基于时频信号的锁相式频率合成器的设计与制作毕业设计报告正式

基于时频信号的锁相式频率合成器的设计与制作毕业设计报告正式内容摘要：

个逐渐变大的直流分量经低通滤波器后去控制 VCO，以更快的速度使 VCO 的振荡频率趋向于 ω i。 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 10 页 共 31 页 上述过程以极快的速度反复循环进行，直至从量变发生质变： VCO的振荡频率由原来的 ω i变为ω i，环路在这个频率上稳定下来，这时相位比较器的输出也由差拍波变为直流电压，环路进入锁定状态。 这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的，这 个过程叫做捕捉过程。 若 ω 0与 ω i的频差太大，环路通过频率的逐步牵引也可能始终进入不了锁定状态，就称处于失锁状态。 这是因为 ω 0与 ω i相差很大时，相位比较器输出的差拍电压的频率很高，它 将被低通滤波器除掉，滤波器的输出电压基本上为 0或保持不变，因此 VCO的输出频率也保持 ω 0不变，这种情况将一直持续下去。 对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动 VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。 环路的这种状态称为跟踪状态。 因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。 频率合成器的性能指标 （ 1）频率范围 指 频率合成器输出频率最高和最低值之间的 频段宽度。 一般来说，频率范围决定于压控振 荡器的频率可变范围。 （ 2）频率间隔 指频率合成器 2个相邻输出频率点之间的间隔，频率范围和频率间隔共同决定了信道数量。 （ 3）转换时间 指频率值发生改变时完成转换并达到锁定所需要的时间。 （ 4）噪声 表征了输出信号的频率纯度。 包括相位噪声和寄生干扰。 在以上性能指标中，转换时间在收发信机设计中将很大程度上影响通信传输的有效性指标。 每一次发送接收频率的改变，都要经历一次频率合成的跟踪锁定过程，当频率转换间隔较大时可能用时也较多 ，这个过程不能进行有效的数据传输，因而降低了有效的信道容量。 在锁相频率合成器设计中，尽量减小捕捉时间是一个重要课题。 方案具体实施过程 [13] MC145151是一个标准的 CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件为 鉴相器、锁定检测器、 14位 247。 N计数器等，它们可完成频率合成的基本功能。 此外，芯片还有晶体振荡器和 14 位基准分频器（ 247。 R计数器）电路。 图 给出了 MC145151的内部结构和管脚结构，图 MC1451512参考地址码与总分频比的 关系 ，各图 如下所示： 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 11 页 共 31 页 图 MC1451512内部结构图 图 MC1451512外部管脚下图所示 管脚介绍： 1管脚为信号输入端， 3管脚为电源端， 4管脚为鉴相器 A的输出端， 7为参考地址码输入端， 9管脚为鉴相器 B的输出端， 10管脚为 N计数器的输出端， 11 2225管脚为 N计数器的预置输入端， 21管脚为发射接收抵消输入端， 2 27管脚为参考晶体振荡器的输入输出端，28管脚为 锁定探测器输出 端。 图５介绍了参考地址码与总分频比的值之间的关系。 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 12 页 共 31 页 参考地址码 总分频比的值 0 0 O 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 图 MC1451512参考地址码与总分频比的关系： 参考晶体振荡器从 27管脚输入，参考地址码 0AR 、 1AR 、 2AR 分别在 7端，通过 14x8ROM参考译码器对 14bit247。 R计数器进行编程。 分频比有 8种选择，参考地址码与总参考分频比的关系见上表所示。 其中： （１） 逻辑 0 和 1的取的，内部使用上拉电阻 MC1451512的逻辑电平，当管脚悬空是高电平，接地为低电平，其他片子的高电平是接 VCC 低电平是接地。 （２） N 计数器的置数方法 ： a单片机置数，利用单片机编程来控制 b 拨码开关置数法 c利用两片加减法计数器来开控制， N 计数器的输入端，可以设计三个开关，一 个用来复位，一个用来产生计数脉冲，一个用来控制加减控制，根据实验室的条件，和现有的知识水平，选择b。 （３）步进的计算： 晶振 OSIf 选择 ，参考地址码 0AR ， 1AR ， 2AR 置为１，１，１对应的总分频比由图５查得，为 8192，前致分频的分频值Ｐ选择 64。 那么步进的计算为： o s if 1 2 .8 6 4 0 .18192P N N NR   ， Ｎ为拨码开关的置数， 为步进，假设环路锁定范围内的频率为 64MHz，那么Ｎ的置数就为 640。 此次设计的频率合成器的频率范围变化为１ MHz，由于步进为 ，拨动拨码开关频率 稳定变化，即环路锁定。 