基于MC8锁相环频率合成器的设计

1、摘 要频率合成器是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。在通信、雷达、测控、仪器表等电子系统中有广泛的应用。频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。并且输出频率的准确度不逊色与前两种，因此锁相环频率合成已获得广泛的应用。而VCO作为其中一个必不可少的重要部件,其质量可以左右整个环路的性能。负阻集成LCVCO由于具

2、有工作频率高、波形好、频稳度高、相位噪声低、性能可靠等优点,适于作为甚高频和特高频VCO。关键词：MC1648；锁相环；频率合成器AbstractThe frequency synthesizer with high accuracy and high stability of the standard frequency of one or a few as the reference frequency, which leads to multiple or large amount of output frequency, accuracy and stability of the ou

3、tput and the reference frequency is consistent. There are widely applied in communication, radar, measurement and control, instruments and other electronic systems. Frequency synthesizer has the direct frequency synthesizer, DDS and PLL frequency synthesizer in three basic models, the former two bel

4、ongs to the open loop system, so there is short frequency conversion time, resolution is higher, and the PLL frequency synthesizer is a closed loop system, the frequency conversion time and resolution is not as good as the first two good, but it has the advantages of simple structure, low cost. And

5、the output frequency accuracy inferior to the former two, thus PLL frequency synthesis has been widely applied. VCO is one of the essential components, the performance of quality around the whole loop. Negative resistance integrated LCVCO because of the high operating frequency, a good waveform, fre

6、quency stability, low phase noise, high performance and reliable, suitable for VHF and UHF VCO. Therefore the PLL frequency synthesis based on MC1648.Key words：MC1648；PLL Frequency ；Synthesizer目 录1 绪论11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 研究主要内容和结构安排12 系统方案设计32.1 方案设计思想32.2 方案设计方法33 锁相环及频率合成器33.1锁相环的结构及基

7、本原理43.2锁相环路的各部件及其数学模型5鉴相器6环路滤波器6压控振荡器7环路相位模型和基本方程83.3频率合成器及其技术指标9频率范围9频率间隔（频率分辨率）10频率转换时间10准确度与频率稳定度104 芯片的介绍114.1 AT89S52单片机114.2 芯片MC145152、MC12022、MC1648简介145系统各单元电路设计185.1压控振荡电路设计185.2频率合成器的设计215.3环路滤波器275.4控制电路设计和频率计算286 软件设计306.1 MC145152的控制和显示部分的程序设计306.2 74LS595的控制程序设计316.3 液晶显示驱动的程序设计317 总结

8、与展望33参考文献34致谢35附录1 总体电路图36附录2 程序371 绪论1.1 研究背景和意义随着社会科学的电子技术及电力电子技术的发展，对于一些电路的分析所需的仪器种类越来越多，同时要求的精度也越来越高。在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率方便可调的信号源，信号源的使用普及程度也许仅次于万用表和示波器。频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高。在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的信号输出。通信及电子系统的飞速发展促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进，目前朝着集成化，数字化，多用化

9、方向飞速发展。利用锁相环路构建高频合成电路，软、硬件也变得可以实现。其核心是基于锁相和频率合成技术。1.2 国内外研究现状锁相技术起源于二十世纪30年代，提出无线电调幅信号的锁相同步检波技术；40年代电视技术得到发展；50年代空间技术的发展；60年代相继研究制出集成锁相环部件和单片机锁相环路；70年代由于半导体和集成电路技术的飞速发展，使锁相技术越来越广泛的应用于电子技术领域；80至90年代锁相环路理论与研究日益完善，应用范围遍及整个电子技术领域。锁相环作为能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统已获得广泛的应用。在锁相环的开发、设计研究领域，目前已经探索出多种途径。大量的研究都致力于通过不同的方

