基于PLL信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

郭烜博 文若濤 孫雙辰 白宇

摘? 要：隨著通信技術(shù)、數(shù)字電視、航空航天和遙控技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率數(shù)量的要求也越來越高。為了提高頻率的穩(wěn)定度，經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它很難產(chǎn)生多個(gè)頻率信號(hào)。而頻率合成技術(shù)，可以通過對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，從一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，產(chǎn)生大量具有同樣高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的不同頻率。頻率合成器是從一個(gè)參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的器件。基于頻率合成器的這以一特點(diǎn)，利用鎖相式頻率合成技術(shù)，可以制作高穩(wěn)定度、寬頻帶的正弦波信號(hào)發(fā)生器。

關(guān)鍵詞：PLL;壓控振蕩器;鎖相環(huán)

1 設(shè)計(jì)要求

利用鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)失真度小、頻率從30MHz到100MHz的可調(diào)的正弦波信號(hào)。根據(jù)頻率的不同選擇不同步進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。當(dāng)信號(hào)處于較低頻率時(shí)，選擇步進(jìn)為1KHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率，此時(shí)它的最小誤差不大于0.8%;當(dāng)信號(hào)在較高的頻率段時(shí)，選擇以25 KHz為標(biāo)準(zhǔn)頻率，它的最小誤差不大于0. 5%。

2方案論證與比較

2.1 壓控振蕩器方案選擇

采用壓控振蕩器和變?nèi)荻O管，及一個(gè)LC諧振回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，便可改變壓控振蕩的輸出頻率。由于采用了集成芯片，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)可以使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。

2.2 頻率合成器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇

方案3：采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)，由晶振、鑒頻/鑒相（FD/PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、可變分頻器（÷N）和壓控振蕩器（VCO）組成。組成框圖如圖5-1所示。利用鎖相環(huán)，將VCO的輸出頻率鎖定在所需頻率上。此電路可以很好地選擇所需頻率信號(hào)，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，與前兩種方案相比可以簡(jiǎn)化頻率合成部分的設(shè)計(jì)，有利于集成化和小型化。頻率合成采用大規(guī)模集成PLL芯片BU2614，VCO選用MC1648;

3 系統(tǒng)組成

根據(jù)要求設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，輸出信號(hào)為正弦波。設(shè)計(jì)中采用鎖相環(huán)式的頻率合成技術(shù)，利用鎖相環(huán)，使輸出的正弦波頻率與晶體振蕩器的穩(wěn)定度一樣。控制部分采用單片機(jī)來完成，利用數(shù)碼管對(duì)頻率進(jìn)行顯示并對(duì)頻率值進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 鎖相環(huán)介紹

4.1 鎖相環(huán)的概念

鎖相環(huán)是指使高頻振蕩器的頻率與基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍頻率一致時(shí)所使用的電路。通常基準(zhǔn)振蕩器都使用晶體振蕩器，所以高頻振蕩的頻率穩(wěn)定度與晶體振蕩器相同。

4.2 捕捉帶與通頻帶

壓控振蕩器本來處于失鎖狀態(tài)時(shí)，由于環(huán)路的作用，使壓控振蕩頻率逐漸向標(biāo)準(zhǔn)參考頻率靠近，靠近到一定程度后，環(huán)路即能進(jìn)入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉最大的頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。

當(dāng)環(huán)路已鎖定后，如果由于某種原因引起頻率變化，這種頻率變化反映為相位變化，則通過環(huán)路的作用，可使VCO的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時(shí)環(huán)路即處于跟蹤狀態(tài)。環(huán)路所能保持跟蹤的最大失諧頻帶稱為同步帶，又稱為同步范圍或鎖定范圍。

5 單元電路的設(shè)計(jì)

5.1 壓控振蕩器

壓控振蕩就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件。壓控器件一般是用變?nèi)荻?jí)管，它的電容量受到輸入電壓的控制，當(dāng)輸入電壓變化，就引起了起振蕩頻率的變化。因此，壓控振蕩器事實(shí)是一種電壓——頻率變換器。它的特性可用瞬時(shí)振蕩頻率 與控制電壓υC之間的關(guān)系曲線來表示.在一定范圍內(nèi)， 與υC之間是線性關(guān)系。在線性范圍內(nèi)，這一線性可用下列方程來表示。

