高频信号源的原理与制作课程设计_模版.doc

课程设计论文课程设计报告题目: 高频信号源的设计与制作原理所属系 电子工程系 专 业 电子信息工程 学 号 姓名 指导教师 起讫日期 设计地点 1高频信号源的原理与制作摘要 在通信领域中，锁相环频率合成器起着越来越重要的角色。频率合成器是一个系统，最初产生的一系列频率为参考频率的整数倍，参考频率通常是固定的。这样的合成器称为整数N频率合成器。频率合成器技术也不断前进，出现也很多新型的频率合成电路，并在通信电路中得到广泛应用。本次设计是以单片机AT89C51为核心元件同时采用LED数码管显示器动态实现锁相环频率合成器的设计、制作、观察、测试。频率合成器是现代电子系统的重要组成部分,在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域中被广泛应用。DDS合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。PLL则具有频带宽、工作频率高、频谱质量好等优点，但其不足之处为频率分辨率、频率建立时间等方面远不如DDS。如果把两者结合起来,取长补短,可以获得更高的频率分辨率,更快的信号建立时间,低相噪和宽输出频率范围AbstractIn a radio equipment widely used in todays societyThe frequency synthesizer is the main part of modern electronic systems, in communication, radar, electronic warfare, navigation, radio and television, remote control, instrumentation and many other areas has been widely used in synthesis of DDS low frequency and the output spectrum scatter greatly, and limits its application. PLL has a wide frequency band, high work frequency, the spectrum of the advantages of good quality, but its shortcomings as a frequency resolution and much DDS. If the two together, learn from each other, can obtain higher frequency resolution, faster signal setting time, low phase noise and wide range of output frequency我们这次课程设计研究基于锁相环的高频信号发生器的原理与制作接收设备中要采用振荡器产生本地振荡信号用于混频。这里的振荡器是一种无需输入激励信号就能自动产生交流信号的装置。本文阐述了基于PLL（锁相环）的高频信号发生器信号源的原理与内部结构、单片机的工作原理，以及输出显示电路的工作过程等内容。同时给出了对电路各个部分的调试和实验测量数据，以及高频信号发生器的原理图与PCB板图。从各个方面详细分析了高频信号发生器。The research on the curriculum design of the high frequency signal generator based on PLL design and fabrication The receiving device to be used for generating the local oscillation signal for mixing oscillator. The oscillator is a need not input excitation signal can automatically generate AC signal device.In this paper, based on the PLL ( phase lock loop ) of the high frequency signal generator signal source principle and internal structure, the principle, as well as output display circuit working process etc. The various parts of the circuit debugging and experimental measurement data, and the high frequency signal generator principle diagram and PCB board diagram. From the aspects of a detailed analysis of the high frequency signal generator.1实现原理本频率合成源要求输出频率可控，线性调频频率范围为1.82.2 GHz，且调频带宽可以改变：50 MHz，100 MHz，200 MHz和400 MHz 4档，调频周期相应为1 ms，2 ms，4ms，8 ms，相位噪声优于-95 dBc/Hz(1 kHz)。