PLL电路研究及在信号产生中应用毕业论文.doc
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1、毕业论文摘 要摘要:随着科学技术的发展,锁相环PLL是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。鉴于其在通讯、航海、军事等发面的广泛应用,研究锁相环电路的特性有助于了解和提高锁相环电路的性能指标,使其在各领域得到更为广泛的应用和推广,其具有很强的实际应用价值。本设计基于数字锁相环式频率合成技术,采用AT89S52单片机完成电压控制LC振荡器的控制。可控制单片机改变频率,步进为100KHz;可实时测量压控振荡器输出频率、输出电压峰峰值,并用数码管显示器显示;在输出负载为容性阻抗时,用一个串联谐振回路提高其输出功率;采用了交流电压反馈和AGC电路来稳定输出电压;末级功放选用三极管2SC2668,使其工
2、作在丙类放大状态,提高了放大器的效率;输出正弦波比较稳定,没有明显失真;输出频率稳定度达到10-3;输出功率20mW;输出电压可稳定在1V0.1V。关键词:锁相环;压控振荡器;频率测量;信号产生;单片机ABSTRACTAbstract: Along with the science technical development, lock mutually the wreath PLL is mutually automatic frequency control and auto control technical fusion. Owing to it is in the hair nood
3、leses, such as communication, voyage and military.etc. of extensive applied. The research lock mutually the characteristic of wreath electric circuit help understanding and exaltation to lock mutually the function index sign of wreath electric circuit, Make it get more extensive application and expa
4、nsion in each realm, it has very strongly physically applied value.The system adopting AT89S52 to design the VCO is based on the digital frequency synthesize technical .The digital PLL principle is used and the control of the core chip MC145163 is accomplished by AT89S52. It can automatically change
5、 and measure the frequency of VCO with a step of 100 kHz and VP-P and display it by LED .Meantime it realizes the functions of expanding the frequency, which make more practical. The design is program with AT89S52 . It is proved to be well functioning, the output frequency is stable and the power of
6、 is over 20mW, and the capability indexes are also good after testing.Key Words:PLL;voltage controlled oscillator; frequency measure; signal-generating; SMCU目 录 引言12系统组成33方案论证与比较43.1压控振荡器方案论证与选择43.2频率合成器的设计方案论证与选择43.3控制模块的设计方案论证与选择 53.4电源方案的选择54锁相环74.1锁相环的概念74.2锁相环基本框图74.3鉴相器的时序图84.4捕捉带与通频带95单元电路的设计
7、105.1压控振荡器105.1.1压控振荡器MC1648115.1.2压控振荡电路设计115.1.3变容二级管与开关二级管切换电路125.2锁相环式频率合成器的设计125.2.1锁相环控制电路设计125.2.2 MC145163的管脚图与内部组135.2.3 MCl45163P的相位比较器145.3低通滤波器155.4电源电路设计165.5电子控制单元电路(ECU)165.5.1 89C52单片机的管脚说明165.6频率测量显示电路206 软件设计217 测试结果238 结论249参考文献25致谢26附录:系统原理图27附录2:环境参数检测程序28毕业论文1 引言1.1一、课题研究意义随着我们