10、式改进锁相环的性能，而对于压控振荡器的设计研究则较少。 而VCO作为其中一个必不可少的重要部件,其质量可以左右整个环路的性能。所以其发展方向和性能指标已受到人们关注。1.3 研究主要内容和结构安排锁相环是相位误差控制系统，它将设定的参考信号与输出信号之间的相位不断比较，利用两者的相位误差电压来调整输出信号的相位，直到输出信号与参考信号达到同频。高频信号源要求电子仪器能达到很高的输出频率，具有低相位误差、低杂散、易于集成等特点，能提供频率稳定度很高的输出信号，避免大量使用滤波器，因而有利于集成化和小型化。该设计以高频信号源系统为研究目标，从问题的提出到方案的确定，从锁相环路的原理、应用

11、和数学模型分析到利用锁相环路构建高频合成电路，软、硬件实现。首先就设计的研究背景意义做出说明。第二部分主要介绍了整体设计方案。第三部分介绍了锁相环各部分的基本知识及原理。第四部分介绍了用到的芯片。然后介绍了单元电路的设计和软件设计。最后给出结论并对课题未来的发展做出了展望。2 系统方案设计2.1 方案设计思想针对传统信号源输出信号稳定性差，准确性低，生产成本高。本次设计采用变模锁相频率合成技术产生所需要的频率信号。压控振荡器是频率合成电路的关键部分，能实现压控振荡功能的电路有很多，从电路结构、稳定性、频率上限、调试难易程度、构建系统的费用等方面比较，LC负阻型压控振荡器有明显优势。负阻集成LC

12、VCO由于具有工作频率高、波形好、频稳度高、相位噪声低、性能可靠等优点,适于作为甚高频和特高频VCO。2.2 方案设计方法本次设计利用单片机最小系统实现输出频率的控制，系统框图如图2-1所示。由MC145152、MC1648、MC12022系列集成电路芯片组成数字锁相频率合成器，通过单片机AT89S52控制分频数，同时通过液晶显示器向用户反馈信息。实现可控可调的功能。AGC晶振单片机键盘液晶显示控制器 高速分频（MC12022）频率输出环路滤波器频率计可编程分频器压控振荡器（MC1648）鉴相器MC1451522图2-1 高频信号源系统框图3 锁相环及频率合成器3.1锁相环的结构及基本原理锁相

13、环PLL是一个相位跟踪系统。图3-1显示了最基本的锁相环方框图。它包括三个基本部件，鉴相器PD环路滤波器LF和压控振荡器VCO【1】。 设参考信号 （3-1）式中为参考信号的幅度；为参考信号的载波角频率；为参考信号以其载波相位；为参考时的瞬时相位。 若参考信号是未调载波时，常数。设输出信号为 (3-2)式中为输出信号的振幅；为压控振荡器的自由振荡角频率；为参考信号以其载波相位；为参考时的瞬时相位, 在VCO未受控制前他是常数，受控之后他是时间函数。则两信号之间的瞬时相位差为 (3-3) 由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为 (3-4)鉴相器是相位比较器，他把输出信号和参考信号的相位

14、进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。环路滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。因此，锁相环的工作原理可简述如下：首先鉴相器把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生一个反应两信号的相位差大小的误差电压,经过环路滤波器的过滤得到控制电压。调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即 (3-5)此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率控制电压=0时

15、的频率，其偏移量由式（3-4）和式（3-5）得到为 (3-6)这时输出信号的工作频率已变为 （3-7）由此可见，通过过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。3.2锁相环路的各部件及其数学模型锁相环原理图如3-2所示：F1比较信号U0鉴相器输出信号U0压控振荡器输入信号Ui误差电压UF2环路滤波控制电压Ud图3-2 锁相环原理图鉴相器鉴相器PD又称相位比较器，它是用来比较两个输出信号之间的相位差。鉴相器输出的误差信号是相差的函数。 鉴相器按其鉴相特性分为正弦型，三角形和锯齿波形。作为原理分析，通常使用正弦型，较为典型的正弦鉴相器可用模

16、拟乘法器与低通滤波器的串接构成。图3-3是正弦鉴相器的数学模型图3-4是正弦鉴相器的鉴相特性。 图3-3正弦鉴相器的数学模型 图3-4正弦鉴相器的鉴相特性环路滤波器环路滤波器LF是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。环路滤波器由线性原件电阻、电容、和运算放大器组成。它是一个线性系统【3】。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器三种。下面以介绍有源比例积分滤波器由运算放大器组成。当运放器开环电压增益A为有限值时，他的传递函数为 （3-8)式中由图3-5可见，它也具有低通特性与比例作用。相频特性也有超前校正