本着经济实用的原则，选择了8031单片机控制AD9854 DDS芯片激励PE3236 PLL芯片来输出合成信号，原理框图如图1所示。系统把要求的频率控制字存贮在只读存贮器ROM中，通过拨位开关控制8031选择给DDS 9854灌输频率控制字，使9854产生低频线性调频信号（300 MHz参考时钟是与单片机10 MHz时钟相参的），经无源低通滤波器LPF1平滑后送到鉴相器PE3236，鉴相器把DDS送来的低频线性调频信号和要求系统最终输出的线性调频信号经80分频后进行比相，得到误差电压，再经经典的二阶有源低通滤波器LPF2滤除高次谐波送给压控振荡器VCO，VCO输出系统要求的线性调频信号。 2硬件设计注意事项由于DDS+PLL是一项成熟的技术，所以在硬件的实现中，各个关键芯片的性能特点在许多文章和器件资料中都有介绍，本设计中软件的设置比较简单，这里不做介绍。把硬件设计过程中的注意事项作为重点，确保信号纯度好、相位噪声低。AD9854芯片是AD公司生产的性能很好的直接数字频率合成芯片。与传统的芯片相比,不但具有一般芯片所具有的相位累加器,正弦值存储表,还在相位累加器前加了一级频率累加器,后面集成了数模转换器,可提供正交的I/Q两路输出。在频率累加器的作用下产生线性增加的瞬时频率,经相位累加器输出信号的二次瞬时相位,以此相位值寻址正弦值存储表,得到与相位对应的幅度量比值,再经数模转换得到连续的阶梯波,经设计的滤波器滤除其中的高频分量,将得到的信号送到PE3236倍频电路。关键词：高频 频率源 信号合成频率合成器是现代电子系统的重要组成部分,在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域中被广泛应用。例如,在雷达设备中,他为发射机的调制器提供载频信号,也为接收机的混频器提供本振信号；在测试仪器中,他可单独作为标准信号源。随着电子技术的不断发展,各类电子系统对频率合成器的要求越来越高,对相位噪声、频率转换时间、频率分辨力、相对工作带宽、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求。所以在研制频率合成源时,应根据具体应用和要求选择适当的方案,以满足系统设计指标要求。直接频率合成（DDS）技术因有突出的特点，如输出波形灵活且相位连续（这是其最大优势）、频率稳定度高、输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小等，使其在频率合成源技术中被广泛应用，但DDS合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。PLL则具有频带宽、工作频率高、频谱质量好等优点，但其不足之处为频率分辨率、频率建立时间等方面远不如DDS。如果把两者结合起来,取长补短,可以获得更高的频率分辨率,更快的信号建立时间,低相噪和宽输出频率范围等性能。 1实现原理本频率合成源要求输出频率可控，线性调频频率范围为1.82.2 GHz，且调频带宽可以改变：50 MHz，100 MHz，200 MHz和400 MHz 4档，调频周期相应为1 ms，2 ms，4ms，8 ms，相位噪声优于-95 dBc/Hz(1 kHz)。本着经济实用的原则，选择了8031单片机控制AD9854 DDS芯片激励PE3236 PLL芯片来输出合成信号，原理框图如图1所示。系统把要求的频率控制字存贮在只读存贮器ROM中，通过拨位开关控制8031选择给DDS 9854灌输频率控制字，使9854产生低频线性调频信号（300 MHz参考时钟是与单片机10 MHz时钟相参的），经无源低通滤波器LPF1平滑后送到鉴相器PE3236，鉴相器把DDS送来的低频线性调频信号和要求系统最终输出的线性调频信号经80分频后进行比相，得到误差电压，再经经典的二阶有源低通滤波器LPF2滤除高次谐波送给压控振荡器VCO，VCO输出系统要求的线性调频信号。 2硬件设计注意事项由于DDS+PLL是一项成熟的技术，所以在硬件的实现中，各个关键芯片的性能特点在许多文章和器件资料中都有介绍，本设计中软件的设置比较简单，这里不做介绍。把硬件设计过程中的注意事项作为重点，确保信号纯度好、相位噪声低。