基于AT89C51的锁相频率合成器的设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6044】
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图 3控振荡器电路图 附图 2单片机并行输入控制图 附图 3 单片机控制接线图 E A / V E 012 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 1062 153 144 135 126 117 108 911621531441351261171089116215314413512611710 A A A A C C C C C C C E E E E F F F F V C 7 82 2 S P S 61 001161 C 515 1 17 4L S 1 38毕 业 设 计 任 务 书 200 8 年 2 月 19 日 毕业设计题目 基于 锁相频率合成器的设计 指导教师 曾文萱 职称 讲师 专业名称 机电一体化技术 班级 机电 50532 学生姓名 李静 学号 5020053207 设计要求 3000 字以上） 告一份； 统 程序设计； 完成毕业课题的计划安排 序号 内容 时间安排 1 外文资料翻译 搜集相关资料并调研 ，完成调研报告 进行 硬件电路的 设计 及机构的选择 ，并完成相关程序的编写，编写说明书，绘制相关图纸。 整理 毕业设计说明书 并定稿，准备答辩 答辩 辩提交资料 外文资料翻译，毕业设计调研报告 ， 毕业设计说明书， 相关图纸。 计划答辩时间 锡职业技术学院机电 技术 学院 2008 年 2 月 19 日 无锡职业技术学院毕业设计说明书 I 摘 要 随着无线电技术的发展，对信号的频率稳定度和准确度要求越来越高，一般振荡器不能满足要求，而高稳定度的晶体振荡器产生的频率往往是单一的或者只能在极小的范围内微调，而且频率通常都不很高。为了解决频率稳定度、准确度和频率高、宽范围可调之间的矛盾，就需要频率合成技术。其技术特点是将一个高稳定度和高精度的标准频率源经过加、减、乘、除的四则运算，产生同样稳定度和精度的大量离散频率。 本系统主要分为频率合成模块和单片机模块。单片机模块包含单片机、键盘、 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各种离散的频率输出，输出范围为 36率稳定度 310 。本文主要介绍了该系统的组成原理及设计过程，同时也阐述了设计过程中所遇到的问题及解决方案。 关键词 : 单片机；锁相环；频率合成； 压控振荡；鉴相器 无锡职业技术学院毕业设计说明书 of of or in of is To of is a of is CU I am CU of CU KB ED of of 6of in 无锡职业技术学院毕业设计说明书 录 第一章 绪论 1 相环路 1 相技术发展概况 1 相技术的特点 1 率合成的方法 2 相频 率合成器 3 第二章 4 相基本原理 4 相频率合成器的基本原理 7 第三章 基于单片机的锁相频率合成器设 计 9 统介绍 9 案的选择 9 11 片机模块设计 19 第四章 系统功能调试 26 控震荡器的调试 26 福仿真系统功能 26 相环路的调试 29 出频率测量及稳定度 29 第五章 总结 31 附录 系统程序 32 致谢 43 参考文献 44 外 文翻译资料 1 列单片机的特点 随着大规模集成电路（ 造技术的飞速发展，电脑正朝着两个明显的方向（即两大分支）发展：一是微型计算机系统的性能不断提高，以满足高速度大容量的 数据处理 ；二是单片微机的功能日益完善，以满足诸多领域各种错综复杂的 现场控制 。 在 1975 年德克萨斯仪器公司发明的世界上第一个 4 位单片机 000 诞生后，一些大型微电子公司竞相研制开发了各种单片机系列产品。从字长方面划分，单片机有 4 位、 8 位、 16 位、 32 位四大类，其中前三类占据了单片机市场的主要份额，在这三类单片机当中， 8 位机又一直为主流产品。 较具有代表性的 4 位单片机有美国德克萨斯仪器公司的 1000，日本电气公司（ 系列，美国国家半导体公司（ 国洛克威尔公司（ 系列，日本松下公司的 本富士通公司的 列以及日本夏普公司的 系列等等。 较具有代表性的 8 位单片机有美国微芯片公司的 系列、系列、 列，美国英特尔公司的 48 和 51 系列，美国摩托罗拉公司的 列和 列，美国齐洛格公司的列，日本电气公司的 系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的 870)系列等。 较具有代表性的 16 位单片机有美国莫斯特克公司的国英特尔公司的 96 系列，日本电气公司的 列，美国国家半导体公司（ 783系列等。 目前，单片机正朝着片内存储器 量大、 I/O 端口功能多、电源电压范围宽、功率消耗低、操作速度快的方向发展。 在上述各种单片机中，本讲座为什么选用微 芯片公司的 列中的片机作为样板介绍呢 ? 列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。对于单片机的初学者来说，若选择 片机作为攻入单片机王国的 突破口 ，将是一条最轻松的捷径，定会取得事半功倍的功效。目前已有好几家著名半导体公司仿照 发出与之引脚兼容的系列单片机，比如美国 司的 湾 司的 列、台湾 司的 列等。 外 文翻译资料 2 列单片机具 有以下特点：（ 1）采用哈佛结构。在国内最常见的单片机中， 列单片机是唯一一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。