17、的作用。图3-5有源比例积分滤波器及其特性压控振荡器 压控振荡器VCO是一个电压-频率变换器，再换路政作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压的线性的变化，即 （3-9）式中是VCO的瞬时角频率，是线性特性斜率，表示单位控制电压，可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度与增益系数，单位为rad/s·v.在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是瞬时相位，即 (3-10) 由此可见，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称他为环路中的固有积分环节。上式就是压控振荡器相位控制的模型，若对上式进行拉氏变换，可得到在复域的表示式为 (3-11)图3-

18、6为其数学模型，其中（a）为其时域模型，（b）为复频域模型。图3-6 VCO的数学模型由此可得VCO的传递函数为 （3-12）环路相位模型和基本方程上面分别得到了鉴相器，环路滤波器和压控振荡器的模型，将三个模型连接起来，就可以得到锁相环路的模型【2】。如图3-7所示图3-7锁相环路相位模型复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示。其中p（d/dt）是微分算子。由上图可以得出锁相环路的基本方程。 (3-13) (3-14) 将（3-13）代入（3-14）得 (3-15) 设环路输入一个频率和相位均为常数的信号，即 (3-16)式中，是控制电压=0时VCO的固有振荡频率，是参考输入信号的相位。令

19、 将式（3-16）代入式（3-17）可得固有频率输入时的环路基本方程 (3-18) 在闭环之后的任何时刻存在着如下关系：瞬时频差=固有频差-控制频差，记为 (3-19)3.3频率合成器及其技术指标频率合成一个或少量的高准确度高稳定的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率.这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件。频率合成器的使用场合不同，对它的要求也不尽相同。大体上来讲它的主要技术指标有：频率范围、频率间隔、频率准换时间、准确度与频率稳定度等【3】。频率范围 频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围

20、,也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示（k又称之为波段系数）。如果覆盖系数k>23时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。 频率间隔（频率分辨率） 频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。准确度与频率稳定度 频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的

21、时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。4 芯片的介绍4.1 AT89S52单片机(T2)T2 EX图4-1 52单片机管脚图表4-1 P1口第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）本系统中，P1口的作用主要是DAC0832的数据传输口，还应用到了其第二功能的定时器，作为DAC0832的频率调节。但是在下载程序是，其P1.5、P1.6、P1.7口则是作为程序下载口使用的。P2 口：

22、P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL ）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 本系统中，P2口的主要作用是

23、一部分作为液晶显示器的控制口，另一部分是键盘的输入口。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（I IL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口除了普通I/O口功能外，也有其第二功能，其功能如表4-2所列。表4-2 P3口第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3

24、.2INT0(外部中断 0)P3.3INT0(外部中断 0)P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)本系统中，P3口的主要作用为DAC0832的数据传输口以及控制LED作为指示灯，其也用到了P3.4、P3.5的第二功能。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控

25、制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行 MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个 ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN: 外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储

26、器选通信号。 当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。 为了执行内部程序指令，EA应该接VCC 。在flash编程期间，EA也接收12伏V PP 电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 4.2 芯片MC145152、 MC12022 、MC1648简介MC145152是MO TOROLA 公司生产的大规模集成电路,它是一块

27、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CMOS - L SI 锁相环频率合成器,其内部组成框图如图1 示。该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(12 ×8ROM 参考译码器和12bit ÷R 计数器) 、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10 位可编程的10bit ÷N 计数器、6 可编程的6bit ÷A 计数器和锁定检测等部分。其中,10bit ÷N 计数器、6bit ÷A 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 =VN + A 。 管脚排列及功能

28、如下图4-2 所示 图4-2 MC145152 的管脚排列采用28 脚DIP 封装,各管脚功能如下:引脚4、5、6 (RA0 、RA1 、RA2 ) 为参考地址码输入端, 用于选择参考分频器的分频比。通过12 ×8ROM 参考译码器和12bit ÷R 计数器进行编程。分频比有8 种选择, 其参考地址码与分频比的关系见表1 所列引脚26、27 (OSCIN 、OSCOU T ) 为参考振荡端,当两引脚接上一个并联谐振晶体时, 便组成一个参考频率振荡器。但在OSCIN 到地和OSCOU T 到地之间一般应接上频率置定电容(一般为15p F 左右) 。OSCIN也可作为外部参考信

