1、 11 引言随着通信技术、数字电视、航空航天和遥控技术的不断发展，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。2 设计要求利用锁相环技术产生一个失真度小、频率从 30MHz 到 100MHz 的可调的正弦波信号
2、。根据频率的不同选择不同步进的标准频率。当信号处于较低频率时，选择步进为 1KHz 的标准频率，此时它的最小误差不大于 0.8%；当信号在较高的频率段时，选择以 25 KHz 为标准频率，它的最小误差不大于 0. 5%。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
3、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100k100k4.7k 100k100k3.3k1k1000p68p0.01u5p0.01u47p0.1u1u2SC1906T1D1AVCC2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 1:采用直接式频率合成器技术,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。其组成框图如 3-
4、2 所示。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。图 3-2 直接式频率合成方案 2：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，较容易实现，带内带外噪声和锁定时间易于处理，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现，电路超小型化和集成化比较复杂 2。方案 3：采用数字锁相环式频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相（FD/PD）
5、 、环路滤波器（LPF） 、可变分频器（N）和压控振荡器（VCO）组成。组成框图如图 5-1所示。利用锁相环，将 VCO 的输出频率锁定在所需频率上。此电路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，与前两种方案相比可以简化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 BU2614，VCO 选用 MC1648； 综上所述，选择方案 3 即采用大规模 PLL 芯片 BU2614 和其他芯片构成数字锁相环式频率合成器。4 系统组成根据要求设计信号发生器，输出信号为正弦波。设计中采用锁相环式的频率合成技术，利用锁相环，使输
6、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来完成，利用数码管对频率进行显示并对频率值进行存储。系统框图如图 4-1 所示晶振谐波发生器分频器倍频器混频器fOut2fOut3fOut13图 4-1 系统框图5 锁相环介绍5.1 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。5.2 锁相环基本框图图 5-1 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 表示基准频率振荡器频率， 则表示 VCO 的频率。当rf 0f压控振荡器的频
7、率 由于某种原因而发生变化时，必然相应地产生相位的变化。相0f位图 5-1 PLL 的基本结构图的变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位 相比较，使鉴相器输出一个rf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利用低通滤波器把误差信号变成直流电压比较 与 从rf0而产生误差信号 PD鉴相器（PD）VCO（电压控制振荡器）环路滤波器基准振荡频率振荡频率随VR而变化Ud(t) C(t)UR(t) 0f0rf数码显示频率AT89C51 频率合成器 BU2614 低通滤波器 压控振荡器键盘控制频率测量电路输出存储电路4件参数，一般指的是变容二极管，而这压控元件又是
8、 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 又拉回稳定值来。这样，VCO 的输出0f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）= (5.1)= + (5.2)(t0式中的 为初始相位， 为瞬时频率。0)(t由上面讨论可知加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为：0r(5.3)为参考晶体振荡器的频率， 压控荡频率。0此时的瞬时相位差为= + (5.4)(te0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：0= (5.5)t0（t）= =0 (5.6)亦即当两个振荡频率相等时，有相位差，无频率差 3。5.3
9、 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rf0rf0 0frf位比较器的输出 PD，如图 5-2 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。这一 PD 脉波信号经过回路滤波器的积分，便可rf0dtdt)(dt)(5图 5-2 相位/频率比较器的动作以得到直流电压 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 的相位成为一致时，PD 端子会成为高阻抗状态，使rf0rf0PLL 被锁定(Lock)。5.4 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
10、作用，使压控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。6 单元电路的设计6.1 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
11、变换器。它的特性可用瞬时振荡频率 与控制电压 C之间的关系曲线来表示，如图 6-1 所示。图上的中r6心频率 是在没有外加控制电压时的固有频率。在一定范围内， 与 C之间是线0 r性关系。在线性范围内，这一线性可用下列方程来表示。（t）= +Kr C(t) (6.1)r0Kr 是特性曲线的斜率，称为 VCO 的增益或灵敏度，量纲为 rad/s.V,它表示单位电压所引起的振荡角频率变化的大小。r图 6-1 压控振荡器的特性曲线6.1.1 压控振荡器 MC1648MC1648 是一个 8 引线双列直插的器件，内部电路图如图 6-2 所示。压控振荡电路由芯片内部 Q8、Q5、Q4、Q1、Q7 和 Q