这里所说的 哈佛结构 就是，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样做的好处是，便于实现 流水作业 ，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作，而在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的。 （ 2）指令的 单字节化 。因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器 数据存储器 寻址空间是互相独立的，而且两种存储器宽度也不同。这 样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的 单字节化 。在此所说的 字节 ，特指 片机的指令字节，而不是常说的 8 比特字节。例如， 列单片机的指令字节为 12 比特； 列的指令字节为 14 比特； 系列的指令字节为 16 比特。它们的数据存储器全为 8 位宽。而 51 系列单片机的 度都是 8 位，指令长度从 1 个字节（ 8 位）到 3 个字节长短不一。 （ 3）精简指令集（ 术。 列单片机的指令系统只有 35条指令。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利，真可谓 易学好用 。而 51 单片机的指令系统共有 111 条指令， 片机的指令系统共有 89 条指令。 且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。 （ 4）寻址方式简单。寻址方式就是寻找操作数的方法。 列单片机只有 4 种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，以后将作详细解释） ，容易掌握，而 51 单片机则有 7 种寻址方式， 68 种。 （ 5）代码压缩率高。 1K 字节的存储器空间，对于像 51 这样的单片机，大约只能存放 600 条指令，而对于 列单片机则能够存放多达 1024条指令条数。从图 1 中可以看出，与几种典型的单片机相比， 一种最节省程序存储器空间的单片机。也就是说，完成相同功能的一段程序所占用的空间， 。 （ 6）运行速度高。由于采用了哈佛总线结构，又由于指令的读取和执行采用了流水作业方式 ， 列单片机的运行速度大大提高。从图 2 中可以看出，外 文翻译资料 3 列单片机的运行速度远远高于其它相同档次的单片机。在所有 8 位机中，目前世界上速度最快的品种之一。 （ 7）功耗低。 列单片机的功率消耗极低，有些型号的单片机在 4睡眠模式下低到 1 （ 8）驱动能力强。 I/O 端口驱动负载的能力较强，每个 I/O 引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到 25 20够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。 （ 9）具备 行总线端口： 列单片机的一些型号具备 行总线端口。 别是由 司发明的在芯片之间实现同步串行数据传输的两种串行总线技术。利用单片机串行总线端口可以方便灵活地扩展一些必要的外围器件。串行接口和串行总线的设置，不仅大大地简化了单片机应用系统的结构，而且还极易形成产品电路的模块化结构。目前，松下、日立、索尼、夏普、长虹等公司都在其大屏幕彩电等产品中引入了 术。 （ 10）寻址空间设计简洁。 列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独 立的寻址（或地址编码）空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到初学者的欢迎。而 片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和 I/O 端口所占用的地址空间作精心安排，这样会给高手的设计上带来灵活性，但是也会给初学者带来一些麻烦。 （ 11）外围电路简洁。 列单片机片内集成了上电复位电路、 I/门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外围器件，以便实现 纯单片 应用。这样，不仅便于开发，而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。 （ 12）开发方便。通常，业余条件下学习和应用单片机，最大的障碍是实验开发设备昂贵，使许多初学者望而却步。微芯片公司及其国内多家代理商，为用户的应用开发提供了丰富多彩的硬件和软件支持。有各种档次的烧录器（或称编程器）和硬件仿真器出售，其售价大约从 500 元到 2000 元不等。此外，微芯片公司还研制了多种版本的软件仿真器和软件综合开发环境（ 为爱好者学习与实践、应用与开发的实际操练提供了极大的方便。对于列中任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费的软件综合开发环境实外 文翻译资料 4 现程序编写和模拟仿 真，再用任何一种廉价的烧录器完成程序烧写，便形成一套经济实用的开发系统。它特别适合那些不想过多投资购置昂贵开发工具的初学者和业余爱好者。借助于这套廉价的开发系统，用户可以完成一些小型电子产品的研制开发。由此可见，对初级水平的自学者来说， 片机是一种最为适合、最容易接近的单片机。 （ 13） C 语言编程。对于掌握了 C 语言的用户，微芯片公司还为其提供了 C 语言编译程序 ，这样的用户如果使用 C 语言这种高级语言进行程序设计的话，还可以大大提高工作效率。 （ 14）品种丰富。 列单片机目前已形成三个层次 、 50 多个型号。