29、号的输入端。引脚1 (VCO) 为输入信号端,将输入信号交流耦合到本引脚,其输入信号频率应小于30MHz 。引脚10、2125 (A5A0 ) 为6bit A 计数器的分频端。其预置数决定了÷V/ (V + 1) 双模前置分频器的÷V/ (V + 1) 的次数。引脚1120 (N9N0 ) 为10bit ÷N 计数器的分频端。引脚7、8 ( <V 、<r ) 为鉴相器双输出端,用于输出环路误差信号。如果f v > f r 或f v 的相位超前f r ,则<v 变为低电平而<r 仍为高;如果f v < f r 或者f v 的相位滞

30、后f r ,则<r 跳为低电平而<v 保持高;如果f v = f r 并f v 与f r 同相,则<v 和<r 保持高电平,仅在一个很短的时间内二者同时为低电平。引脚9 (MC) 为模式控制端,输出的模式控制信号加到双模分频器即可实现模式变换。在一个计数周期开始时,“MC”处于低电平,一直到A 下行计满它的编程值为止, 然后,“MC”跳为高电平, 并一直维持到÷N 计数器下行计满编程的剩余值(N -A) 。N 计数器计满量后,“MC”复位为低,两个计数器重新预置到各自的编程值上,再重复述过程。引脚28 (LD) 为锁定检测端, 用于锁定输出信号。当环路锁定时(

31、即<v 与<r 同频同相) ,该信号为高电平;当环路失锁时,LD 为低电平。MC12022： 图4-3 MC12022引脚排列图 图4-4 MC1648管脚图MC12022 低功耗双模预置分频器电路具有÷64/ 65、÷128/ 129 四种分频功能,由八级ECL D 型主从触发器构成。前三级触发器为同步时钟输入控制, 在模数控制端MC 的控制下实现÷4/ 5 功能, 第四级和第五级触发器、第六级和第七级触发器分别实MC12022 低功耗双模预置分频器。MC1648芯片管脚图如4-4,主要功能详见第五章的5.1节。5系统各单元电路设计5.1压控振荡电路

32、设计压控振荡器是频率合成电路的关键部分，能实现压控振荡功能的电路有很多，常用的有分立器件构成的振荡器和集成压控振荡器，如串联谐振电容三点式电路、压控晶体振荡器、积分施密特电路、射极耦合多谐振荡器、变容二极管调谐LC振荡器和数字门电路等几种。从电路结构、稳定性、频率上限、调试难易程度、构建系统的费用等方面比较，LC负阻型压控振荡器有明显优势。本设计采用Motorola公司生产的MC1648 LC负阻型压控振荡器MC1648。MC1648的工作电源为5V，输出频率最高可达225MHz，输出频谱纯度高。采用双管背对背连接变容管和电感组成的并联LC谐振槽路，振荡频率将受变容二极管的偏置电压控制6。图5

33、-1 压控振荡器图5-1为压控振荡器的图。由图中可以发现，两个变容二极管是背靠背连接的，这样做的特点是：对于直流和调制信号而言，它们相当于并联，所处的偏置点和受调制状态一样；而对于高频信号而言，它们相当于串联，使得每个变容二极管两端的电压幅度下降了，这就减弱了高频电压的作用， 起到了调控的作用。变容二极管是同极性端对接的，这中连接可以使得它们对于高频电压的相位刚好相反，防止高频电压幅度过大时，变容二极管导通对谐振回路的影响。在单个变容二极管电路中，如果出现这种现象将导致回路Q值大大下降，此外，还会削弱高频振荡电压的谐振成分。由于变容二极管是非线性器件，高频信号的输入必然会产生谐波分量，这可能会