AD9854芯片是AD公司生产的性能很好的直接数字频率合成芯片。与传统的芯片相比,不但具有一般芯片所具有的相位累加器,正弦值存储表,还在相位累加器前加了一级频率累加器,后面集成了数模转换器,可提供正交的I/Q两路输出。在频率累加器的作用下产生线性增加的瞬时频率,经相位累加器输出信号的二次瞬时相位,以此相位值寻址正弦值存储表,得到与相位对应的幅度量比值,再经数模转换得到连续的阶梯波,经设计的滤波器滤除其中的高频分量,将得到的信号送到PE3236倍频电路。IIPrinciple and Production of High-frequency Signal GeneratorAbstractIn the field of communications, PLL synthesizers playing an increasingly important role. Synthesis is a system, initially the frequency of a series of reference for the entire frequency several times, the reference frequency is usually fixed. This synthesizer called integer N Synthesis. Synthesis technology is constantly advancing, there are a lot of new frequency synthesizer circuit, and in the communications circuits are widely used. This design is utilizing the SCM to work, among which the SCM AT89C51 is the core element. Meanwhile, LED digitron monitor dynamically to be designed ,invented, watched ,texted.Keywords: phase locked loop (PLL)；PROTEL；PCB CARD；Synthesis目 录 高频信号源的原理与制作IPrinciple and Production of High-frequency Signal GeneratorIAbstractI第一章课程背景11.1 高频信号源11.2锁相环11.3单片机11.4频率合成器2第二章 课程目的32.1树立正确的设计理念32.2学会项目的设计流程32.3养成良好的研究习惯32.3巩固与知新3第三章 课程任务43.1 基本元器件认识43.2 高频信号源的制作4第四章 课程介绍64.1PLL频率合成64.11 LC正弦振荡器电路74.12环路滤波器94.13锁相频率合成器114.2频率设置及显示电路144.3输出电路154.4电源部分16第五章 调试总结185.1调试电路185.11压控振荡器电路的调试185.1. 2分频方波信号的观察195.1. 3场效应管静态工作电压调试195.1. 4输出波形及显示电路调试195.2实验总结205.2. 1设计步骤205.2. 2布局原则205.2. 3焊接问题205.2. 4调试问题20第六章 PROTEL 99SE 介绍226.1 PROTEL99SE的运行环境226.2电路工程设计部分226.3电路仿真与PLD部分22第七章 心得体会23附录24原理图24PCB25C语言源程序26第一章 课程背景 1.1 高频信号源 1.2锁相环1.3单片机 1.4频率合成器 1第二章 课程目的2.1树立正确的设计理念2.2学会项目的设计流程2.3养成良好的研究习惯2.3巩固与知新2第三章 课程任务3.1 基本元器件认识常见元器件基本知识，学会辨识常见元器件，了解常见基本元件的封装、参数，掌握元器件的选型。（1）电阻识别（色环标称法） （2）共阳数码管公共端的辨别 （3）二极管极性判别 （4）开关按键常开常闭管脚的判断 （5）电容识别（6）元件封装（7）元件选择3.2 高频信号源的制作1基本设计指标2. 设计要求：3、制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。4、编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。5、答辩在规定的时间内，完成叙述并回答提问3第四章 课程介绍本次设计主要由PLL频率合成，输出电路，频率设定与现实电路三个基本部分组成。4.1 PLL频率合成4.11 LC正弦振荡器电路 （1）电路原理：低通滤波器的输出通过高频扼流圈加至变容器两端，使其结电容随着相应发生变化，从而进一步使以为核心的电容三点式振荡器的输出频率随之变化，实现压控。