片内功能从简单到复杂，封装形式从 8 脚到 68 脚，可以满足各种不同的应用需求。用户总能在其中找到一款适合自己开发目标的单片机。在封装形式多样化方面，不像 51 系列单片机那样，大都采用 40 脚封装，应用灵活性受到极大的限制。此外，微芯片公司最先开发出世界上第一个最小的 8 脚封装的单片机。 （ 15）规格齐全。微芯片公司对其单片机的某一种型号又可提供多种封装工艺的产品：带窗口的 芯片，适合程序反复修改的开发阶段；一次编程（ 片，适合于小批量试生产和快速上市的需要； 合大企业大批量定型产品的规模化生产；个别型号具有 序存储器，特别适合初学者 在线 反复擦写、练习编程。 （ 16）程序保密性强。目前尚无办法对 列单片机的程序直接进行解密拷贝，可以最大限度地保护用户的程序版权。 在 列单片机中， 微芯片公司于 1998 年底推出的一款特色鲜明的新产品，它除了具有上述特点之外，还有一个最重要的特点，就是它可以实现在线调试和在线编程。这是 51 和 列单片机所不具备的，但却正是广大单片机初学 者最需要的。 微芯片公司还专为此款单片机开发了一套小巧廉价的仿真工具套件，以下简称 仿真板 或 该仿真板上既可以实现硬件仿真，又可以实现程序烧录，还保留了一块用户可以随意焊接一些元器件的布满焊孔的电路板空间。由此可见，开发 前面介绍的开发其它 号单片机的手段就更加简便易行。当然，如果只是为了学习，也可以一分钱不花，只用免费的软件综合开发环境（ 对 行软件模拟仿真来调试程序。该软件约有 24M 字节，并可以从因特网上下载，该公司 还在中国开设了中外 文翻译资料 5 文网站，其网址为： 。 其实在 片机的家族中， 有另外三个 近亲弟兄 ，它们分别是 芯片公司将这四兄弟统称为它们之间的差别很小，学会其中一款就基本上等于认识了这四兄弟，所以我们先在其中挑一款相对简单的型号向大家介绍。总体上讲，论本领、威力或者性能的话，在众多的 片机家族成员中， 据着中上等水平。有的初学者可能 要问，既然 列中还有更简单易学的品种，为什么先给大家引见 由就是该型号具备让人接近的良好途径 助于这项独特的性能，我们可以边学边练，学用结合。 外 文翻译资料 6 is to is by is by by of 975 in 1,000 to of , 8, 16, 32 in of of 8 to 1,000, s s as s SM so to s 48 51 s s Z8 mu to 8 (3,870) so 6 s 96 mu 文翻译资料 7 783 so At is AM OM is I/ In of IC in to IC is In of it is to of if IC to , be a At to IC it s SX s s so IC (1) In IC is 1 in in is , is to on to to in is in (2) OM AM is of in in to 文翻译资料 8 is 2 4 6 51 OM AM , 8) (3) of 5 it be is to to 51 11 9 by to (4) is is IC be to 51 8 (5)is K 51 00 IC ,024 , of is In of 文翻译资料 9 (6) is IC , IC is by In is in of (7) is IC is to (8) I/ to be , or so (9) 2C PI 2C PI PI DT of is to At so in so on in 2C (10) is IC or to s 文翻译资料 10 to , in s to to (11) is IC on I/On so or in to is (12) is to be to at s of or is 00 ,000 In of IC in no a a of of to to a of It to of in of it be to IC 文翻译资料 11 is (13) C if of to on (14) is IC 0 at to is 8 of in to In 51 0 In in (15) is of to of of A on in or to (16) At to on to IC In IC is a 998 s it it 51 is 外 文翻译资料 12 of of to as on to a to be to to at it be IC to if is stud无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - I - 第一章 绪论 相环路 锁相环路（ 一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。锁相环路有其独特的优良性能，它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可作提供一系列频率高稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。它具有调制跟踪特性 ，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。 70 年代以来，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路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件，这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。 锁相环是一个相位误差控制系统。它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相。