基于AT89C51的锁相频率合成器的设计-调研报告

调研报告频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，他已广泛应用于通信、导航、电子侦察、干扰与反干扰、遥控遥测及现代化仪器仪表中。无线通信技术的快速发展，使得频率合成技术在通信中的作用日益显著。以往的频率合成器都是用分立元件和小规模集成电路组装起来的，技术复杂，可靠性低、功耗大、体积大、成本高。随着半导体工艺和集成电路技术的快速发展，出现了许多用于频率合成的大规模集成电路。在这些大规模集成电路中，把频率合成器的主要部件如参考分频器、程序分频器、鉴相器、锁定指示器、甚至微处理器等集成在同一芯片上。再配上参考振荡器、压控振荡器、环路滤波器及高速前置分频器，即可构成完整的频率合成器。这使得频率合成器的成本、体积和功耗都大大下降，简化了设计和生产调试的复杂程度，而可靠性则明显提高。大规模集成锁相环频率合成器电路的出现，为频率合成器的应用开辟了广阔的前景。单片机其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。在一些小型的应用中，51 单片机更加灵活，外围电路更少，因而得到了广泛的应用。简单的 PLL 由频率基准、相位检波器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器（VCO）组成。基于 PLL 技术的频率合成器将增加两个分频器：一个用于降低基准频率，另一个则用于对 VCO进行分频。而且，将相位检波器和电荷泵组合在一个功能块中也很容易，以便进行分析（见图 1） 。简单的 PLL 上所增设的这些数字分频器电路实现了工作频率的轻松调节。处理器将简单地把一个新的分频值“ 写入” 到位于 PLL 中的寄存器中，更新 VCO 的工作频率，并由此改变无线设备的工作信道。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，简称锁相环（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。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，程序存储器的芯片，支持低电压擦写速度快，允许多次擦写，程序修改方便。所谓的频率合成器，就是以一个精确度、稳定度极好的石英晶体振荡器作为基准频率，并利用加、减、乘、除等基本运算技术，以获得与石英晶体振荡器同等精确度和稳定度的大量离散频率信号的设备乘坐频率合成器。随着无线电通信系统性能的提高，信号源相位噪声的要求常常是整个系统的制约因素。对频率合成器的相位噪声影响因素很多，这里对环路滤波器的影响作以简要分析。在锁相环频率合成器中，环路滤波器的设计是非常重要的。在环路带宽内，鉴相器强迫压控振荡器(VCO)跟踪参考频率，将参考振荡器的相位噪声映射到VCO 上。这一过程受到鉴相器噪声基底的支配，因为鉴相器噪声基底通常比参考振荡器的相位噪声高。由于补偿频率高于环路带宽，环路就不能很好的跟踪参考频率，总的相位噪声等于 VCO 的相位噪声，因此要将环路带宽设置在鉴相器噪声基底与 VCO 自由振荡时相位噪声的交叉点上。过宽和过窄的环路带宽虽然对 VCO 的相位噪声有一定的改善，但不能很好地提高 PLL 的相位噪声性能。单片机模块包含单片机、键盘、LED 显示屏，主要控制系统的各种功能，频率的合成及各种参数；频率合成模块包括与单片机连接的并行接口、频率合成器、低通滤波器、压控振荡器。它可在一定范围产生种离散的频率输出，正因为以上原因，所以单片机在当今社会的用途越来越广。频率合成器是现代无线通信设备中一个重要的组成部分，直接影响着无线通信设备的性能。频率合成技术历经了早期的直接合成技术（DS）和锁相合成技术（PLL） ，发展到如今的直接数字合成技术（DDS） 。直接数字合成技术具有分辨率高，转换速度快，相位噪声低等优点，在无线通信中发挥着越来越重要的作用。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信 、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。频率合成理论自 20 世纪 30 年代提出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形成了目前的 4 种技术：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术。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是幅信号的变化。锁相技术来设计频率合成器是目前应用最为广泛的一种频率合成方法，优点是能够提供长期稳定度和短期稳定度的信号输出，再加上用单片机来控制它的频率分频比，使得它可程控和频率输出可灵活配置，可作为一般智能化仪器的信号源。随着雷达、电子对抗、航空航天、通讯及相关技术的发展，对频率合成技术的要求更加严格。集成锁相环频率合成器体积小、功耗小、成本低、功能全、灵活性大、适合大规模生产等优点，越来越引起了人们的重视。本文采用大规模集成锁相环频率合成芯片 PE3236，设计并制作了一个 L 波段频率合成器。该频率合成器已经成功应用于分米波仪表着陆设备外场检测仪中，运行良好。本文对频率合成器，锁相环等做个概述，电路中用到的芯片及基于AT89C51 单片机锁相环频率合成器的设计与制作、调试等几方面也进行了阐述针对应用要求，本文完成了基于单片机的锁相频率合成器