(20); PLL_LE=1; ,续二、微波射频源的产生,3、配置锁相环寄存器子程序 void Config_PLL() uint i; PLL_DATA=0; PLL_CLK=0; PLL_LE=0; Delay(20); SendWord(0x84,0x0005); SendWord(0x80,0x0005); SendWord(0x80,0x07F5); SendWord(0x01,0x048C); SendWord(0x00,0x0BA9);,SendWord(0x03,0x0008); SendWord(0x00,0x6D07); SendWord(0x08,0xE656); SendWord(0x00,0x0004); SendWord(0xBC,0xE623); SendWord(0x56,0x8042); for(i=0; i1000; i+) Delay(200); SendWord(0x3E,0x8001); SendWord(0xDC,0x0000); ,续二、微波射频源的产生,4、主程序 void main(void) EA = 0; WDTCN = 0xDE; /禁止看门狗 WDTCN = 0xAD; SYSCLK_Init(); /时钟初始化 PORT_Init(); /端口初始化 PLL_CE=1; /给PLL供电 Config_PLL(); /配置PLL P