所谓全数字锁相环路 (是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（ 数字环路滤波器 (数控振荡器 (成的锁相环路 。 本文采用锁相式频率合成的实现方法，实现中必须解决的关键技术问题是减小相位噪声，以满足用户提出的较为苛刻的相位噪声指标。 本课题是设计一个由单片机、定时计数器及单片机集成锁相环路组成的可程控频率合成器，所以设计过程会涉及到锁相环路、频率合成器和单片机方面的知识。 相技术发展 锁相原理在数学理论方面，早在 30 年代无线电技术发展的初期就己出现。 1930 年己建立了同步控制理论的基础。 1932 年贝尔赛什 (一次公开 发表了锁相环路的数学描述，用锁相环路提取相干载波来完成同步检波。到了 40 年代，电视接收机的同步扫描电路中开始广泛地应用锁相技术，使电视图像的同步性能得到很大改善。进入 50 年代，随着空间技术的发展，由杰斐 (里希廷 (用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，并首次发表了包含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问题。在 60 年代，维特比 (究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了“相干通信原理”一书。到 70年代林特塞 (查利斯 (行了有噪声的一阶、二阶及高阶锁相环路的非线性理论分析，并作了大量实验以充实理论分析。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 2 - 锁相环路具有许多优良特性，它可用于频率合成与交换、自动频率调谐、模拟和数字信号的相干解调、 信号的同步检波、数字通信中的位同步提取、锁相稳频、锁相倍频与分频、锁相测速与测距、锁相 制与解调、微波锁相频率源及微波锁相功率放大器等。目前，锁相环路的理论研究正日臻完善，应用范围遍及整个电子技术领域。现在锁相环路正向着集成化、数字化、多用途、系列化、高速度、高性能方向迅速发展，且商品 化集成锁相环路日益增多，为锁相技术应用提供了广阔前景。 相技术的特点 锁相环路处于正常工作状态时，有如下基本特点 : 于锁相环路包含有一个固定积分环节、环路输出无剩余稳态频差存在。 压控振荡器输出频率锁定在输入频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，而绝大部分干扰会受到环路滤波器的低通特性的抑制，就相当于一个窄带的高频带通滤波器。 相环路中的压控振荡器输出频率可以跟踪输入信号的瞬时变化，表 现了良好的调制跟踪性能。 相环路不像一般的非线性器件那样，门限取决于输入信噪比，而是由环路信噪比决定，较高的环路信噪比可取得较低的门限性能。 路集成化与数字化为减小体积、降低成本、增加可靠性、多用途提供了条件。 率合成的方法 实现频率合成的方法很多，总的可分为相干合成和非相干合成两大类。非相干合成就是利用多个独立无关的晶体振荡器作参考频率源来产生所需的频率。相干合成就是由一个高稳定度和准确度的标准信号源产生若干具有同一稳定度和准确度的频率，这些频率与基准频率之 间是完全相关的，各输出频率之间也是完全相关的。相干合成按其型式分为三种 :直接式频率合成，锁相式频率合成和直接数字式频率合成，这三种不同的频率合成型式既体现了频率合成技术的发展过程，又各有优缺点。 直接合成法是最早被采用的频率合成法。它利用倍频 (即乘法 )、分频 (即除法 )、混频 (即加法和减法 )及滤波，从单一参考频率源产生多个所需的输出频率。优点是不同频率间的转换时间很短 (100s)和具有很好的频率分辨率 ;缺点是不能产生大量的输出频率，杂散分量多，对滤波和屏蔽的要求很高，功率相当大。这种方法现在很少使用。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 3 - 直接数字式频率合成是一种近年发展起来的新的频率合成技术，是从相位的概念出发进行频率合成的。它采用了数字取样技术，将参考信号的频率、相位、幅度等参数转变为一组取样函数，然后直接运算出所需要的频率信号，并把数字量形式的信号通过数 /模转换器转换成模拟量形式，在时域中完成频率合成。其主要优点是 :转换频率的时间短 (可达 s 级 )，频率、相位和幅度均可实现程控 ;缺点是输出信号的频率上限不够高，使其在高频段应用受限。 锁相式频率合成是一种将锁相环原理应用于频率合成的方法。其优点是 :由于锁相环相当于一窄带跟踪滤波器，它具有 良好的窄带跟踪特性，能很好地选择所需频率的信号，抑制寄生分量，而且避免了大量使用滤波器，有利于集成化和小型化 ;此外，一个设计良好的 控振荡器具有较高的短期频率稳定度，而高精度标准晶体振荡器则具有很好的长期频率稳定度，利用锁相环路把二者的优点结合在一起，就使锁相式频率合成法能够提供长期稳定度和短期稳定度都比较高的信号输出 :缺点是频率转换时间比较大，由环路内噪声引起的输出信号相位抖动比较大。 相频率合成器 当前，随着数字技术的发展及微控制器在电子系统中的广泛应用，在很大程度上改变了传统的设计方法， 数字频率合成技术的应用也日益广泛。数字频率合成器应用于通信设备中，使得工作频率的选择变得极为简单而又精确。并且随着大规模集成电路（ 术和单片微机技术的迅速发展，大大促进了数字锁相频率合成器集成化程度的提高和体积的缩小，满足了通信设备的高集成度和超小型化的要求。特别适合某些特殊场合的应用。 串行数字锁相频率合成器体现了程序设计和锁相技术的结合。这种合成器从总体结构上看由单片机、锁相环及可编程分频器三部分组成。