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1、(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)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
2、量可以左右整个环路的性能。负阻集成LCVCO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。关键词：MC1648；锁相环；频率合成器AbstractThe frequency synthesizer with communication, radar, measurement and control, instruments and other electronic systems. Frequency synthesizer three basic models, the former two belongs to the open loop
3、system, so there is short frequency conversion time, resolution is time and resolution is not as good as the first two good, but it widely applied. VCO is one of the essential components, the performance of quality around the whole loop. Negative resistance integrated LCVCO because of the MC1648.Key
4、 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锁相环的结构及基本原理43.2锁相环路的各部件及其数学模型53.2.1鉴相器63.2.2环路滤波器63.2.3压控振荡器73.2.4环路相位模型和基本方程83.3频率合成器及其技术指标93.3.1频率范围93.3.2频率间隔（频率分辨率）103.3.3频率转换时间103.3.4准确度与频率稳定度104 芯片的介绍114.1 AT89
5、S52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
6、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。近年来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能等领域，能够高性能地完成信号的提取，信号的跟踪与同步，模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。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，多用化方向飞速发展。利用锁相环路构建高频合成电路，软、
7、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式改进锁相环的性能，而对于压控振荡器的设计研究则
8、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。
9、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LCVCO由于具有工作频率高、波形好、频稳度高、相位噪声低、性能
10、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
11、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】。 图3-1 锁相环的基本构成设参考信号 （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进行比较，产生对应于两信号相位差的
12、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时的频率，其偏移量由式（3-4）和式
13、（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3.2.1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3.2.2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为主。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)
