基于FPGA与锁相环技术结合的可控信号源设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目： 基于FPGA与锁相环技术结合的可控信号源设计 系： 电气信息学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 200901030116 指导教师： 2013年4月22日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述1 引言 所谓基于FPGA与锁相环技术结合的可控信号源设计是以LC振荡电路为振荡源，经过变容二极管来调节振荡器的频率，使得振荡器输出波形没有明显失真，FPGA+单片机作为整个设计系统的测试控制部分，FPGA负责测频及对锁相环的控制，以单片机的输出连接数码管显示振荡器输出频率，其中锁相环用来提高输出频率的稳定度。而在当今计算机，测量技术，通信技术和石英钟表制作技术领域，经常需要精确度高，频率稳定度高且方便可调的可控信号源，为满足此种需要，本设计利用FPGA与单片机的各自优势，利用锁相环频率合成器来控制压控振荡器，从而可以产生高精确，高稳定度，频率可调的多频率点，也是使得该课题成为可能。利来用锁2 锁相环技术 锁相环技术始于De Bellescize在1932年提出同步检波理论,首次公开发表了对锁相环的描述，实现同步检波。到1940年,锁相环第一次用于电视接收机扫描同步装置中, 改善了电视图像质量。随后,由杰斐和里希廷利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功,第一次发表了包含有噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章,同时解决了锁相环路最佳化设计的问题。随着集成电路技术的发展,逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环及多种专用集成锁相环,PLL变成一个成本低、使用简便的多功能组件。目前, 锁相原理的应用已经深入到通信、雷达、原子物理学,流体力学等。锁相环 (PLL:Phase Locked Loop) 技术常用的两种模拟锁相环和数字锁相环。2.1 模拟锁相环 模拟锁相环，就是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。模拟锁相环优点多，但也有其缺点: 无源部分( 电感,电容)未能随工艺成比例减小;工艺发展使电源电压降低,电压设计范围下降, 增大了设计难度; 阀值电压的下降使得电路抗干扰能力下降,器件饱和,如放大器的输出饱和点下降, ADC的精度下降等;直流零点漂移;对电源噪声也很敏感;受温度影响;晶体管尺寸减小使得边缘效应更明显; 寄生参数影响也增大。根据要求不同一般应用在锁相接收机、载波提取、恢复基带时钟信号、调角信号解调;在通信中调制解调自动频率微调;在雷达中天线自动跟踪与精密辅角偏转测量;在空间技术中测速定轨、测距与遥测数据获取;在电视机中电视机同步、门限扩展解调的同步检波等。2.2 全数字锁相环（ADPLL） 全数字锁相环由边沿控制ECPD,环路滤波器（一般可用可逆计数器）,压控振荡器所构成。数字锁相环噪声特性较差,当进行频率调整的时候, 输出频率会产生抖动,频差越大,抖动会越大等缺点,但其有更多更实用的优点。优点如下： (1)其面积小、电路成本低,振荡器输入不再是模拟信号, 而是数字控制单元, 使得LPF由模拟型被数字型代替,集成在chip内十分节约面积。 (2)功耗小、可靠性高、工作稳定、环路带宽和中心频率编程可调, 易于构建高阶锁相环,不需AD及DA转换。 (3)ADPLL的相位噪声可做的更好,DCO的分解精度,相位噪声和TDC的分解精度主要决定了PLL的相位噪声特性。 (4)抗PVT性能更好,采用数字校正技术,使PLL的整体性能更牢固。 (5)数字系统的设计灵活,如数字表示的相位经过加法器能够实现检相,经过数字滤波器能够实现滤波,经过乘法器能够实现信号的缩小和放大;如果使用更先进的工艺,可以提高数控振荡器的分辨率, 更进一步提高系统性能。如今的工艺技术,MOS clock速度越来越快,TDC分解精度也得益于此,这也是ADPLL的一个重要的发展趋势。2.3 锁相环的应用 因为锁相环路结构简单, 性能优越等特点,现在广泛应用于无线电通信、数字电视、广播等众多领域。概括起来,锁相环的应用主要以下几方面。 (1)时钟发生器/频率综合器。锁相环锁定后,输出时钟频率是输入时钟频率的N倍,也就是说,锁相环可以从低频输入时钟产生高频输出时钟。系数N是固定的称为时钟发生器,可以变化的称为频率综合器。与石英晶体振荡器相比,用锁相环提供时钟成本低,对印刷电路板、芯片封装的带宽要求大为降低。 (2)时钟恢复。数字通信系统中,发送端往往只发送数据流而不传输时钟信号。接收端为了能正确地接收数据,必须从数据中恢复出同步时钟。 (3)抑制时滞效应。时钟信号负载大,需通过缓冲器来提高其驱动能力;芯片内部有连线延迟,为了抑制时滞、提高系统的稳定性,可以采用锁相环来校准时钟。 (4)调制和解调器。锁相环本身就是一个调频解调器,经过合理的应用,锁相环路可以作任何调制方式的调制器和解调器。3 频率合成技术频率合成技术是利用综合或合成的手段，综合晶体振荡器频率稳定度、准确度高和可变频率振荡器改变频率方便的优点，克服晶振点频工作和可变频率振荡器频率稳定度、准确度不高的缺点，而形成的频率合成技术。频率合成技术在本世纪30年代开始提出，它的发展已经有70年的历史。从早期的机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，到机械结构简化、小型化、多功能等各方面都有了显著的进展。在这70年的历史中，大致可以分成三个发展阶段：直接式频率合成技术 (DS:Direct Frequency Synthesizers)，锁相环 (PLL:Phase Locked Loop) 频率合成技术以及直接数字频率合成技术(DDS:Direct Digital Frequency Synthesis)。 3.1 锁相环频率合成技术信号源输出Fin后接一R计数器输出Fi在经过鉴相器通过一N计数器，鉴相器另一输出端接一低通滤波器后在与压控振荡器连接，压控振荡器输出端与N计数器输出端进行合成Fo。锁相环它最早用于电视机的扫描同步电路，以减少噪声对同步的影响，从而使电视的同步性能得到重大改进。同时，它的低噪声跟踪特性也得到人们的高度重视，发展越来越快，以至于今天被广泛的应用于无线电技术领域的各个方面。锁相环合成技术也叫间接式频率合成，这种合成方法所使用的电路较直接式频率合成简单。它主要是将合成有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相环相当于大量滤波器，有利于集成。由于它是采用闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长，所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难。锁相环的频率转换时间一般为毫秒级，同时频率间隔也不可能做得很小。3.2 直接频率合成技术(DS) 直接频率合成技术，就是用是用硬件对高稳定的一个或几个基准频率进行加、减、乘和除的运算，从而产生所需要的频率信号源，并通过窄带滤波器选出。这是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。它包括直接式相关频率合成器和直接式非相关频率合成器。直接式相关频率合成只有一个频率参考源，合成器所需产生的频率由这个参考源经过分频、混频、倍频后而产生，这样的方式产生的各个频率的精度和稳定度与参考频率源一致；直接式非相关频率合成器采用多个参考频率源，这样需要产生多个频率稳定度和精度都相同的频率源。直接频率合成器的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小，工作稳定可靠；其缺点是它需要采用很多带通滤波器，结构复杂，体积大，成本高，容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。 4 关于MC145152芯片 MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块采用半行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOSLSI锁相环频率合成器该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(128ROM参考译码器和12bitR计数器)、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10位可编程的10bitN计数器、6位可编程的6bitA计数器和锁定检测等部分。其中，10bitN计数器、6bitA计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：D=VNA。 (1)它与双模（P（P1）分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用（P1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。 （2）它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模（P（P1）分频器提供了总分频值（NPA）。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为31023，A的取值范围为063。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（NA）期间，MC为高电平。（3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。（4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。