（2）电路参数：电源电压9V，三极管选择S9018，特征频率为1100MHz。CE31、CE32、C31、C32、L31为稳压输入电路，组成型滤波，可防止交流电流流过电源。保证输入+9V电压不变，为Q501提供静态工作电压。L32为扼流线圈，防止高频振荡信号进入控制信号源。R31、R32、R33、R34为三极管静态工作点控制电路。振荡回路中D31D34对于直流信号不能形成通路，却能满足交流电容量的要求。振荡频率f0=。其中，为C34、CV31串联再和4个变容个二级管等效电容值f0=2834MHz。振荡回路特性阻抗。由于空载品质因数（）与有载品质因数（），特性阻抗选取100。上述分析可得下列二式： 联立方程可得：。实际取值L=0.22 ：从减小三极管和负载对振荡回路影响的角度考虑，可选系数：取值：CV31max=50pF；C34200pF；实际取值C1=360pF若振荡频率的实际结果与期望值有误差，可通过调整电感或电容参数来解决。 变容二极管特性4.12环路滤波器（1）基本特性：在锁相环路中，环路滤波器实际上就是一个低通滤波器，其作用是滤出除鉴相器输出的误差电压Ud中的高频分量和干扰分量，得到压控电压Uc。常用的环路滤波器有RC低通滤波器，无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器等。（2）电路设计 RC低通滤波器图3.6为一阶RC低通滤波器，它的作用是将中的高频分量滤掉，得到控制电压它的传输函数为式中，为时间常数。由此绘出一阶低通滤波器的幅频特性如图3.7所示：上限截止频率为，通频带。无源比例积分滤波器如图3.8所示，无源比例积分滤波器的传递函数为由上式可以看出，当很高时，滤波器的传输函数近似为成比例特性。这就是比例积分滤波器名称的由来。有源比例积分滤波器如图3.9所示，若设运放为理想运算放大器，则（虚断）即： 则可得环路滤波器LF设环路滤波器的上限截止频率为，从滤波的角度考虑，应有。若选简单RC低通滤波器，则有：取，则取，则。这里选RC有源比例积分滤波器作环路滤波器，取，。运算放大器可选单电源运放LM358。（3）实际电路图5.1.4 RC有源比例积分滤波器4.13锁相频率合成器（1）基本电路（2）工作原理N计数器级数大于A计数器（NA）。计数循环开始，模式控制信号MC=0，前置分频为P+1级分频（P+1）。A计数器计满后，MC信号置为1，前置分频P，N计数器接着之前计数。前置分频为P+1时，计数A次；前置分频为P时，计数N-A次。计数链条总分频比为： N=A(P+1)+P(N-A)=PN+Af0=( PN+A)fR此外，来自压控振荡器和双模前置分频器的输入信号fin同时加到A和N计数器进行计数分频。输入D1、D2、D3、D4在地址码A2A0控制下设置A和N，分别控制两计数器的分频比。由于NA，A计数器先计满，输出脉冲使双模双模控制逻辑MC由0变1，N计数器继续计数直到计满，MC重置为0状态，并将两计数器同时复零。R、N计数器的输出（A、B）同时送到鉴相器进行锁相状态检测。输出、 分别反映信号AB间超前与滞后情况。两电压经过低通滤波器去控制VCO的震荡频率以改善锁相状态，直到环路处于锁定状态，即fR=fV，=。7、8脚电压维持在高电平，锁相状态检测输出LD为高电平，LED灯亮。（3）145146频率合成器内部组成：MC145146是由4位总线输入，锁存器选通和地址编程的大规模单片集成锁相环双模频率合成器。芯片引脚：引脚1、2、20、19（D1、D2、D3、D4）：数字输入端，将输入信号交流耦合到此引脚，其输入信号率应小于30MHz; 引脚6、4、（VDD、VSS）：正电源与负电源，通常VSS接地； 引脚11、10、9（A2、A1、A0）：参考地址码输入端，用于选择内部锁存器； 引脚17、16（R、V）：鉴相器双输出端，用于输出环路误差信号； 引脚14（MC）为模式控制端，输出的模式控制信号加到双模前置分频器，即可以实现模式变化。 引脚7、8（OSCin、OSCout）为参考振荡端，当两端接上一并联谐振晶体时，便组成一个参考频率振荡器。 引脚3（fin）：输入端，将前置分频器的输出信号交流耦合到此引脚，其输入信号频率应小于30MHz 引脚15（fv）：输出端，该信号是经N分频器分频后输入到鉴相器信号。 引脚18（fR）：输出端，该信号是参考振荡器产生的信号经R分频器分频的信号，也是鉴相器的另一个输入信号 引脚13（LD）：为锁定检测端，用于检测锁定，当环路锁定时，LD为高电平，当环路失锁时，LD为低电平。 引脚5（PDout）：鉴相器输出端，用于输出环路误差信号（4）双模前置分频器MB504L是由富士通生产的双模前置分频器，分频比为32/33或者64/65。由MC145146内的鉴相器、运放LM358组成的有源低通滤波器和三极管9018构成的压控振荡器组成锁相环，再与MC145146内参考频率固定分频器、外部信号固定分频器和MB504L组成频率合成器。 