（t）= +KrυC（t）

5.2 低通濾波器

低通濾波器由三極管和RC電路組成，低通濾波器用于濾除鑒相器輸出的誤差電壓中高頻分量和瞬變雜散干擾信號(hào)，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。鎖相穩(wěn)頻系統(tǒng)是一個(gè)相位反饋系統(tǒng)，其反饋目的是使VCO的振蕩頻率由自有偏差的狀態(tài)逐步過渡到準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)值。而VCO如做調(diào)頻源用，其瞬時(shí)頻率總是偏離標(biāo)準(zhǔn)值的。振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化是緩慢的，鎖相環(huán)路只對(duì)VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使其中心頻率鎖定在設(shè)定的頻率上。因此，輸出的調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高[8]。

5.3 電源切換電路設(shè)計(jì)

此控制電路是用三級(jí)管和光偶來控制輸出的高低電平，使開關(guān)二級(jí)管截止或?qū)ǎ瑥亩鴣砬袚Q電感量。當(dāng)P3.0輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，導(dǎo)致光偶導(dǎo)通，使輸出為低電平;當(dāng)P3.0為低電平時(shí)，三極管截止，導(dǎo)致光偶截止，使輸出為高電平[9]。

5.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖所示，由于低通需要12V的工作電壓、MC1648、單片機(jī)、BU2614等工作電壓需要5V，所以變壓器的輸出只需要接地和15V，考慮到高頻信號(hào)產(chǎn)生電路和單片機(jī)共用一個(gè)電源會(huì)互相干擾，所以采取對(duì)單片機(jī)單獨(dú)供電。由變壓器出來的交流信號(hào)分別經(jīng)過兩個(gè)L7812CV，一路直接接到低通和L7805CV;另一路L7812CV的輸出直接接到L7805CV，它的輸出單獨(dú)供給給單片機(jī)。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的直流電壓更穩(wěn)定。接小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲[10]。

6 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件的主要作用是用來控制BU2614、存儲(chǔ)器AT24C02以及頻率的顯示。

因?yàn)檩敵稣也ǖ念l帶范圍較寬，又考慮到精確度的要求，當(dāng)步進(jìn)為1KHz、控制字為FFFFH時(shí)，輸出頻率的最大值只能為65.536MHz，所以為了達(dá)到更高的頻率，又能提高精確度，必須選擇兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)頻率。以54MHz為分界點(diǎn)，當(dāng)?shù)陀?4MHz時(shí)，選擇以1KHz為步進(jìn)，當(dāng)高54MHz時(shí)，選擇以25KHz為步進(jìn)。當(dāng)控制字為8600H時(shí)，分頻數(shù)乘于1KHz;當(dāng)控制字為8000H時(shí)，分頻數(shù)乘于25KHz。因?yàn)榉诸l數(shù)乘于標(biāo)準(zhǔn)頻率化成BCD碼以后占用的字節(jié)數(shù)不同，所以要調(diào)用兩個(gè)不同的顯示單元。調(diào)整頻率時(shí)，可通過按鍵來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)調(diào)用不同的子程序可以完成分頻比加一、加十、減一、減十，當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)，顯示的頻率為50MHz。每次判斷有按鍵按下時(shí)重新調(diào)用存儲(chǔ)，寫入新的數(shù)據(jù)，以防掉電時(shí)重新復(fù)位。

7 結(jié)論

由于晶體振蕩器單頻點(diǎn)的局限性，難于滿足多頻點(diǎn)的要求。本設(shè)計(jì)為了修正石英晶體振蕩器的不足，運(yùn)用鎖相環(huán)來產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定度、高精確度、多頻點(diǎn)的正弦波信號(hào)。產(chǎn)生的正弦波信號(hào)可應(yīng)用于調(diào)頻、解調(diào)、通信、電視等領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，通過切換電感可擴(kuò)大鎖相環(huán)的帶寬，實(shí)現(xiàn)25MHz到110MHz可調(diào)的頻率，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]? 鈴木憲次.高頻電路的設(shè)計(jì)與制作，第1版，科學(xué)出版社，2005年，103-108.

[2]? 萬天才.一種鎖相式頻率合成器的設(shè)計(jì)，微電子學(xué)，1999年，第3期，208.

[3]? 張肅文，陸兆熊.高頻電子線路，第3版，高等教育出版社，2004年，616-652.