34、产生交叉调制干扰。对接之后，两二极管的高频信号反相，可抵消部分谐波成分。集成压控振荡器芯片MC1648，其工作电压5V，工作频率1.0MHz150MHz，其槽路由变容二极管和电感并联组成，通过改变变容二极管的反偏电压来改变振荡频率。在变容二极管的偏置电压相同的情况下，MC1648的输出频率可由下式计算： (5-1)MC1648内部电路就含有放大电路和自动增益控制电路，因此它可以稳定输出频率的幅度。使用该电路可以使用比较少的外围器件，并且调试也很方便。其内部电路如图5-3所示。图5-3 MC1648内部电路图MC1648的第10脚输出一个约1.5V的稳定电压，可作为变容二极管的一个偏压。谐振槽路

35、从10脚和12脚接入，与内部的Q7，Q4，Q5，D1，Q8组成一个移相720°的正反馈正弦振荡电路，Q6的基极连接Q7的集电极，也形成正反馈。另外，MC1648内部有放大电路和自动增益控制电路（D1，Q8，Q6，Q7），可以稳定输出频率的幅度，输出信号经AGC电路采样后从5脚接入。当振荡幅度增大时，Q8的基极电压增大，集电极电流增大，Q7的Ube减小从而放大倍数减小，输出幅度将减小；反之，如果振荡幅度减小，则恒流源Q8的电流减小，Q6、Q7的放大倍数将增大，输出幅度也因此增大。Q3，Q2和射极跟随器Q1为输出缓冲级，有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。由变容二极管的特性曲线

36、可以知道，其电容量是其偏压的函数，并且在一定范围内近似线性，因此该槽路还可作调频调制用，即将调制信号叠加到变容二极管的偏置端上，调制信号的变化必然引起变容二极管容量的变化，从而必将引起振荡频率的变化，即其也可以实现调频。由MC1648组成的压控振荡器如图5-4所示。图5-4 压控振荡器电路图5.2频率合成器的设计频率合成器的设计采用MC145152和MC12022预置双模分频器集成芯片。这两种芯片均是Motorola公司的产品。MC145152内部由三部分组成：一是有放大器、12bit÷R计数器和参考译码器组成的产生参考频率fr电路；二是由6bit÷A计数器、10bit&#

37、247;N计数器和控制逻辑组成的吞脉冲式计数器；三是鉴相器。由MC145152、MC12022组成的频率合成系统如下图所示7。图5-5 频率合成系统电路fc实现锁相环分频电路的系统框图如图5-6所示。锁相环路主要由晶振、参考分频器、压控振荡器、鉴频/鉴相器、低通滤波器、可编程分频器组成。它是应用数字逻辑电路将压控振荡器频率一次或多次降低至鉴相器频率上，再同参考频率通过鉴相电路并进行比较，通过低通滤波器取出鉴相器输出的误差信号来控制压控振荡器的频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。由于在电路中采用了大规模集成电路芯片MC145152，因此框图中的晶振、参考分频器、鉴频鉴相器、可编程分频器都集成在一

38、个芯片中，不需要再单独设计，这可以减少外围的电路器件。同时利用单片机来控制MC145152，确定分频系数A、N和发射频率的对应关系。fr÷R压控振荡器环路滤波器鉴相器参考分频器÷Rfr晶振前置分频器÷P/P+1可编程分频器图5-6 锁相环系统框图锁相环频率合成器是以大规模集成PLL芯片MC145152为核心设计的。MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块采用并行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOSLSI锁相环频率合成器。图5-7为其内部组成框图。MC145152内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(12

39、5;8 ROM参考译码器和12bit÷R计数器)、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10位可编程的10bit÷N计数器、6位可编程的6bit÷A计数器和锁定检测等部分。其中，10bit÷N计数器、6bit÷A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。整个过程中输入的脉冲数共有QA（P1）+(N-A)P=PN+A，即吞脉冲程序分频器的总分频比为：D=PN+A。（A的范围063，N的范围01023）。由此可以计算出频率和A、N值的对应关系，利用单片机控制器改变其值，便可达到改变输出频率的目的。图5-7 MC145152内部结构图参考分