其中可编程分频器是单片微机与锁相环之间的接口，同时也是组成数字锁相频率合成器的关键部件。 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。 锁相频率合成器 高速前置分频器、计数器、鉴相器和控制逻辑组成。高速前置分频器采用吞脉冲分频技术，通过模式选择确定对 出频率 1 0 还是 11 ；主计数器 M 和参考计数器 R 分别对双模前置分频器输出频率和参考频率进行分频；辅助计数器 A 用于模式选择控制逻辑；鉴相器产生上下频率控制信号；还具有鉴相频率检测、时钟检测引脚。无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 4 - 各计数器的计数值可以通过串行或并行接口编程实现，也可以直接通过连线实现。该芯片具有功耗低、相位噪声低、杂散小、分频频率高、编程灵活方便等优点。 主计数器输出频率 为鉴相频率，他们和输入频率、参考频率的关系为： 10(M 1) A AM 1， M0 (R 1) R0 当环路锁定时，应有： fp= 设计的频率合成器系 统是 通过串行口，来自单片机的频率控制字对集成锁相芯片 的 内部分频器进行设置，将所需频率 行 10(M 1)次分频作为一路鉴相输入，将参考频率 行 (R 1)分频作为另一路鉴相输入，通过鉴相器后得到反映两路鉴相信号误差的输出 过环路滤波器，对噪声和杂散等干扰进行抑制后得到 控制电压，控制 作，使 出频率锁定在 fo( 10 改变单片机控制数据，可以选择不同的波道。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 5 - 第二章 锁相环路和锁相频率合成器的基本原理 由于本文采用的频率合成方法是应用锁相环路的间接频率合成， 因此首先要了解锁相环路的基本工作原理和基本构成部分才能进一步的开展下一步的工作。 相环基本原理 锁相环路是一个相位差自动调节系统，首先给出图 2示的最基本的锁相环方框图。它包括三个基本部件，压控振荡器（ 鉴相器（ 环路滤波器（ 鉴相器 路滤波器 控振荡器 ( t )输 入 U d ( t ) U c ( t ) 输 出U 2 ( t )图 2本锁相环方框图 鉴相器是相位比较装置，所以有时也叫做相位比较器或相敏检波器。它把输出信号u2(t)和参考信号 u1(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差 e 的误差电压 ud(t)。 环路滤波器的作用是滤除误差电压 ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。 压控振荡器受控制电压 uc(t)的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率接近，也就是使差拍频率越来越低，直到消除频率差而锁定。 整个锁相环的工作原理，首先假设输入信号 u1(t)的角频率 1 等于 0，而 0 为 即控制电压 uc(t)=0 时的频率。此时相位差 e 为零，那么鉴相器输出也为零，环路滤波器输出也必定为零。因此 出频率必然为其中心频率 0。 如果输入信号 u1(t)的角频率不等于 0，那么鉴相器会产生非零输出 ud(t)，环路滤波器也将产生输出信号 uc(t)，这将使 中心频率朝着相差 e 消失的方向变化。 现在假设输入信号频率在 刻突变 ，如图 2示，输入信号的相位则开始偏离输出信号相位，两者之间产生相位差，并随时间而增大。这时，鉴相器产生输出信号ud(t)也随时间而增大 ，经环路滤波延迟后 uc(t)也增大，这就使得 频率提高，相位差减小，经一段时间之后 频率将精确地等于输入信号的频率，其最终相位差将根据所使用的环路滤波器类型可能减小到零或很小的有限值。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 6 - 显然，此时 工作频率 2 比其中心频率 0 高 。那么，环路滤波器输出uc(t)最终应为 uc(t)= / 压控增益。 如果输入信号是一个低频调制的调频信号，则环路滤波器输出就是解调出来的低频信号，因此锁相环可用作调频信号解调器。锁相环的一种奇特功能是可以抑制叠加在输入端的噪声，把深埋于噪 声中的有用信号检测出来。 锁相环的这些功能，就在于它是控制输出信号 u2(t)相位的伺服系统。 图 2出相位偏移图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 7 - 相频率合成器的基本原理 锁相频率合成器是由锁相环路（ 成的，锁相环是一种相位负反馈系统。 锁相环实质是个相位误差控制系统。通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，相位差势必一直在变化，鉴相器输出的误差 电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，环路就进入 “ 锁定 ” 状态。 它利用环路的窄带跟踪与同步特性，将鉴相器一端 输出相位与另一端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能。同时可得到和参考源相同的频率稳定度。 一个典型的锁相频率合成器的原理框图如图 2示 设晶振的输出频率为 它们满足公式 (2其中 R 和 N 分别为参考分频器和主分频器的分频比，在外部设置并行或串行数据控制分频比，就可以产生出所需要的频率信号。用锁相环构成的频率合成器具有频率稳定度高、相位噪声小、电路简单易集成、易编程等特点。 晶振 R 分频器 鉴相器 分频器控制数据 i o 图 2相环频率合成器的原理框图 锁相环是传递相位的闭环系统 ，只要研究环路的相位数学模型或基本方程就可以获得环路的完整性能。