12、6，10 脚和 12 脚外接 LC 谐振回路组成正反馈的正弦振荡电路 4，其振荡频率：（6.2）（6.3）、 分别为电感、电容大小， 为变容二极管的电容量。lcDC 0 O Clcf21CD7图 6-2 MC1648 内部原理图6.1.2 压控振荡电路设计图 6-3 为压控振荡电路图。压控振荡器主要由压控振荡芯片 MC1648 和变容二图 6-3 压控振荡电路极管 MV209 以及谐振回路构成。MC1648 需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路 5。为达到最佳工作性能，在工作频率要求并联谐振回路的 QL100。电源采用5V 的电压，振荡器的输出频率随加在变容二极管上的电压大小变化而变化。
13、通过切换电源来切换电感量，从而改变振荡频率。 6.1.3 变容二级管与开关二级管切换电路 变容二极管变容二级管是一种特制的二级管，它的 PN 结电容变化范围比较大，正常工作时，变容二级管加反相电压，在其 PN 结上产生电荷存储，于是相当于一个电容，当反向电压改变时，变容二级管的结电容也发生相应的变化 6。变容二级管的结电容 CVD和外加反向偏压 UR的关系可用下式表示。UR 是加在变容二极管的反向电压，C VD0为 UR=0 时 的结电容 U0 是接触电位差；n是电容变化系数。 电感切换电路为了扩大频率的带宽，通过切换电源来切换电感。图 6-4 是开关二级管切换频（6.4）V14V1BPT10
14、 TANK12AGC5VEE7cc1cc2OUT 3MC1648U5RR100PFC80.01UFC160.01UFC9VDVDD10UHL0VCC1716Vout112vout1390PFC10UHL VD3.3k4.7k5602200PF2200PFMC1648 OUTVCC8段电路图。当开 S 连接+5V 时，开关二级管 VD2截止，电感 L1和 L2相加，电感量较大，对应于低频段 VL；当 S 接向地时，V D2导通，L 2被大电容 2000pF 短接，电感只剩下 L1，电感量较小，对应于高频段 7。图 6-4 电感切换电路6.2 锁相环式频率合成器的设计6.2.1 BU2614的管脚
15、图与内部组成BU2614 为 16 管脚芯片，其管脚图如图 6-5 所示。管脚 Xout 与 Xin 为外接晶振管脚，一般接 75KHz 晶体，主要产生标准频率和时钟信号；CE、CLK 和 DA 端分别为使能、时钟和数据输入端，PD 为相位比较输出。图 6-5 BU2614 管脚图BU2614 是一种串行码输入的锁相频率合成器，它采用标准的 I2C 总路线结构，可以工作在整个 FM 波段，具有低噪声、低功耗、高灵敏度的特点，并具有中频检测功能。BU2614 内部主要有相位比较器 PD、可编程分频器、参考分频器、高稳定晶体振荡器及内部控制器组成。当单片机对 BU2614 送入一组数据， BU26
16、14 把接收到的数XOUT1XIN2CE3CLK4DATA5CD6P07P18 IF IN 9P2 10AM IN 11FM IN 12VDD2 13VDD1 14PD 15VSS 169据与接收的信号频率进行比较后输出一个 PD，该 PD 信号通过外部环路低通滤波后加在 VCO 上，通过 VD 的不断调整使 VCO 振荡频率锁定在与单片机送入数据相对应的频率上，实现频率锁定。在内部结构中，移位锁存器作用是把单片机送来的 32 位串行数据送入锁存器后进行串并转换，其中 16 位控制可编程分频器，3 位控制参考分频器，其余为内部控制字。可编程分频器按照 16 位数据的控制要求，把 focs 振荡
17、频率信号经过参考分频之后的频率信号 fd 与 fr 在 PD 中进行比较，当 fd 不等于 fr 时由 PD 输出电压 VD控制 VCO，使 focs 稳定在确定频率上。参考分频器通过状态字中 R 0、R1、R2 三位数据把高稳定度振荡器产生的 75kHz 标准频率进行分频。可输出 4 个固定频率fr。PD 把 fr 和 fd 进行鉴相比较，PD 的输出为高电平，低电平及高阻三态输出，通过外部 LF 实现锁相。6.2.2 输入、输出数据形式BU2614 的串行数据输入靠 CE、CLK 和 DA 三个端子完成。时钟信号、数据信号和使能信号逻辑关系如图 6-6 所示。其中 T1 应大于 15s，
18、T2 大于 2s，时钟宽度应大于 1s。数据和状态字共 32 位，从低位到高位依次排列为：D0、D1D 15 、图 6-6 CLK、DATA、CE 的逻辑关系P0、P1、P2 、*、*、*、*、CT、R0、R1、R 2、S、PS、*、GT、TS。其中 D0到 D 15、表示可变分频比的 16 位二进制数；*表示与控制不相关的位，可为 1 或0；参考分频器产生的标准频率由 R0、R1、R2 三位数据控制，控制关系如表 6-1 所示。表 6-1 R0、R1、R2 与标准频率的关系R0 R1 R2 标准频率0 0 0 25KHz0 1 1 3.25 KHz1 0 0 6.25 KHz1 1 0 1
19、KHz1 1 1 *PLL 关闭10P0、P1、P2 为输出口控制数据，可使输出通道打开或关闭。置 0 时为通道打开。S 和 PS 可用于收音机中 FM 和 AM 的选择。数据输出由 CD 端输出，此时 CLK、CD 与CE 的逻辑关系与数据输入类似，只不过 CE 要求为低电平。CT、GT 等用于频率测量与计数的控制。 6.2.3 BU2614的外围电路工作原理图 6-7 锁相环控制电路图BU2614 的外围电路如图 6-7 所示。5 脚接收单片机的串行数据，该数据为 12 脚反馈频率 FMOSC 提供分频系数 N，内部标准频率由串行数据位中的 R0、R1、R2 的取直确定。该设计选择 R0、
20、R1、R2 为 000 或 110。当频率在 25MHz 到 54MHz 之间选择标准频率为 1KHz，也就是 R0、R1、R2 为 110；当频率在 54MHz 到 110MHz 之间选择标准频率为 25 KHz。所选择的标准频率与 /N 比较，在 PD 输出相位比较信FMOSC号，根据 PD 输出端的状态，从低通滤波器得到相应的直流电压，该电压直接控制压控振荡的变容二极管，从压控振荡输出的频率通过电容耦合反馈到 BU2614 中使环路锁定。6.3 低通滤波器1KR21KR34.7KR41KR510KR64.7KR71KR11275KHZY122PFC133PFC2100pFC5100pFC40.01UFC9100pFC7100pFC610UFC810UFC1010UFC3XOUT1XIN2CE3CLK4DATA5 CD6P07 P18 IF IN 9P2 10AM IN11FM IN 12VDD2 13VDD1 14PD 15VSS 16BU2614U1+5V0.01UFC11CECLKDATAFM INDITONG