40、频器是为了得到所需的频率间隔而设定的。频率合成器的输出频谱是不连续的，两个相邻频率之间的最小间隔就是频率间隔。在MC145152中，外部稳定参考源由OSCin输入，经12位分频将输入频率÷R，然后送入FD/PD中。R值由RA0、RA1、RA2设定，将RA0、RA1、RA2分别置不同的高低电平可得到不同的R值，具体数值如图5-8所示。例如，当RA0RA1RA2101时，R1024，即对晶振产生的频率进行1024分频。MC145152内部存在着鉴相器，鉴相器起到了模拟乘法器的作用。鉴相器将参考分频器出来的很稳定的步长信号和压控振荡器产生的频率经可编程分频之后得到的不稳定的频率信号进行比较

41、，输出为两者之间的相位差，这个差值就可以作为压控振荡器的控制电压。中间需加一个低通滤波器将相位差值中的高频分量滤掉。由于发射机的频率高达几十MHz以上，而 MC145152工作频率只有十几MHz,因此直接用MC145152无法对其分频，必须先用高速分频器对这么高的频率进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，如图5-9所示。它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷A减法计数器，÷N减法计数器构成。 (a)P/P+1前置分

42、频器方框图 (b)吞咽脉冲计数示意图图5-9吞咽式脉冲计数原理图MC12022有四种分频系数，如图5-10所示。但为了运算简洁我们只取64/65分频。M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。M为高电平时，MC12022以P64为分频系数，M为低电平时则以P65为分频系数。÷N 和÷A是可预置数的减法计数器，由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。PD为数字鉴相器。fo为压控振的输出频率（即发射频率）。SWMC分频比HH64HL65LH128LL129 （a）MC12022管脚分配 (b)MC12022分频功能图5-10 MC12022管

43、脚分配及分频功能吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为0，÷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1；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NA个数，它继续计（NA）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，也就是说，该吞咽脉冲计数器的总分频系数为。可见，采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取N值与A值，就能得到任意的分频比。为实现锁相，必须有。

44、反过来，由于，改变N和A的值，也能改变，这就是输出频率数字化控制的原理。÷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10kHz，则输出频率×10kHz (5-2)需要得到某个输出频率时，利用单片机计算得到N和A的值，分别送至MC145152的N9N0和A5A0口，这就实现了对发射频率的控制。(5-3)(5-4)(5-5)(5-6)5.3环路滤波器MC145152中的鉴相器输出的两个误差信号分别是一个与参考频率同频的方波信号和一个固定电平。为取出其直流成分，可以先用一级有源积分网络将方波信号转化为直流，此直流中含有较多交流成分，再用一级无源低

45、通网络滤除，然后加到压控振荡器上。环路滤波器采用有源比例积分滤波器，如图5-12所示。输入信号ui来自MC145152芯片的8脚，输出信号uo连至压控振荡器，控制其变容二极管两端电压变化。本次设计使用到了多个集成芯片，这些芯片都有着自己的工作电压，每种芯片的工作电压并不一样，不过通过比较后发现芯片都能在5V电压源下正常工作，为使电路简介，并节约资源，决定统一用+5V的电压源，经测试，各电路模块均能正常工作。图5-12 环路滤波电路图5.4控制电路设计和频率计算频率合成器的控制通过单片机来实现，由于电路中MC145152接口较多，因此使用了串并转换芯片74LS595,如图5-13所示。由式fo（

46、PNA）fr知道，输出频率可以通过A和N来控制，使用了串并转换芯片后，A和N的值分别从74LS595的Q0Q7的八位并行输出端向MC145152发送。控制电路的作用是有：响应按键的输入并控制液晶的显示，计算并向MC145152输出控制信号。核心是使用单片机AT89C52，单片机以最小系统工作即可，使用11.0592MHz晶振，从X1，X2口接入，晶振的两个引脚分别接30pF的负载电容到地。外加复位电路。由于AT89S52芯片在原件库中没有，所以用89C52的芯片代替其控制功能。控制电路如图5-14所示。 6 软件设计6.1 MC145152的控制部分的程序设计图6-1为软件设计流程图。选用晶振