根据图 2 分频器分频之后的相位 , o 为 出相位， 为 N 分频器分频之后的相位， e 为鉴相器的输出相位，环路的基本函数无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 8 - 可以表示为 (1) 闭环传递函数 (2(2) 开环传递函数 (2其中 G(s) = s)/ s 称做前向传递函数 , H(s) =1/ N 称做后向传递函数 , 鉴相器的鉴相增益 , 压控灵敏度 , F(s)为环路滤波器的传递函数。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 9 - 第三章 锁相频率合成器的设计 相频率合成系统的简介 本系统由单片机控制、频率合成及压控 荡模块组成，系统方框图如图 3示，其中频率合成器、压控振荡器产生高稳定度的正弦波形，而单片机部分是用来控制系统的各种功能及频率的可编程程 序分频比并输出给数码管显示读数。 晶 振 参考分频 F 单片机控制数码显示键盘输入f r f o = Nf 3统方框图 模块说明： （ 1）单片机模块。包含单片机、键盘、 示屏。它的工作原理是根据用户操作信息通过键盘输入数据，然后通过程序使单片机输出相对应的信息到频率合成模块，进而控制系统的各种功能，频率的合成及各种参数，输入的数据还可通过数码显示。 （ 2）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。它的工作原理是用一个高稳定的参考振荡器即晶振作为参考频率 后信号通过集成锁相频率合成模块进行锁定和合成，合成频率又经过低通滤波器进行环路参数调整再输出到压控振荡器，这时的输出频率为 控振荡器又反馈信号回该集成锁相频率合成模块，在这过程中加入单片机传输串行码来控制该集成模块的分频比。 案的选择 成锁相环频率合成器芯片的选择 方案一：单片集成锁相环 除了包含有鉴相器（双平衡模拟乘法器）和压控振荡器（射极耦合多谐振荡器）之外，还有三个放大器（ 幅器和稳压电路等。因此它的环路性能和通用性能的较好， 是 属于通用型的集 成锁相环。能完成多种功能，无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 10 - 但该集成的压控振荡器的频段跨越范围不宽且工作频率最高仅 35 方案二：采用串行输入频合器（如 内含参考振荡器、参考分频器、相位检测器、可编程 /N 计数器及接收串行输入数据所必需的移位寄存器和锁存电路，其优点是工作频率高，占用单片机的外围接口不多，为实现单片机的其它控制节省了硬件资源。但由于采用串行编码，测试起来不直观，而且芯片不易购买。 方案三：集成锁相频率合成 芯片是一块 14 位并行码输入的单模、单片锁相环频率合成器，片内包 括外接晶体的振荡分频器、一个可编程序分频器、一个鉴相器和锁定检测器。参考分频器带有 12 位计数器，参考分频比通过三个输入端控制的存储及编码。最大可变分频比为 16383，最高工作频率为 60集成配合独立 能满足系统设计的要求。 本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。数字频率合成技术使输出频率准确和稳定，频率分辨率为基准频率 10 1于晶体振荡器具有很好的长期时间稳定性，锁相环具有很好的短期时间稳定性， 两者相结合可在设计要求的频率范围 10016383获得近似于晶体振荡器的频率稳定度，这是本方案最重要的特点。另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为 对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。 考虑到实际情况，我们选择了第三个方案即采用 具有双模分频比预置定频器的锁相环频率合成器集成电路。适用于高频通信设备作频 ， 率合成器用。它具有三种封装形式，以后缀字母加以区别，其中 28 脚双列直插式封装， 28 脚双列直插式封装， 28 脚贴片封装， 28 脚贴片式环形封装。 片机部分的选择 由于众多单片机里 ， 8051 系列单片机 结构比较简单 ，且可以实现多种功能，价格也比较合理，单片机语言也主要是汇编语言，故选择 51 系列单片机作为系统所用单片机。 显示部分：显示部分主要有 码管显示和液晶显示。 方案一： 码管显示：此种显示结构一般， 用于各类仪表、仪器、家用 电器等的数字显示。 方法成熟，无须为驱动显示部分另外编程，而且价格便宜，但是显示的内容有限，另外就是不够美观。 方案二：用液晶显示：此种显示结构简单，只须连在单片机中输出的 即可，方法也较为成熟，需要为驱动显示部分另外编程，而且价格较为贵，但是显示的内容丰富，无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 11 - 内容美观。 综合考虑，我们选择第一种方案。 相环路功能模块电路的设计 控振荡电路 结合指标要求，采用改进型高稳定度电容三点式的克拉波电路，见附图 1。 由于电容三点式的克拉波的高稳定性， 电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路所示 ,其结构与电感三点式振荡电路相似 ,只是将电感、电容互换了位置 它符合三点式振荡电路 射同基反 的构成原则 ,满足自激振荡的相位平衡条件 . 这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高 ,一般可达到 100上 ,由于 高次谐波阻抗小 ,使反馈电压中的高次谐波成分较小 ,因而振荡波形较好 这是因为调节电容来改变频率时 ,(既使 用双连可变电容 ) 难于按比例变化 ,从而引起电路工作性能的不稳定 该电路只适宜产生固定频率的振荡 . 