精品毕业论文设计基于锁相环路的高频信号源的设计.docx

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精品毕业论文设计基于锁相环路的高频信号源的设计

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

学号：

院系：

专业：

电子信息工程

题目：

基于锁相环路的高频信号源设计

指导者：

周正讲师

评阅者：

2012年6月南京

High-frequencySignalGeneratorBasedOnPLL

By

ChengFengYin

Supervisedby

LecturerZhengZhou

CollegeofCommunicationEngineering

NanjingInstituteofTechnology

June2012

摘要

本文设计以以AT89S52为核心，它直接控制MC145152的A分频数，其串口工作在方式0，经过串、并转换后，控制MC145152的N分频数。

键盘实现A加记数、A减记数、N加记数、N减记数、步进值和波段的控制；数码管实时显示频率和频率步进值；单片机直接控制继电器实现波段变化，并用二极管显示当前的频段范围。

通过对该课题的研究，以高频信号源系统为研究目标，从问题的提出到工程方案的确定，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。

关键词:

锁相环；MC145152；AT89S52；

Abstract

ThisarticleisdesignedtoAT89S52core,whichdirectlycontroltheMC145152Ascorefrequency,itsserialportinmode0,string,andconvert,andthecount,Nthenumberofwrite-down,stepvalueandthebandcontrol;Digitaltubereal-timedisplayoffrequencyandfrequencystepvalue;single-chipdirectcontrolrelaysbandchange,andusediodedisplaythecurrentfrequencyrange.

Throughthestudyofthissubject,tothehighfrequencysignalsourcesystemfortheresearchobjectivesoftheproblemtotheengineeringprogram,fromthephase-lockedloopprinciple,applicationandmathematicalmodelanalysistotheuseofphase-lockedlooptobuildhigh-frequencysynthesiscircuits,softwareandhardwareimplemention.

Alpha

第一章绪论1

1.1选题背景1

1.2毕业设计的目的和主要内容1

1.3信号源的简介2

1.4锁相环技术简介2

1.5毕业设计论文的主要章节安排4

第二章锁相环及频率合成技术5

2.1锁相环的结构及基本原理5

2.2锁相环路的各部件及其数学模型7

2.3频率合成技术9

第三章芯片的介绍11

3.1AT89S52单片机11

3.2芯片MC145152MC12022MC1648简介14

第四章系统电路设计18

4.1系统总体设计18

4.2单元电路设计18

4.2.1压控振荡电路设计18

4.2.2频率合成器的设计22

4.2.3环路滤波器27

4.2.4控制电路设计和频率计算28

第五章软件设计30

5.1MC145152的控制和显示部分的程序设计30

5.274LS595的控制程序设计31

5.3液晶显示驱动的程序设计31

第六章总结与展望33

致谢34

参考文献35

附录一总体电路图36

附录二程序37

第一章绪论

1.1选题背景

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。

技术的发展应是面向人性化、智能化、经济化为一体的发展目标。

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页大大提高。

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、高稳定的振荡信号输出。

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；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、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毕业设计的目的和主要内容

通过对设计的研究，熟悉高频信号源的设计的基本过程。

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，能很好的抑制寄生分量，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，从问题的提出到工程方案的确定，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。

1.3信号源的简介

信号源又称信号发生器或振荡器，它是指生产所需要的参数的电测试信号的仪器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。

当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。

并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。

信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。

正弦信号是使用最广泛的测试信号。

这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。

其中函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

例如在通信、广播、电视系统中，都都需要高频发射，这里的高频波就是载波，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信号源。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的信号源。

1.4锁相环技术简介

锁相环是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。

当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“锁相”。

锁相环包括鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。

鉴相器是相位比较装置，它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误差电压。

而其原理是使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。

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，增加系统的稳定性。

它的作用是在鉴相器的输出端衰减高频误差分量，以提高抗干扰性能；在环路跳出锁定状态时，提高环路以短期存储，并迅速恢复信号。

压控振荡器是用以产生调频信号，在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。

大致有如下框图：

U1UdUcu2

图1-1基本锁相环结构框图

锁相环具有载波跟踪特性：

无论输入锁相环路的信号是己调制或未调制的，只要信号包含着载波频率成分，就可将锁相环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取（或复制）的载波信号，这种特性称为环路的载波跟踪特性。

载波跟踪特性包含着三重含义:

一是窄带，窄带可以有效地滤除噪声与干扰，而环路主要是利用环路滤波器的低通特性来实现高频窄通带的，这比之制作普通的窄带滤波器要容易得多。

在高载频上，用锁相环路可将通带做到1Hz或几Hz那样窄，这是普通滤波器难以实现的。

二是跟踪，跟踪载波频率的飘移变化，可保证窄带的实现。

普通的带通滤波器无法跟踪，因此它的通频带宽度必须计及频率漂移范围。

三是可将弱载波频率成份放大为强信号输出。

由于环路输出的是压控振荡器的信号，它是弱载波成分的频率与相位的真实复制品，其强度比输入载波成分要大得多。

载波跟踪特性在空间应用、通信与微弱信号接收技术中有着重要与广泛的应用。

正是因为它的窄带特性，可以做成窄带跟踪滤波器。

从输入的已调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。

因此在相干通信中得到广泛应用。

本段介绍下锁相环的优点，锁相环可以实现理想的频率控制，这是由于环路锁定时，环路输出无剩余稳态频差存在所致。

锁相环的门限性能好，锁相环用做调频信号解调器时，其门限性能要比普通鉴相器要改善5db左右。

锁相环易于集成化与数字化，组成环路的基本部件易于采用模拟集成电路，环路实现数字化后，更易于采用数字集成电路。

锁相环的集成化、数字化为减小体积、降低成本、提高可靠性实现多用途提供了有利条件。

1.5毕业设计论文的主要章节安排

首先就设计的研究背景意义做出说明。

第一章介绍设计的背景意义和主要内容。

第二章主要介绍了设计个部分的基本知识及原理。

第三章介绍了硬件电路的各个部分原理。

然后介绍了系统软件设计。

最后给出结论并对课题未来的发展做出了展望。

第二章锁相环及频率合成技术

2.1锁相环的结构及基本原理

图2-1锁相环的基本框图【2】

图（2-1）是锁相环的基本方框图，它主要由电压控制振荡器,鉴相器，低通滤波器和晶体振荡器所组成。

当压控振的频率由于某种原因而发生变化时，必然相应的产生相位变化。

这个相位变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位（对应于频率）相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压，经过低通滤波器，取出其中缓慢变动的直流分量用来控制压控振荡器中的压控组件数值（通常是改变变容二极管的电容量）而这压控组件又是VCO振荡回路的组成部分，结果压控组件电容量的变化将VCO的输出频率又拉回到稳定值上。

这样，VCO的输出频率稳定度即由参考晶体振荡器决定，这时我们称环路处于锁定状态。

瞬时频率与瞬时相位的关系是：

（2-1）

（2-2）

式中，为初始相位。

由上面的讨论已知，加到鉴相器的两个振荡信