8、国家社会、经济的飞速发展,通信技术、数字电视、航空航天和遥控技术的不断发展,且相关领域的知识体系进一步完善与拓展,各种类型的现代化通信设备被广泛的运用,对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率数量的要求也越来越高。为了提高频率的稳定度,经常采用晶体振荡器等方法来解决,但它很难产生多个频率信号。而频率合成技术,可以通过对频率进行加、减、乘、除运算,从一个高稳定度和高准确度的标准信号源,产生大量具有同样高稳定度和高准确度的不同频率。频率合成器是从一个参考频率中产生多种频率的器件。基于频率合成器的这以一特点,利用锁相式频率合成技术,可以制作高稳定度、宽频带的正弦波信号发生器。鉴于其在通讯、
9、航海、军事等发面的广泛应用,研究锁相环电路的特性有助于了解和提高锁相环电路的性能指标,使其在各领域得到更为广泛的应用和推广,其具有很强的实际应用价值。1.2发展的概况随着科学技术的发展,锁相环PLL是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。其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已出现。1930年已建立了同步控制理论的基础,1932 年贝尔塞什(Bellescize)提出了同步检波理论,第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,早期的锁相环路采用电子管且价格昂贵,只能用在实验装置中,在其他领域未得到广泛应用。电子技术的飞速发展促使锁相环技术的发展进
10、程。特别是由于战争,电子技术在军事领域的重要作用,使得其技术得到显著的提高。50 年代随着空间技术的发展,由杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)利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。1.3 系统的特点与先进性本系统具有结构简单、信号稳定可靠、性能价格比高且易于维护,其主要特点体现在:1. 采用AT89S52单片机完成电压控制LC振荡器的控制,实时测量并显示压控振荡器输出频率及输出电压峰峰值精度优于10;2. 用数码管显示器,具有实时显示环境;3. 输出频率范围:15MHz45MHz;4输出频
11、率稳定度:优于10;5输出电压峰-峰值:Vp-p=1V0.1V;6采用锁相环提高输出频率稳定度,输出频率步进间隔为100kHz;7频率步长(step)10kHz。本设计利用锁相环技术产生一个失真度小、输出频率稳定,整个课题的设计需要用到锁相环电路、MC145163芯片、AT89S52单片机、A/D转换器、放大器、LED数码管显示电路等部分的研究与设计。根据课题设计要求可知该系统需要利用环路滤波器(LPF)、可变分频器(N)和压控振荡器(VCO)电压信号,将放大后的信号送给换器进行转换,并用PC机显示转换后的稳定电压。 2 系统组成根据要求设计信号发生器,输出信号为正弦波信号。数码显示频率锁相环
12、MC145163鉴频器、分频、锁相环AT89S52单片机输出压控振荡器低通滤波器频率测量电路A/D转换电路键盘控制图2-1系统框图本设计采用锁相环式的频率合成技术,利用锁相环,使输出的正弦波频率与晶体振荡器的稳定度一样。控制部分采用单片机AT89S52单片机完成电压控制LC振荡器的控制,实时测量压控振荡器输出频率及输出电压峰峰值Vp-p=1V0.1V;并用数码管显示器对频率、电压峰峰值进行时时显示;采用交流电压反馈和AGC电路输出稳定电压,实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值,精度优于10使其输出稳定的正弦波。系统框图如图2-1所3方案论证与比较3.1 压控振荡器方案论证与选择 方案1:采用分
13、立元件构成。利用低噪声场效应管,用单个变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件。图3-1 压控振荡电路电路是电容三点式振荡器,如图3-1所示。该方法实现简单,但是调试困难,而且输出频率不易灵活控制1。方案2:采用压控振荡器和变容二极管,及一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压,便可改变压控振荡的输出频率。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。综上所述,方案2具有更优良的物性和更简单的电路构成,所以使用方案2作为本次设计的方案。3.2 频率合成器的设计方案论证与选择 方案一:采用直接式频率合成器技
14、术,将一个或几个晶体振荡器产生的标准频率通过谐波发生器产生一系列频率,然后再对这些频率进行倍频、分频或混频,获得大量的离散频率。直接式频率合成器频率稳定度高,频率转换时间短,频率间隔小。但系统中需要用大量的混频器、滤波器等,体积大,易产生过多杂散分量,而且成本高、安装调试都比较困难。方案二:采用模拟锁相式频率合成器技术,通过环路分频器降频,将VCO的频率降低,与参考频率进行鉴相。优点:可以得到任意小的频率间隔;鉴相器的工作频率不高,频率变化范围不大,比较好做,带内带外噪声和锁定时间易于处理。不需要昂贵康德晶体滤波器,频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是分频率的提高要通过增加循环次数来实