用集成运放构成的电容三点式振荡电路 。 在反馈电压高影响变容二极管的电容值时，不会改变电路的反馈系数，波形稳定。我们还在振荡器的后面加入了一级简单的放大电路，提高输出电压。其中由 1 及 成感抗支路， 5 组成反馈电容，其振荡频率主要由 1 及变容二极管的电容值来决定： )(21111 , （ 4 因此只要用锁相环送来的电压控制 电容值就可以改变其振荡频率。 压控振荡器为电容三点式，产生的波形较好且稳定，从插头 来的 低通滤波器输出电压控制了变容关 容量，从而控制 压控振荡器的频率。 变容二极管 1 20，以 f=1/(2 * (1/2)估算，压控范围可以过题目所求的 36荡管选用 参数为 V（ 0V， =1一优秀的高频小功率管符合电路要求且本地易购。 在调试过程中为了减小电源对振荡频率稳定度的影响，我们采用 7,其进行高低频滤波。同时在布板的时候考虑到级间电容等因素的影响，我们把元器件尽量靠紧 ，走线也尽量的短。在此电路板的调试过程中发现在 间加一个 50补偿电容，将会使振荡频率更加的稳定。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 12 - 相环电路 锁相环的应用：锁相环在调制和解调中的应用，调制和解调的概 念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 控制载波信号 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（ 调频（ 调相（ 种。 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而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化 该单元是系统工作的核心部分，根据题目要求，我们选用 司的 集成芯片带单模预置计数器接口，分别用14 条和 3 条并行输入数据线控制 N 计数器和 R 计数器编排程序，其特征是包括参考振荡器，可选参考频率分频器，数字相位检测器和可以编程的除以 N 的 14 比特计数器。 改进 型 产品，集成可以利用 N 计数器的输出，单模并行编程。用户可以选择的 8 个 R 值： 8， 128， 256， 512， 1024， 2048， 4096， 8192， N 选择范围 3 16383。 在其内部“线性化”的数字频率相位检测器能改进传输函数的线性度，其内部结构如图 3 图 3部结构图 脚如图 3: （ 1） 频率输入端，合 成器的除 N 部分的输入 般是从 出而以交流方式耦合到本器件，对于振幅较强的信号（标准 辑电平），直流耦合也是适用的。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 13 - （ 2） 参考分频器地址输入，这三个输入组成了一种码，它可以为整个参考分频器商定 8 个分频值之一，这些地址码如下表所示。 表 3址码 图 3片 （ 3） N 计数器的编程输入，当除 N 计数器的计数为零时，这些输入端供给预调计数器的数据。 最低位， 最高位。上拉电阻保证输入端在断开时停留在逻辑“ 1”，而只需要一个 关将数据改变成“零”态。 （ 4） 参考振荡器输入 /输出，当这些引脚联到外部并联谐振晶体的端子时，它们可以组成一个在片内参考振荡器。适当数值的调频电容必须从 到地。 （ 5） 相位检测器的输出，该引脚为可用作环路误差的相位检测器三态输出。为了达到这一目的也可用双端输出。 相环电路分析 锁相环电路原理图附图 2。 当参考频率 定为 5k，输出频率 0f 为 35采用直接分频方式，环路的可编程分频器的分频比 N 由下式计算得： （ 4 计算得最小分频比 7000，最大分频比 7800。 在锁相环路中，环路滤波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器，其结构简单，性能稳定，调试方便。各个参数计算如下： 平均分频比 7 4 0 02/)(m a xm i n 4 鉴相器灵敏度 )5(4/ （ 4 压控振荡器灵敏度在工程上可用下式求得： 基准地址码 总除数 0 0 8 0 0 1 128 0 1 0 256 0 1 1 512 1 0 0 1024 1 0 1 2048 1 1 0 2410 1 1 1 8192 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 14 - /2 0（实际测得 O ./） （ 4 环路总增益 4 环路自然谐振角频率 102 rn f 11 4 环路阻尼系数 221 （ 4 取 =04 根据上两式取 5K, 了使环路工在最佳工作状态，在电路调试时要根据需要对 值作适当的调整，以及对 的电感线圈作出适当。 片机模块的 设计 片机模块的构成及分析 单片机模块是本系统设计的控制核心，框图如图 3示，其主要的功能有： a，根据操作信息，输出相应的可编程程序分频比。进而控制振荡频率，并显示其送出的频率值。 b，根据操作信息完成一些其他的功能如频率自动步进、递减 10K(或 100K)，预置频率、记忆的功能。 图 3片机模块框图 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 15 - 单片机模块部分由键盘输入数值，然后通过数码管显示读值，其中用到了单片机芯片示驱动 译码器 74 片机 ： 片机是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造， 片机与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 片机是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 其引脚功能图如图 3示。 