大动态范围锁相频率源.ppt

大动态范围锁相频率源 的设计思路 兼谈全国大学生电子设计竞赛 在电子本科人才培养中的作用 一、概述 n全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的四大 学科竞赛之一，目的在于推动全国普通高等学 校促进信息与电子类课程体系和课程内容的改 革； n有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的 创新能力、协作精神和理论联系实际的学风； n有助于学生工程实践素质的培养、提高学生针 对实际问题进行电子设计制作的能力； n有助于吸引、鼓励广大青年教师踊跃参加学生 课外科技活动，为青年优秀教师的脱颖而出创 造条件。 n2005年9月23日，本人参加全国电子学会 第11届学术年会。在院长论坛上，教育部 高教司领导和许多院士专家在都谈到全国 大学生电子设计竞赛在培养电子信息类人 才中所起的作用，认为： n（1）对高校电子类研究生培养质量的评 价，应把百篇优秀博士论文作为重点。 n（2）对高校电子信息类本科生培养质量 的评价，应把参加全国全国电子设计竞赛 的成绩作为重点。 n（1）电子设计竞赛成为教育部对高校电 子信息类专业评价的关键指标； n（2）在许多高校，获国家级奖励的学生 可以免试推荐研究生； n（3）电子设计竞赛获奖学生在就业时得 到用人单位的追捧。 训练学生参加全国电子设计竞赛应 该作为电子信息类专业的工作重点之一 。 电子设计竞赛题目的考点分析 n竞赛题目内容包括模拟电子线路、数字电子 线路、高频电子线路、微机原理及单片机、 FPGA、DSP等多门课程的内容。 n竞赛题目考核重在系统参数实现，设计手段 和调试方法掌握，科技论文的编写及文档标 准化等诸多方面，让学生具有科研和工程能 力。 电子设计竞赛题目类型分析 n2003年的竞赛题目如下： n电压控制LC振荡器（A题） n宽带放大器（B题） n低频数字式相位测量仪（C题） n简易逻辑分析仪（D题） n简易智能电动车（E题） n液位点滴速度监控装置（F题） 其中控制类2题、电子仪器类2题、高频线路类 2题。 电子设计竞赛题目类型分析 n2005年的竞赛题目如下： n正弦信号发生器（A题） n集成运放测试仪（B题） n简易频谱分析仪（C题） n单工无线呼叫系统（D题） n悬挂运动控制系统（E题） n数控恒流源（F题） n三相正弦波变频电源（G题） 题目更加侧重系统参数的的理解和测试 ，高频电路类的比重加大。 题目看似简单，但考核的 知识点多，实现也比较困难， 特别是在较短的时间内完成， 必须要求具有非常熟练的学科 知识和专业技能。 以下从2003年由本人辅导 的获全国二等奖的题目谈起 题目要点 n设计并制作一个锁相频率源，主要指标 为： n频率范围：15MHz35MHz。 n频率稳定度：大于10-5。 n频率程控步进，间隔小于100kHz。 n实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值 ，精度优于10。 n实时测量并显示振荡器的输出频率。 分析难点 n这是一个可以用来调谐或者扩频的频率 本振源。要达到稳定性指标，必须要用 锁相环来完成，由于培训阶段已经对程 序控制的锁相系统有所准备，包括频率 步进程序、锁相环与单片机接口，键盘 和LCD显示等已经不构造完成该题目的难 点。 仍有两个技术难点 n信号范围10MHz-35MHz，超过一个倍频程（ 大于2），而通常振荡电路（比如西勒电路） 本身的波段覆盖系数约等于1.8，一个独立的 压控振荡器（VCO）很难实现题目要求的动态 范围。经初步的实际调试，当低频端取15MHz 的话，高频端最多调试到25MHz； n振荡器在10MHz-35MHz的频率覆盖范围内要 保持输出幅度的不平度要小于10%。需要做稳 幅电路，或在放大器上做AGC、程控GC。 方案比较及选择 n两个难点中第一个难点必须面对（涉及 到能否拿到基本分）；第二个难点可以 先实现MGC，如果时间允许再实现AGC。 n要实现VCO的大覆盖范围，通常采用的方 法是转换波段法（程序控制回路线圈的 连接和关断，电视及卫星接收机的高频 头采用这样的方法）。 实现VCO的基本电路是西 勒振荡电路如下图 要实现压控振荡，LC回路电容 用变容二极管代替 为提高变容二级管的斜率，增加 频率覆盖范围，变容二极管可以 用多只级联，如图 转换波段设计 nVCO要实现的波段覆盖范围为1535MHz。 理论上讲改变变容二极管Cj的值即可实现 ，但在实践中并非如此。电容级联的变容 比也很难达到5.4。 n转换波段指：在不改变振荡主回路的情况 下，采用切换电感的方法实现设计任务中 对VCO输出频率覆盖的要求。切换的方式 可以采用程序控制开关三极管实现。 转换波段存在的困难 n要求设计合适的回路参数，使多频段刚 好重复，给程序实现频段跨越带来方便 。 n要实现以上目的，需要靠调试来确定， 短时间内无法完成。 n需要寻找一种更好的扩大VCO频率覆盖范 围的好方法。 