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综合课程设计分析

综合课程设计

机械与电气工程学院系（院）电气工程及其自动化专业

综合课程设计题目市电频率跟踪倍频电路的设计

学生姓名

班级11级电气工程及其自动化

学号2011100439

指导教师

完成日期2014年12月26日

成绩：

评语：

评阅教师：

年月日

南昌工程学院

综合课程设计（论文）任务书

一、课题设计（论文）题目：

市电频率跟踪倍频电路的设计

二、综合课程设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

设计要求：

以MCS51单片机为控制核心，辅以外围接口电路，作用于锁相环电路，实现对外部输入的市电频率信号的倍频信号输出。

1、锁相环电路的锁相、倍频输出。

2、通过键盘操作，可以控制倍频系数为16、32、64。

3、通过Proteus仿真，利用示波器显示设计效果。

三、综合课程设计（论文）工作内容及完成时间：

1、查找相关文献，进行方案选择。

2天12.15---12.16

2、锁相环电路的设计，绘制电路原理图。

3天12.17---12.19

3、单片机控制系统设计，绘制电路原理图。

2天12.22---12.23

4、软件流程图设计，编写与调试软件。

2天12.24---12.25

5、编写设计报告。

1天12.26

四、主要参考资料：

1、《单片机原理及接口技术》，陈贵银，电子工业出版社，2011年

2、《单片机原理及应用》，李建忠，西安电子科技大学出版社，2002年

3、《单片微型计算机与接口技术》，李群芳等，电子工业出版社，2002年

4、《单片微型计算机原理与接口技术》，陈光东等，华中科技大学出版社，1999年

5、《单片机实验与实践》，周立功等，北京航空航天大学出版社，2004年

6、《开放式综合实验/仿真系统MCS51实验分册》，伟福公司

机械与电气工程学院11电气工程及其自动化专业1、2、3、4班

学生：

日期：

自2014年12月15日至2014年12月26日

指导教师：

助理指导教师（并指出所负责的部分）：

教研室：

电气工程教研室主任：

第一章本设计的意义

众所周知,由于市电频率和相位的波动常通过低频电磁场和电网直接干扰电子设备的稳定工作。

设计相位随动于市电相位的倍频器作为显示设备、开关电源、直流换器等设备的同步触发信号源,可以减轻市电和大功率激励源干扰。

频率是电力系统的主要参数。

电力系统的频率一方面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量,要求能够实时重构;另一方面作为电能质量的指标,需要动态监测。

在线监测技术三要素:

数据采集,数据处理和分析,处理意见与决策。

其中数据采集是在线监测技术的基础,体现了它的准确性和可靠性。

根据采样信号的不同,可分为直流采样和交流采样两种。

由于交流采样能够对被测量的瞬时值进行采样,因而实时性好,相位失真小。

它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。

随着微机技术的不断发展,交流采样必将以其优异的性能价格比,逐步取代传统的直流采样方法。

交流采样分为异步采样和同步采样。

异步采样也称定时采样,即采样间隔永远保持固定不变。

采样频率fs通常为电力系统工频f的整数倍。

市电锁相倍频器设计用于同步随机扫描显示器帧频和开关电源工作频率。

随机扫描显示器用大电流瞬时激励偏转线圈产生磁场随机定位,完成画矢量和字符显示。

高速大电流激励偏转线圈和开关电源及市电噪声在地线中产生随机杂乱干扰（峰值300mV）,影响画面稳定工作,对小信号（字符信号）稳定显示的影响尤为明显。

采用市电锁相倍频器输出与市电相位同步信号,触发同步显示帧频、开关电源工作频率后,用示波器可测试到市电、显示帧频和开关电源工作频率引入到地线的干扰处于稳定同步状态,减弱了杂乱电磁场干扰,保证了显示器稳定工作。

由于NE565集成锁相电路截止频率为500kHz,适用于低频锁相,若需高于500kHz信号,可用市电锁相倍频器输出的40kHz信号作为参考源,再次倍频获得实际使用的频率。

一、锁相环部分电路设计

该部分选用CD4046锁相环，该锁相环采用CMOS电路，最高工作频率为1MHz以上。

整个电路由PD1、PD2、压控振荡器、源极跟随器和一个5V左右的齐纳二极管等几部分组成，只需在外部加相应的外围电路即可构成所需的锁相环路。

其中，PD1为异或门鉴相器，无鉴频功能；环路的捕捉带极小；PD2为三态数字鉴相器。

这两个鉴相器有公共的信号输入端（14端）（ui（t））和反馈输入端（3端）（uf（t）），在此选用PD2。

环路滤波器接在13端（ud（t））；9端是VCO的控制端（uc（t）），4端是输出端（uo（t））；定时电容C2接在6、7端；接在11端的电阻R3可以起到改变振荡频率的作用。

锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接四位二进制加/减计数器74LS191，可以用计数器来分频。