图 3引脚图 1 片机管脚说明： 2 电电压。 3 地。 4 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 5 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接 收输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 作为第八位地址接收。 6 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 16 - 出 4 个 电流，当 被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 7 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 8 也可作为 一些特殊功能口，如下表所示： 9 口管脚 备选功能 10 行输入口） 11 行输出口） 12 部中断 0） 13 部中断 1） 14 0（记时器 0 外部输入） 15 1（记时器 1 外部输入） 16 部数据存储器写选通） 17 部数据存储器读选通） 18 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 19 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 20 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程 期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 21 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /效。但在访问外部 数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 22 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /保无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 17 - 持高电平时，此间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 23 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 24 自反向振荡器的输出。 单片机控制接线图见附图 3。 示驱动器 成 电路是起到数码管显示驱动的作用，它的引脚和真值表如下所示： 3脚图 图 3值表 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 18 - 说明： 从以上两张图表中可任意清楚看出来 各输入输出引脚，以及输入不同的时候，各引脚输出的结果也是不同的。 码器 74 74 3 线译码器，共有 54/74 54/74种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下： 当一个选通端（ 高电平，另两个选通端（ /( /(为低电平时，可将地址端（ A、 B、 C）的二进制编码在一个对应的输出端以电平译出。 利用 ( /(级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时， 74可作数据分配器。 74主要特点是设置了 个使能输入端，它的引脚图和真值表如下所示 图 34值表 图 34脚图 输 入 输 出 C B A 1 3 5 7 X H H X X X H H H H H H H H X X H X X X H H H H H H H H L X X X X X H H H H H H H H H L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H L H H H H H H H L L L H L H H L H H H H H H L L L H H H H H L H H H H H L L H L L H H H H L H H H H L L H L H H H H H H L H H H L L H H L H H H H H H L H H L L H H H H H H H H H H L 无锡职业技术学院毕业设计说明书 - - - 19 - 片机与锁相环的连接 单片机控制锁相环频率合成器设计的关键之一就是如何把单片机的接口与锁相环的接口连接起来。单片机 和 总共有 16 个端口，而 并行输入数据线 N 计数器端口只有 14 位口，经过计算分析知，因为系统频率分频比范围是 7000大分频比 7800 转换为二进制数是 1111001111000，单片机 送高位数据， 低位数据 ，所以用 分别连接 即可。 统软件设计 软件设计编程是实现系统多功能、智能化和操作方便的关键，由于控制比较复杂，采用 C51 单片机开发语言。系统软件采用模块化程序设计方法，功能模块各自独立。 软件设计要使系统可实现以下功能： （ 1）手动输入频率：通过键盘上的数值键，直接键入在 35000 39000间任意所需的频率值。当用户键入的频率值不属于频率段内时，则由系统直接清零用以告知用户不可设定此频率，提高人性化界面
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