一种大动态范围锁相频率源 的设计思路 将VCO的振荡频率设在为86MHz-126MHz， 其波段覆盖系数为F=126/86=1.45，容易实现 ,带锁相环的频率综合源也在这个频段实现； 86MHz-126MHz的信号与76MHz的固定本 振混频后得到10MHz-50MHz的信号。通过控制 锁相环的分频比，可以很容易的对频率值进 行步进控制，分辨率和精度都很高。锁相环 的控制部分采用单片机实现，就能够比较好 的满足题目要求。 该方案的方框图如图1所示 76MHz 75KHz 晶体振荡器鉴相器环路滤波器压控振荡器 晶体振荡器混频器 低通滤波器 Fo 86MHz126MHz 10MHz50MHz 电路设计 该系统包括三个主要部分的电路， n86M126MHz的锁相振荡电路； n76MHz的混频本振； n平衡混频器。 下面将分别介绍三个部分的具体电路。 86M126MHz的锁相振荡电 路 可以有三种办法来实现86M126MHz的可 程控变化的本振源 （1）DDS电路，步进可以很小，但与题目要求 的“电压控制LC振荡器”题目不符； （2）FPGA实现，如果事先没有准备，时间来不 及。 （3）采用集成锁相芯片，采用单片机控制步进 ，由于训练中有所准备，是最佳选择。锁相环 路设计和VCO电路的设计是首先要做的事。 锁相回路设计 n目前的锁相回路芯片，频率步进变化是通过 串行、并行或I2C等数据接口来控制，我们 采用BU2614芯片，主要考虑如下： （1）BU2614采用串行送数方式，节省单 片机的口资源。 （2）该芯片的最高截止频率为130MHz， 如果我们选取76MHz做为混频本振，要实现 10MHz-50MHz扫频范围，VCO的频率范围为 86MHz-126MHz，正是BU2614的工作频段。 （3）BU2614是2001年全国大学生电子设 计竞赛选用过的芯片，数据结构熟悉，编程 容易。 BU2614芯片、VCO以及其外围 回路部分具体框图如下： BU2614 fo 晶振M分频 鉴相器 环路 滤波器 压控 振荡器 N分频 单片机 控制 放大 电路 基准频 率 压控振荡器（VCO）的设计 n采用以uPC1651为核心，外接电感、电 容和变容二极管构成有源LC压控振荡器 ，控制电压来自环路滤波器的输出， VCO的输出信号除了用来混频之外，还 要接到BU2614的鉴相输入端，通过指定 的分频比分频之后，和基准频率作比较 得到相差值，作为锁相的依据。 VCO电路如图所示 环路（低通）滤波器的 设计 nBU2614的PD1鉴相输出电压，经过环路 滤波和放大后，加到变容二极管的两端 作为VCO的控制电压，来改变系统振荡 频率。 n环路滤波器采用有源滤波，以运算放大 器LM348为核心，外接电阻电容来实现 。 环路滤波器电路如图所示 76 MHz本振电路的设计 76MHz的本振频率，可以通过选取38MHz 晶体振荡信号的二次谐波得到。38MHz晶振 可以选用现有的电视中频器件，而76MHz频 率正好在电视4频道附近，选频滤波器就可 以直接选用目前市售的4频道带通滤波器（ 为了提高性能，可以多级级联，本方案中 用了三次带通滤波），得到了比较纯净的 76MHz本振信号。 混频电路的设计 选用了二极管环形（桥式）混频电路。 主要考虑到平衡混频环有较好的抑制载波能 力，制作和调试简单。 其它电路的设计 n要完成该题目还有其他电路需要设计和制作调试 完成： n（1）带AGC的放大电路，在10MHz-50MHz的带 宽范围内实现1V0.1的信号幅度参数。 n（2）测幅电路，有检波和LCD显示功能。 n（3）测频电路，采用分频整形后用单片机记数 的方式来实现，用LCD显示。具体电路如下图。 n（4）单片机与接口电路，包括LCD显示、小键 盘等。 测频电路的设计 n 实现了将几十兆的正弦信号，通过整形、分频之 后利用单片机对其记数，并完成LCD显示。 工艺设计 n在PCB设计和制做中注意以下工艺： n（1）大面积接地； n（2）采用贴片式元件； n（3）布线尽量走直线； n（4）本振、混频器等容易引起干扰的部 分体积小，独立屏蔽。 软件设计 n本次设计的信号源部分和测量部分别采 用两片AT89C52单片机实现，系统采用 模块化编程技术，采用了多种软件抗干 扰措施。 软件系统框图 系统初始化 送分频比初值 判断按键是否按下 判断步进值 改变分频比 是 否 测试仪器 nCCR5500U 100MHz示波器 nGSP810 频谱分析仪 nDA22A 高频毫伏表 nBT31 扫频仪 nIN1061A 标准信号发生器 nDF1731SD2A 直流电源 测试结果 1、LC振荡器的输出频率在10M50M之间 ，在12M50M之间波形不失真。 2、LC振荡器输出幅度可以达到1V0.1V 3、采用锁相方式，频率稳定度达到 4、实现了输出频率值按1M和100K的步进 值递增或递减。 测试结果 n 从测量结果看出，本次设计比较完 整的实现了题目要求的各种功能要求， 特别是大大扩展了频率范围，与其它方 案相比创新明显，指标优秀。 n 该设计获得全国电子设计竞赛国家 级二等奖和四川省一等奖。 n 该设计论文发表在无线通信技术 2004年第6期上。 完成该题目具有的素质就是对电子信息 类本科学生在该方面的基本要求 n具有深