基于单片机的锁相频率合成器.docx
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基于单片机的锁相频率合成器
摘要2
1、引言2
2、设计任务及要求2
2.1设计任务2
2.2设计要求2
3、频率合成的基本原理框图2
4、硬件系统的设计3
4.1原理图3
4.274HC40463
4.2.174HC4046引脚功能介绍3
4.2.274HC4046内部电路原理图4
4.2.374HC4046典型应用5
4.3CD4522引脚功能介绍5
4.4CD4518引脚功能介绍6
4.51602LCD的基本参数及引脚功能7
5、软件系统的设计9
5.1流程图9
5.2程序代码11
6、实训小结16
参考文献16
基于单片机控制的频率合成器
摘要
给出一种以单片集成PLL芯片74HC4046为核心，并通过AT89C51单片机对74HC4046进行控制来实现锁相频率合成器的设计方法。
文中在介绍了74HC4046芯片的内部功能结构的基础上，探讨了锁相频率合成器的基本原理和工作特性；给出了基于74HC4046的锁相频率合成器的硬件电路结构和软件程序设计方法。
该设计经仿真测试证明，锁相效果良好，结构精简，性能可靠。
关键词：
74HC4046；AT89C51；频率合成器
1、引言
在现代电子技术的设计与开发过程中，特别是在通信、雷达、航空、航天以及仪器仪表等领域，都需要进一步提高一系列高精度、高稳定度的频率源的频率精度。
这样，一般的振荡器已经无法满足各种应用的发展要求，而晶体振荡器的性能虽然比较好，但其频率单一，或只能在极小的范围内进行微调。
因此，本文提出了一种基于单片机AT89C51控制的利用锁相技术以频率合成器芯片74HC4046为核心，来实现锁相频率合成器的设计方案。
2、设计任务及要求
2.1设计任务
设计一个基于单片机控制的频率合成器
2.2设计要求
1.输入信号为1KHz的方波信号。
2.合成的频率范围为1KHz~999KHz。
3.可设置分频比为1~999。
4.采用LCD显示。
3、频率合成的基本原理框图
4、硬件系统的设计
4.1原理图
4.274HC4046
4.2.174HC4046引脚功能介绍
上图是74HC4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能：
1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，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。
4.2.274HC4046内部电路原理图
74HC4046工作原理：
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，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。
4.2.374HC4046典型应用
74HC4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），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。
上图是用74HC4046的VCO组成的方波发生器，当其9脚输入端固定接电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。
振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻R1阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从4脚输出。
按图示数值，振荡频率变化范围在20Hz至2kHz。
4.3CD4522引脚功能介绍
CF反馈输入端
CP时钟输入端
D0~D3并行数据输入端
INH禁止端
ID置数控制端
Q0~Q3计数器输出端
QZ计数器零输出端
VDD正电源
VSS地
CD4522是可预置数的二一十进制1/N减计数器。
其引脚见上图。
其中D1-D4是预置端，Q1—Q4是计数器输出端，其余控制端的功能如下：
PE（3）=“1”时D1—D4值置进计数器；EN（4）=“0”且CP（6）时，计数器（Q1—Q4）减计数；CF（13）=“1”且计数器（Q1—Q4）减到“0”时，QC（12）=“1”；Cr（10）=“1”时，计数器清零。
单片4522分频器如下图所示：
拨盘开关为BCD码开关，如当数据窗口显示“3”时则A和“1”“2”相连；当显示“5”时，则A和“1”“4”相连，其余类推。
4个100K电阻用来保证当拨盘开关为某脚不和A相连，也就是悬空时，为低电平。
工作过程是这样的：
设拨盘开关拨到“N”，当某时刻PE（3）=“1”，则N置到IC内的计数器中，下一个CP来时，计数器减计数变为N-1，一直到第N个CP来时，计数器为0。
这时由于CF（13）=“1”，∴QC（12）=“1”，也即PE（3）=“1”又恢复到开始状态，开始一个新的循环。
很显然，每来个N个CP，QC（12）就会出现一个高电平，也就是QC（12）应是CP的N分频信号。
4.4CD4518引脚功能介绍
CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。
CD4518引脚功能（管脚功能）如下：
1CP、2CP：
时钟输入端。
1CR、2CR：
清除端。
1EN、2EN：
计数允许控制端。
1Q0～1Q3：
计数器输出端。
2Q0～2Q3：
计数器输出端。
Vdd：
正电源。
Vss：
接地。
CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
CD4518控制功能：
CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平
（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同时复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。
将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。
需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。