基本电路：基本特性：合成原理NS=A(P+1)+P(NA)=PN+Afo=(PN+A)fN=PNfR+AfR用MB504L实现，与N计数器和A计数器一起构成吞脉冲程序分频器。4.2频率设置及显示电路（1）按键开关采用单键开关设置频率，S1频率增加10KHZ, S2频率增加100KHZ, S3频率增加1MHZ显示为十进制，分频控制为二进制。（2）LED数码管显示单片机的P1口用于控制4位LED的段选码；P2口的P2.0-P2.3用于控制4位LED位选码。由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬只能显示同一种字符。单片机内部烧录的程序使P10P18管脚输出一位数字的段码，P00P03管脚输出数据D0D3，P20P22输出地址到A0A2，P33输出到ST，P34P37输出位码。单片机振荡时钟信号由晶振Y2、电容C61、C62产生，其频率为12MHz。由于单片机为输出开路型，P00P07口接1k排阻，起上拉电阻作用。输出位码同时送至四位数码显示，但由于段码控制，每次只有一位数字的共阳端接高电平，既每次只有一位数码显示。（3）共阳数码管显示电路电路采用动态显示方式以减小显示电路的电流，减小功耗。其原理是：每次只显示一位数字，但每位数字间显示间隔短，视觉上四位数字同时亮。四位数字七段显示ag管脚对应连接，与单片机P0口相应输出端相连。每次单片机输出的八位二进制段码分别送给四位显示器，但由于位码每次保证只有一位输出高电平，每次只有一位数字的LED灯亮。输出的位码使四位显示轮流接高电平既轮流显示各位数字。（4）5.2.3 驱动器图5.2.3 驱动器由于单片机输出电流较小，不足以驱动七段共阳数码管，采用PNP管作为驱动器，对单片机输出电流放大，减小单片机电流负载。以Q61为例：当单片机输出位码COM1为低电平时，三极管道通，输出C1为高电平，显示一位数字4.3输出电路（1） 场效应管：隔离放大，在外加电压时调节可变电阻RV1用万用表测量源极静态工作电压为4.5v（2） 射极输出器：在电路J1两端并联一可调电阻测量电阻两端电压。调节电阻阻值使交流电压表示数为断开电阻直接测量的输出电压值的1/2，即可保证电阻阻值与输出交流阻抗相等。最后，断开电路，单独测量可调电阻阻值既得输出交流阻抗大小。由于电路频率较高，万用表测量频率不能达到要求，测量时选用交流毫伏表。4.4电源部分9V稳压电源输入图5.4.1 电源输入图5.4.2 电源显示电路电源显示电路，其中R72为限流电阻。图5.4.3 5V电压源变压，为电路中各芯片提供5V电压其中R72选用功率1W的电阻，阻值10以保护LM7805CT。并联电容可减少电源电压变化的影响，保证输出5V不变。9第五章 调试总结5.1调试电路5.11压控振荡器电路的调试5.1.2分频方波信号的观察5.1.3场效应管静态工作电压调试通电情况下，在外加电压时调节可变电阻RV1用万用表测量源极静态工作电压为4.5v。5.1.4输出波形及显示电路调试5.2实验总结5.2.1设计步骤5.2.2布局原则5.2.3焊接问题5.2.4调试问题11第六章 PROTEL 99SE 介绍第七章 心得体会1PCBC语言源程序/*/数字频率合成器的设计 100507/配合AZ综合和系统，采用AT89C51，12MHz晶振/P1口输出段码，P00P0输出数据3D0D3，P20P22输出地址到A0A2，P33输出到ST/ P37P34输出位码/key0接P30，为加10kHz用；key1、key2接P31、p32,分别为加100kHz、家1MHz/*/#include reg51.h#define char unsigned char#define int unsigned short intchar code dis_711=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;/共阳LED段码表char data dis4=0,1,2,3;char data temp;char data temp1;char data countk0=0,countk1=0;char data counta=0;int countn=0,countr=0,countk2=20;sbit key0=P30;sbit key1=P31;sbit key2=P32;sbit ST=P33;sbit b0=P37;sbit b1=P36;sbit b2=P35;sbit b3=P34;bit 1delay=0;/长定时溢出标记，预置是0/*1ms延时函数*/delay1ms(int t)int i,j;for(i=0;it;i+) for(j=0;j120;j+) ;/*显示函数*/display()P3=0xff;P1=dis_7di