15、现,电路超小型化和集成化比较复杂。方案三:采用数字锁相环式频率合成技术,由晶振、鉴频/鉴相(FD/PD)、环路滤波器(LPF)、可变分频器(N)和压控振荡器(VCO)组成。图3-2分立元件构成的VCO电路图利用锁相环,将VCO的输出频率锁定在所需频率上。可以很好地选择所需频率信号,抑制杂散分量,并且避免了大量的滤波器,采用大规模的集成芯片,与前两种方案相位可以简化批频率合成部分的设计,有利于集成化和小型化。频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145163;VCO选用MC1648;环路滤波器采用运放LM358和RC电路组成,即可完成锁相环路的设计。利用该方法设计简单,功能齐全,可靠性高,抗干扰性
16、强。分频器3分频器2分频器1谐波发生器晶振图3-2分立元件构成的VCO电路图综上所述,选择方案三采用大规模PLL芯片MC145163和其他芯片构成数字锁相环式频率合成器。3.3控制模块的设计方案论证与选择方案一:利用FPGA来控制集成芯片MC145163的分频系数A和N,以改变输出频率的大小,但由于其开发周期和系统利用率考虑,价格昂贵,开发周期也较长。方案二:利用单片机AT89S52控制。内有8K的Flash,可用ISP在线下载,开发周期短,而且价格便宜,系统利用率高,使用方便灵活,易于进行功能扩展。系统的多个部件如频率测量电路,键盘控制电路,显示控制等都可以集成到一块芯片上,大大减小了系统体
17、积。 综上所述,选择方案二,采用AT89S52单片机构成控制部分。3.4电源方案的选择系统需要多个电源,AT89S52使用5V稳压电源,振荡器的变容二极管需要1-8V电压,运放,功放等需要 8V稳定电源。方案一:采用升压型稳压电路。用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压,得到5V和8V的稳压输出。只需使用两节电池,既节省了电池,又减小了系统体积重量,但该电路供电电流小,供电时间短,无法使相对庞大的系统稳定运作。方案二:采用三端稳压集成7805与7808分别得到5V与8V的稳定电压。利用该方法方便简单,工作稳定可靠。综上所述,选择方案二,采用三端稳压器电路。4锁相环4.1
18、锁相环的概念锁相环是指使高频振荡器的频率与基准频率的整数倍频率一致时所使用的电路。通常基准振荡器都使用晶体振荡器,所以高频振荡的频率稳定度与晶体振荡器相同。4.2 锁相环基本框图图4-1是锁相环的基本结构图,由VCO、相位比较器、基准频率振荡器、环路滤波器所组成的。在这里用f r表示基准频率振荡器频率,f 0则表示VCO的频率。当压控振荡器的频率f 0由于某种原因而发生变化时,必然相应地产生相位的变化。0UR(t)VCO鉴相器(PD)振荡频率随VR而变化 基准振荡频率 Ud(t)C(t)环路滤波器图4-1 PLL的基本结构图相位的变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位f r相比较,使鉴相器输
19、出一个与相位误差成比例的误差电压分量C(t)。C(t)用来控制压控振荡器中的压控元件参数,一般指的是变容二极管,而这压控元件又是VCO振荡回路的组成部分,结果压控元件电容量的变化将VCO的输出频率f 0又拉回稳定值来。这样,VCO的输出频率稳定度即由参考晶体振荡器所决定。由频率与相位的关系可知,瞬时频率与瞬时相位的关系是: (t)= (4.1) = + (4.2)4.2式中的为初始相位,为瞬时频率。由上面讨论可知加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为 (4.3.)4.3式中为参考晶体振荡器的频率, 压控荡频率。此时的瞬时相位差为=+ (4.4)当两个振荡器的频率相等时它们的瞬时相位差是一个常数,即
20、:= (4.5) (t)= =0 (4.6) 亦即当两个振荡频率相等时,有相位差,无频率差3。4.3 鉴相器的时序图当与 的关系为。也就是VCO振荡频率低于时的状态。此时相位比较器的输出PD,如图4-2所示,产生正脉冲信号,使VCO的振荡频率提高的信号。反之,当是产生负脉冲。图4-2相位/频率比较器的动作这一PD脉波信号经过回路滤波器的积分,便可以得到直流电压VR,可以控制VCO电路。由于控制电压VR的变化,VCO振荡频率会提高。结果使得=在与f 0的相位成为一致时,PD端子会成为高阻抗状态,使PLL被锁定(Lock)。4.4 捕捉带与通频带压控振荡器本来处于失锁状态时,由于环路的作用,使压控
21、振荡频率逐渐向标准参考频率靠近,靠近到一定程度后,环路即能进入锁定。这一过程叫做捕捉过程。系统能捕捉最大的频率失谐范围称为捕捉带或捕捉范围。当环路已锁定后,如果由于某种原因引起频率变化,这种频率变化反映为相位变化,则通过环路的作用,可使VCO的频率和相位不断跟踪变化。这时环路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频带称为同步带,又称为同步范围或锁定范围。5 单元电路的设计5.1 压控振荡器压控振荡就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件。压控器件一般是用变容二级管,它的电容量受到输入电压的控制,当输入电压变化,就引起了起振荡频率的变化。因此,压控振荡器事实是一种电压频率变换器。它的特性
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- PLL 电路 研究 信号 产生 应用 毕业论文
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