通过改变分频器的分配比N（1~15），从而就得到N倍参考频率的稳定输出。

晶体振荡器输出的信号频率f1，输入到锁相环的相位比较器（PC）。

锁相环的VCO输出信号经分频器（N分频）后输入到PC的另一端，这两个信号进行相位比较，当锁相环路锁定后得到：

f1=f2/N故f2=N*f1，其中f1为晶体振荡器输出的基准频率。

当N变化时，就可以得到一系列的输出频率f2。

二、分频器部分电路设计

该部分利用单片机的计数器T0来实现分频，CD4046的4端与单片机内部计数器接口T0相连，接收锁相环输出的信号。

通过软件编程设置计数器的初始值实现分频的功能。

三、单片机控制部分

该部分包括键盘和液晶显示，通过键盘输入倍频系数，由单片机控制输出倍频后的信号。

第三章本设计所用软件介绍

3.1proteus软件

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

3.1.1proteus的工作流程

view 菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。

通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在pick devices 窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source 菜单的Definecode generation tools 菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source 菜单的Add/removesource files 命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：

一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。

对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug 单下的execute 菜单项或F12 快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation 菜单项或pause 键暂停系统的运行，用debug 菜单下stop animation 菜单项或shift-break 组合键停止系统的运行。

其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。

对于软件的分步调试，应先执行debug 菜单下的start/restart debugging 菜单项命令，此时可以选择stepover，step into 和 step out 命令执行程序（可以用快捷键F10、F11 和ctrl+F11），执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。

在执行了start / restart debuging 命令后，在debug 菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源，可供调试时分析和查看。

3.1.2Proteus的功能模块

（1）智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库。

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

（2）完善的电路仿真功能（Prospice）。

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家，SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：

包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：

13种虚拟仪器，面板操作逼真、如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：

用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：

基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。

（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）。

支持主流的CPU类型：

如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：

如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真：

支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：

支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。

3.2keil软件

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μＶ2）。

Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：

μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器①、源程序编辑器②、程序调试器③）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

学习一种编程语言，最重要的是建立一个练习环境，边学边练才能学好。

Keil软件是目最流行开发80C51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（¦ÌVision）将这些部份组合在一起。

加源文件—设置工应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存—建立工程并添程—编译/汇编、连接，产生目标文件—程序调试。

Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。

工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。

首先选择菜单File-New，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File-Open，直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project-NewProject，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。

加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroup1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。

紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project-OptionforTarget‘Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其它选项卡内容一般可取默认值。

工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。

Keil能以单步执行（按F11或选择Debug-Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug-StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。

如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug-InlineAssambly），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。

对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug-Insert/RemoveBreakpoint或Debug-Breakpoints等）。

在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。

Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

第四章硬件电路设计

4.1信号采集电路

随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助数字处理方法，进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，也即数据采集与处理。

如图4-1所示。

图4-1

单片机采样正弦波两种方法：

1.直接将交流信号用电阻分压，再接入ADC引脚，进行连续采样，再用单片机用利用算法算出交流信号，不过因为单片机的工作频率不够高，这种方法不是很准。

2.利于硬件，先将交流信号用电阻分压，再进行半波整流，之后再用两级RC滤波将其滤成直流信号，然后再接入ADC引脚，这时的直流信号等于交流信号的峰值/根号pi。

方法二较为准确。

4.2锁相环电路

锁相环是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息。

4.2.1电路图

图4-2

锁相环对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的。

由于锁定情形下（即完成捕捉后），该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差，所以很形象地称其为锁相器。

如图4-2所示锁相环电路。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud。

Ud中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。

Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

PLL：

phaseLockedLoop相同步回路，锁相回路，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。

直接数字频率合成（DDS—DigitalDirectFrequencySynthesis）技术是一种新的频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，JOSEPHTIERNEY等3人于1971年提出了直接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。

时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制器，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。

4.2.2锁相环电路的工作原理

1、基本工作原理：

压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL的IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL的IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达到锁频的目的，能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

2、模拟锁相环工作原理：

模拟锁相环主要由相位参考提取电路、压控振荡器、相位比较器、控制电路等组成。

压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号，把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器，用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化，实现锁相，从而达到同步。

3、数字锁相环工作原理：

数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。

分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。

4.2.3锁相环芯片CD4046器件工作原理及其应用

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其主要特点是:

1.电源电压范围宽（为3V－18V）；2.输入阻抗高（约100MΩ）；3.动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

图4-3是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式。

各引脚功能如下：

1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平；2脚相位比较器Ⅰ的输出端；3脚比较信号输入端；4脚压控振荡器输出端；5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作；6、7脚外接振荡电容；8、16脚电源的负端和正端；9脚压控振荡器的控制端；10脚解调输出端，用于FM解调；11、12脚外接振荡电阻；13脚相位比较器Ⅱ的输出端；14脚信号输入端；15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。

当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。

由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。

当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。

VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。

由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。

一般规定CD4046的最高频率为12MHz（VDD=15V），若VDD<15V，则fmax要降低一些。

CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。

源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。

齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

综上所述，CD4046工作原理如下：

输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。

VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述。

图4-3

4.3分频电路

分频器是一种可以把输入信号的频率作出处理，使得输出信号的频率满足相关关系的电路，锁相环频率合成器可利用分频器产生多个与基准参考频率有相同精度和稳定度的频率信号。

分频器主要分为模拟分频器和数字分频器两大类。

4.3.1电路构成

图4-4

通过AT89C52来控制分频器8253A，达到输出不同倍频的效果。

4.3.28253器件工作原理及其应用

8253内部有三个计数器，分别称为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。

每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。

每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。

每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。

执行部件实际上是一个16位的减法计数器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通过程序设置的。

输出锁存器的值是通过程序设置的。

输出锁存器OL用来锁存计数执行部件CE的内容，从而使CPU可以对此进行读操作。

一、8253内部结构

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