（5）它有两路鉴相信号输出，其中，R、V用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。(6) MC145152主要应用领域 锁相环频率合成器专用芯片MC145152，可以应用到预置一些频率并且锁定，在铁路上和通信的遥测上，雷达，信号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域应用的更为广泛，计算机，测量技术，通信技术和石英钟表制作技术领域也是应用较多。制振荡器】电子工业专用设备, , 一【刘乃安高频电路原理与应用西安西安电子出版社,【褚振勇, 翁木云设计及应用西安西安电子科技大学出版社,】程云长可编程逻辑器件与语言北京科学出版社,【】张迎新单片微型计算机原理、应用及接口【北京国防工业出版社,显示模块采用串行显示和分屏显示, 简化了数码管数量和驱动电路的作者5参考文献1 诸昌清、武元桢编著 电子线路试验（第二版），高等教育出版社，1991；173-1822 张建华主编 数字电子技术，机械工业出版社，1994；59-763 陈大钦主编 电子技术基础试验，高等教育出版社，2006；177-3074 樊昌信编著 通信原理教程，电子工业出版社，1988；55-895 冯重熙等 现代数字通信新技术，人民邮电出版社，1987；39-516 沈振元 聂志泉 赵雪荷 通信系统原理，西安电子科技大学出版社，1993；16-1137 罗卫兵 孙桦 张婕编著 SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社，2001；29-1018 阎石主编 数字电子技术基础，高等教育出版社，2005；228-3409 王秉均 现代通信系统原理M，天津大学出版社，1999；133-14510 张建斌.频率合成新技术及其应用.江苏技术师范学院院报，2003，9(2)：182311 蔡善法.直接数字频率合成器(DDS).空军电讯工程学院学报.12 舒丹舟，卢建川.用DDS实现快速跳频频综.电讯技术，1996 (6)13 高玉良，李延辉，俞志强.现代频率合成与控制技术.北京：航空工业出版社.14 邱迎锋，刘光斌.频率合成技术：历史、现况及发展.西安：第二炮兵工程学院.15 万天才.频率合成技术发展动态.微电子学，2004，34(4)：366370 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告1 课题的目的与意义 现代许多领域如计算机，通信技术，测量技术，在遥测系统智能设备中要求信号源的工作高质量，高稳定度，精确度高并且方便可调。另外在现在的小型化，智能化，通用型的信号源要求信号源更稳定，可靠，有时也要一定的可调。因此，高质量，高精确度，高频率稳定度可控信号源任然是现在所需要满足的，本课题的研究在此方面具有一定的意义。通过比较直接频率合成技术（DS），锁相环频率合成技术的各方面优缺点。直接频率合成技术频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小，工作稳定可靠；其缺点是它需要采用很多带通滤波器，结构复杂，体积大，成本高，容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。 而锁相环频率合成技术直接频率合成技术所固有的缺点，在锁相环频率合成技术中得到了很大的改善，这是频率合成理论的第一次革命。锁相环它最早用于电视机的扫描同步电路，以减少噪声对同步的影响，从而使电视的同步性能得到重大改进。同时，它的低噪声跟踪特性也得到人们的高度重视，发展越来越快，以至于今天被广泛的应用于无线电技术领域的各个方面。降低各种硬件的复杂程度，提高系统的整机性能意义重大。此外经过这次毕业设计也可以让我复习以前通信原理所学的知识，同时可以很好的K了解学习与课题相关的新知识技术。针对在实际中一些理论性强，难度大的知识点，不能完全领会的需要认真学习，勤奋好学，虚心求教。使以前所学的零散的知识系统化，积极研究，不断总结和探讨一些行之有效的研究方法能为我所用，从而能达到举一反三，触类旁通，融会贯通的程度。2 课题发展现状和前景展望现代频率合成技术正朝着高性能、小型化的方向发展。应用最为广泛的是锁相式数字频率合成器（PLL）和直接数字频率合成器（DDS）。早期的频率合成器主要由分立元器件来实现。80年代以来，微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得频率合成器趋于全集成化，所有电路都集成在一块芯片上。频率合成器的发展趋势是频率更高、系统功能更强、制作工艺更先进、集成度更高、成本更低、系列品种更加完善。双环或多环锁相式频率合成器、DDS与锁相式混合的频率合成器已经实现单片集成。在有些场合，专用DDS 芯片在控制方式、转化速度等方面往往与系统的要求差距很大，这时可用EDA（电子设计自动化） 技术按照自己的需要来设计基于DDS 的ASIC。另一种方法是用DSP 芯片来实现基于某种算法的DDS。用这种方法可以产生比采用正弦查表法更多的频