有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。
原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。
正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。
4.51602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
引脚功能说明
序列号
属性
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
5、软件系统的设计
5.1流程图
主程序流程图
键盘扫描流程图
脉冲计数流程图
5.2程序代码
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitP34=P3^4;
sbitlcdrs=P3^7;
sbitlcden=P3^6;
sbitP32=P3^2;
sbitP33=P3^3;
uchardispbuf[3]={0,0,1};
ucharcodetable[]="0123456789";
inti=0,temp;
chartemp_g,temp_s,temp_b;
voiddelay（ucharz）
{
ucharx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voidwrite_data（uchardate）
{
lcdrs=1;
P0=date;
delay
（2）;
lcden=1;
delay
（2）;
lcden=0;
}
voidwrite_com（ucharcom）
{
lcdrs=0;
P0=com;
delay
（2）;
lcden=1;
delay
（2）;
lcden=0;
}
voidmain（）
{
TMOD=0x10;
TH1=（65536-500）/256;
TL1=（65536-500）%256;
ET1=1;
PT1=1;
EX0=1;
EX1=1;
EA=1;
TR1=1;
lcden=0;
write_com（0x38）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x04）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80）;
write_data（'F'）;
write_data（'r'）;
write_data（'e'）;
write_data（'q'）;
write_data（'u'）;
write_data（'e'）;
write_data（'n'）;
write_data（'c'）;
write_data（'y'）;
write_data（':
'）;
write_data（'*'）;
write_com（0xc0+13）;
write_data（'K'）;
write_data（'H'）;
write_data（'z'）;
while
（1）
{
if（temp==0）
{
temp=1;
if（i==0）
{
write_com（0x80+10）;
write_data（'*'）;
}
else
{
write_com（0x80+10）;
write_data（''）;
}
if（i==1）
{
write_com（0x80+11）;
write_data（'*'）;
}
else
{
write_com（0x80+11）;
write_data（''）;
}
if（i==2）
{
write_com（0x80+12）;
write_data（'*'）;
}
else
{
write_com（0x80+12）;
write_data（''）;
}
write_com（0xc0+10）;
write_data（table[dispbuf[0]]）;
write_data（table[dispbuf[1]]）;
write_data（table[dispbuf[2]]）;
temp_g=dispbuf[2]&0x0f;
temp_s=dispbuf[1]&0x0f;
temp_s=temp_s<<4;
temp_b=dispbuf[0]&0x0f;
P2=temp_b|temp_s;
P1=temp_g;
}
}
}
voidint50ms（）interrupt3
{
TR1=0;
TH1=（65536-500）/256;
TL1=（65536-500）%256;
P34=~P34;
TR1=1;
}
voidINEX0（）interrupt0
{
delay
（2）;
if（P32==0）;
{
temp=0;
++i;
if（i>3）
i=0;
}
while（P32==0）;
}
voidINEX1（）interrupt2
{
delay
（2）;
if（P33==0）;
{
temp=0;
dispbuf[i]++;
if（dispbuf[i]>9）
dispbuf[i]=0;
}
while（P33==0）;
}
6、实训小结
开学第一周我们进行了这学期的第一个实训，基于单片机的频率合成器。
对于这个实训，最开始是对电路图的设计，我们从网上搜集了一些资料，然后结合平时所学，最终将电路图设计完整，经过老师检查没有问题之后我们就开始了软件系统的设计，主要就是写程序。
说到程序这是我们最头疼的事，大都只懂得一些基础的，更深层次的就不行了。
我们也借助了网络，在网上找了一些类似的代码，然后自己再修改一下，不过花了很多心思才弄好了。
最后就是焊接电路板，这可真是一件伟大的工程，主要是需要焊接的线太多了，很容易出现错焊，漏焊，虚焊，短路的情况，所以第一次焊接完后一般都有很多问题，还要对照电路图一个点一个点的仔细检查，功夫不负有心人，最后我们还是成功了。
这次实训收获真的很多，参与了每一个过程，从最初的一脸茫然，到最后的成功喜悦，都是我们大家一起努力的结果。
参考文献
[1]李全利.单片机原理及接口技术.北京：
高等教育出版社，2009
[2]周航慈，朱跃忠.智能仪器原理与设计.北京：
北京航空航天大学出版社，2005
[3]罗杰，谢自美.电子线路设计•实验•测试.北京：
电子工业出版社，2008
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