47、频率为12MHz，首先确定其频率间隔，即为步进频率，对其进行÷R分频，通过改变R的计数值，可以使调频步进处于不同的档位。A、N的值可由前述公式计算得来，但如果在编程的时候编入这种算法将非常的麻烦。我们可以发现A、N的变化规律，由于R的取值只有八个，而使用到的值更少；A值的范围是063，而且必须满足N>A的条件。在程序设计中，不需要将每个变化都存入单片机，因为所用的值不多，对应不同的步进取值为离散的一些数，根据选择档位的不同，取不同的值就可以了。这样节省了系统资源，可根据设定频率确定A、N值并送到MC145152中。程序详见附录p348。开始开始 计算步进频率初始化有键按入计算A

48、的值计算N的值选择步进值输出A，N值将A，N的值送入MC145152显示频率结束结束 （a）参数计算流程图 （b）软件设计流程图图61设计流程图6.2 74LS595的控制程序设计74LS595是移位寄存器，本设计中使用它来实现串并转换功能，它的时序图主要有三步： 第一步：将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。第二步：将位数据逐位移入74HC595，即数据串入。第三步：并行输出数据。即数据并出。从上分析得可输出数据的同时移入数据。具体程序见附录p339。6.3 液晶显示驱动的程序设计 本次设计采用1602液晶显示，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字

49、、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。1602液晶模块内部自带了存储器，这个存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，包含了常用的字符。它控制程序详见附录p3510。7 总结与展望基于MC1648锁相环频率合成器具有较低的相位噪声、很高的频率稳定度，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。利用锁相环的频率合成技术产生高频信号的技术也日渐成熟，而高频信号的应用十分的广泛，

50、因此高频信号发生器也是有着广阔的发展前景。在通信、广播、电视系统中，为了使通信的质量更好。都需要高频发射，这里的高频波可以作为高频载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。频率合成技术有着广阔的发展前景。但目前VCO的噪声指标不易做高，使得VCO还没有集成到单片合成器中去。随着锁相环的频率合成技术产生高频信号的技术和集成电路技术日渐成熟，在不久的将来锁相环频率合成器所有部件将被集成到一个芯片上去，从而使得其性能更加优越，速度更高。甚至会在其中引入微机部件，使得波道转换、频率和波段的显示实现遥控和程控。参考文献1 曾兴文.高频电子线路 M.北京:高等教育出版社

51、,20092 王福昌.鲁昆生.锁相技术M.武汉:华中理工大学,2005: 75-93.3 刘飞.宽带环路滤波器的设计D.南京:东南大学,2006: 7-9.4 姜梅.刘三清,李乃平,等.用于电荷泵锁相环的无源滤波器的设计J.微电子学,2003,33(4): 339-343.5 张涛,邹雪城,刘三清,等.锁相环中高性能电荷泵的设计J.微电子学与计算机,2004,21(10): 169-171.6 陈超.CMOS压控振荡器的研究D.南京理工大学,2013.7 石雄. 直接数字频率合成技术的研究与应用D.华中科技大学,2007.8 何红松. 利用MC145152-2设计吞脉冲锁相频率合成器J. 零陵

52、学院学报,2004,11:71-74.9 韩团军. 基于单片机的LED点阵显示控制的设计J. 电子设计工程,2011,05:180-182.10 段翠萍,库少平,李捷. 12864液晶显示程序设计A. 中国电工技术学会电气工程教育专业委员会.2006年电气工程教育专业委员会年会论文集C.中国电工技术学会电气工程教育专业委员会:,2006:3.致谢附录1 总体电路图附录2 程序/*主程序*/#include "LCD1602.h"#include "key4X4.h"#include "DELAY.h"sbit M74LS595_CKL

53、=P23;sbit M74LS595_DAT=P24;sbit M74LS595_LCK=P25;uchar key_num;UINT8 Dev83=0x00,0x02,0x00,0x00,0x10,0x01,0x00,0x20,0x02,0x01,0x00,0x03,0x02,0x00,0x04,0x04,0x00,0x05,0x04,0x20,0x06,0x08,0x00,0x07;UINT8 Fer86=' ','1','5','0','0',0, '1','8','7','.','5',0,'9','3','.','7','5',0,'4','6','.','8','8',0,'2','3