锁相环计算方法

2 2 理论分析计算与电路设计 理论分析计算与电路设计 2 12 1 锁相环锁相环 2 1 12 1 1 锁相环原理锁相环原理 为了使系统产生稳定的载波 本系统设计中采用锁相环路 锁相环路是一种反馈控制 电路 将参考信号与输出信号之间的相位进行比较 产生相位误差电压来调整输出信号的 相位以达到与参考信号同频的目的 由 MC145152 MC12022 及压控振荡器组成的锁相环路 产生的载波的稳定度达到 4 10 5 准确度达到 3 10 5 锁相环的总体框图如下 2 1 22 1 2锁相环分频锁相环分频 锁相环分频由参考分频和可编程分频组成 由 MC145152 及 MC12022 实现 分频框图如下 图中 PD 为数字鉴相器 fo为压控振荡的输出频率 即发射频率 由于压控振荡器输出信号的频率比较大 MC145152 无法对它直接分频 必须用 MC12022 芯片先进行预分频获得频率较小的信号 MC12022 内有 64 和 63 两种分频系数 本设计中采用 64 分频 即 P 64 MC12022 输出的信号进入 MC145152 进行再次分频后与参考信号进行相位比较 使 载波达到与参考信号相同的稳定度 本设计中参考信号通过晶振分频得到 参考晶振 10 24MHz 晶体振荡器 频率稳定度可达 10 5 10 6 从 MC145152 芯片的 OSCIN OSCOUT 接入 MC145152 中的 R 计数器对参考信号进行参考分频 本设计中设置 R 1024 即 RA0RA1RA2 101 对晶振频率进行 1024 分频得到 10KHz 的参考频率信号 用 4 位拨码开关设 置 R 的值 MC145152 的参考分频系数如下 MC145152 芯片集分频 鉴相于一体 内有 A减法计数器 N减法计数器进行可编 程分频 分频系数 N A 由并行输入的数据控制 本设计中通过单片机来控制 N A 改变 N A 的值即可实现频道的选择 可编程分频的原理及计算如下 单 片 机 压控 振荡 器 鉴 相 器 可编程 分频 环路 滤波 器 输出 参考 分频 根据吞咽脉冲计数的原理 吞咽脉冲计数器开始计数时 M的初值为 1 A和 N两 个计数器被置入预置数并同时计数 当计到A P 1 个输入脉冲 fo 时 A计数器计 完A个预置数 M变为 0 此时 A计数器被控制信号关闭 停止计数 而 N计数器中还 有N A个数 它继续计 N A P 个输入脉冲后 输出一个脉冲到鉴相器 PD 此时一个工 作周期结束 和N值被重新写入两个减法计数器 M又变为 1 接着重复以上过程 整个 过程中输入的脉冲数共有Q A P 1 N A P PN A 也就是说 该吞咽脉冲计数器的总 分频系数为PN A 根据原理可得计算公式 A计数器为 8 位 因此A值最大为 63 MC12022 的P值为 64 如果参考频率 fr 10kHz 则输出频率 fo PN A fr 64N A 10kHz 本系统设计中有五个频道 以第一频道为例 其载频范围为 48 5MHz 56 5MHz 中 心频率为 49 75MHz 即fo 49 75MHz 令A 0 则 N fo fr A P 49 75MHz 10KHz 64 77 73 N 取整数部分为 N 77 分频系数 N 0001001101B N9 N0 A fo fr PN 49 75MHz 10KHz 64x77 47 分频系数 A 101111B A5 A0 其它四个频道也如上述一样计算可得如下对应关系 频道频率范围 MHz中心频率 MHz NA DS 148 5 56 549 750001001101B101111B DS 256 5 64 257 750001011010B001111B DS 364 5 72 565 750001100110B101111B DS 476 0 84 077 250001111000B101101B DS 584 0 92 085 250010000101B001101B 可知通过单片机来改变 N A 的值即可改变发射频率 也就改变了频道 电路图如下 2 12 1 3 3 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器主要由压控振荡器芯片 MC1648 变容二极管 MV209 与 L 组成的谐振回 路构成 MC1648 外接一个由电感和两个串联变容二极管组成并联谐振回路 改变变容二极 管上的电压使得变容二极管的电容改变 进而使频率锁定在某一个值上 为达到最佳工作 性能 在工作频率时要求并联谐振回路的QL 100 电源采用 5V 的电压 该电路图如下 MC1648 的 3 脚输出分两路 一路送 upc1507 与视频信号进行调幅 一路经分频反馈给 MC145152 与参考信号鉴相 MC1648 的 5 脚为自动增益控制电路 AGC 的反馈端 MC1648 芯片的 10 脚和 12 脚外接 L 和变容二极管组成正反馈的正弦振荡电路 其振荡频率由下式 计算得 LC fc 2 1 根据电路图得 即 21 111 DD CCC 21 21 DD DD CC CC C C C分别为变容二极管的电容值 1D2D 变容二极管的值选定后 就可根据载频的中心频率计算出电感值 L 1 2 f C 2 再通过调节电感 使其达到本系统设计要求的振荡频率的范围 48MHz 88MHz 2 1 42 1 4 鉴相器鉴相器 鉴相器就相当于一个模拟乘法器 将稳定度很高的标准晶振经过分频得到的信号和由 压控振输出频率经分频反馈回来得到的信号进行鉴相 之后得到一个相位误差信号 设鉴相器输入的参考信号为 u1 t U1m sin w1 t 1 t 另一信号为 u2 U2m sin w2 t 2 t 两个信号相乘得 u1 X u2 U1m U2m sin w1 t w2 t sin w1 t w2 t 1 t 2 t 1 t 2 t 经过参考分频和可编程分频后得到两个相同频率的信号 可知式中 w2 w1 t 即为相位误差 1 t 2 t 2 1 52 1 5 环路滤波器的设计环路滤波器的设计 由鉴相器输出的信号经过环路滤波器滤除高频分量及无用信号 提高电路的抗干扰 性能并得到一个相位误差信号 再去控制压控振荡器的变容二极管上的电压 使输出的载 频锁定在某一个频率上 环路滤波器一般是线性电路 由线性元件电阻 电容及运算放大 器组成 有 RC 积分滤波器 无源比例积分滤波器 有源积分滤波器等三种滤波器 在此设 计中我们采用有源积分滤波器 即由 LM358 运算放大器组成 环路滤波器电路对锁相环路的锁相捕获时间及整机的信 噪比有很大的影响 因此对于环路滤波器的参数的确定 是非常重要的 环路的性能越好 锁定时间越短 整机 的信噪比响应变差 这两者是相互矛盾的 因此环路滤 波器的自然频率 Wn 应该远小于鉴相频率 Wd 噪声来源于 参考频率和分频器时 Wn 可以选择得小些 当噪声来源 于压控振荡器时 Wn 可选择得大些 可根据以下公式来 确定环路滤波器的参数 环路滤波电路 以 1CH 48 5MHz 56 5MHz 中心频率为 49 75MHz 为例 则总分频次数 K PN A 64x77 47 4975 Wn Wd 50 2 f 50 2 x10k 50 1256rad s r Kp 为鉴相器灵敏度 VDD 运放工作电压 Kp V 2 5V 2 0 796V rad DD Kv 为压控振荡器的电调灵敏度 一般取 1 57 107rad sV 得 T1 KvxKp NxWn 2 1 57 10 x0 796 497