0AR 1AR 2AR 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 13 页 共 31 页 环路滤波器（ Loop Filter，简称 LPF）是锁相环（ PLL）的重要组成单元，它在很大程度上决定了 PLL 的性能。 在 PLL频率 合 成 器的设计中，为了获得稳定的 VCO 调谐电压，环路滤波器起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止 VCO 调谐电压控制线 上电压突变、抑制参考边带杂散干扰（ spurs）等重要作用，是 PLL频率 合 成 器的设计与调试的关键。 VCO 的输出频率的稳定与否，与环路滤波器的设计有着密切的关系，滤波器分为有源滤波和无源滤 波，无源滤波的性能受负载的影响较大，有源滤波的电路比较复杂，在此 次设计中主要是考虑得二者的输出信号的幅度，是否采用有源滤波，只要是取决于变容二极管的电压，电容曲线，如果电容线性变化范围内的电压比较大的话，则采用有源滤波， 如果电压较小，则采用无源滤波。 考虑以上原因， 采用有源积分滤波电路，集成运放用 LM358芯片。 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 [2]。 LM358的封装形式有塑封 8引线双列直插式和贴片式。 结构 排列见 图 ： 图 LM358结构排列图 LM358 的特性：① LM358 双运算放大器的供电范围很大，可以从 3 V ～ 30 V，并且可以用单电供应，也可以用双电供应十分方便。 LM358具有低耗电电流的优点，一般为 ；具有电压公共输入端，包括接地，并且允许直接接地；具有低输入偏移和补偿量（输入补偿电压 3mV、输入补偿电流 2nA、输入偏流 2nA）。 差分输入电压范围等于最大额定供给电压为 177。 32V。 开路差分电压放大100V/mV。 这个芯片是由两个独立的、高增益的、运用频率补偿的放大器组成。 此芯片可用单电供应，并且电压范围广泛。 输入耗电电流的大小与输入电压的大小无关。 由于可实现单电供应，因此 LM358被广泛的应用于传感放大器、直流放大区和所有常用的运算放大电路。 ② LM358 还具有 补偿 （约 100dB） （约 1MHz） ：单电源（ 330V）双电源（177。 177。 15V） ，适合于电池供电 调电流 ，包括接地 ，等于电源电压范围 幅度大（ 0至 ） 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 14 页 共 31 页 压控振荡 器 是一个电压 — 频率 变换的装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压线形变换，此次设计中压控振荡器的 芯片 采用 MC1648[13]，因实验室没有变容 二极管 MV209，故选用整流二极管 IN4007/4001外接一个 LC 谐振回路构成压控振荡器。 选取适当的电感， 便可改变MC1648 的输出频率。 另外， MC1648内部有放大电路和自动增益控制，可以实现输出频率稳幅，射极跟随器有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。 由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。 Mc1648内部结构及管脚排列分别见图 ，图 ： Q9AGCO U T P U T15Q78B I A SQ3Q103R1 R3D112Q6Q4Q812R2T A N KQ1Q11V c c 2D212Q5Q2VEEVEE1V c c 11014POINT7 图 Mc1648内部结 构图 图 Mc1648管脚图 MC1648 的第 10 脚输出一个约 的稳定电压，可作为变容二极管的一个偏压。 谐振槽路从10 脚和 12脚接入，与内部的 Q7， Q4， Q5， D1， Q8 组成一个移相 720176。 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， Q 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。 此外选取适当的电感， 便可改变 MC1648 的输出频率。 另外， MC1648 内部有放大电路和自动增 陕西理工学院毕业论文（设计） 第 15 页 共 31 页 益控制，可以实现输出频率稳幅，射极跟随器有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。 由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。 由于设计中 使得 N 计数器的值变化很大，所以就采用前置分频器， 所用的前置分频器是选用MOTOROLA 公司的 Mc12022， MC12022 电路具有 64/ 6 128/ 129四种分频功能 ,在 55～ 85 ℃温度范围内 ,最高工作频率大于 1100MHz , 工作电流小于 10mA。 并且 MC12022是一个双模分频器，而在 本 次设计中我设计成的是单模分频， 电路在 5. 0V 电源电压下工作 ,输出为 ECL 电平。 MC12022 电路具有分频功能多 ,工作频率高 ,功耗低 ,温度性能好等特点 ,可广泛用于通讯、仪器仪表、雷达、导航等领域 [13]。 前置分频器 MC12022工作特性 ⒈ GHZ的跳变频率 —— 从 — 40摄氏 度 到 — 80摄氏 度。