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摘 要：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。
关键词：PLL;压控振荡器;锁相环
1 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。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%。
2方案论证与比较
2.1 压控振荡器方案选择
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。
2.2 频率合成器的设计方案论证与选择
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）、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，并且避免了大量的濾波器，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;
3 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。
4 锁相环介绍
4.1 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。
4.2 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。
5 单元电路的设计
5.1 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——频率变换器。它的特性可用瞬时振荡频率 与控制电压υC之间的关系曲线来表示.在一定范围内， 与υC之间是线性关系。在线性范围内，这一线性可用下列方程来表示。
（t）= +KrυC（t）
5.2 低通滤波器
低通滤波器由三极管和RC电路组成，低通滤波器用于滤除鉴相器输出的误差电压中高频分量和瞬变杂散干扰信号，以获得更纯的控制电压，提高环路稳定性和改善环路跟踪性能和噪声性能。锁相稳频系统是一个相位反馈系统，其反馈目的是使VCO的振荡频率由自有偏差的状态逐步过渡到准确的标准值。而VCO如做调频源用，其瞬时频率总是偏离标准值的。振荡器中心频率不稳主要由温度、湿度、直流电源等外界因素引起，其变化是缓慢的，锁相环路只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使其中心频率锁定在设定的频率上。因此，输出的调频波的中心频率稳定度很高[8]。
5.3 电源切换电路设计
此控制电路是用三级管和光偶来控制输出的高低电平，使开关二级管截止或导通，从而来切换电感量。当P3.0输出高电平时，三极管导通，导致光偶导通，使输出为低电平;当P3.0为低电平时，三极管截止，导致光偶截止，使输出为高电平[9]。
5.4 电源电路设计
电源电路如图所示，由于低通需要12V的工作电压、MC1648、单片机、BU2614等工作电压需要5V，所以变压器的输出只需要接地和15V，考虑到高频信号产生电路和单片机共用一个电源会互相干扰，所以采取对单片机单独供电。由变压器出来的交流信号分别经过两个L7812CV，一路直接接到低通和L7805CV;另一路L7812CV的输出直接接到L7805CV，它的输出单独供给给单片机。在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容，使滤掉纹波的效果更好，输出的直流电压更稳定。接小容量高频电容以抑制芯片自激，输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声[10]。
6 软件设计
本设计软件的主要作用是用来控制BU2614、存储器AT24C02以及频率的显示。
因为输出正弦波的频带范围较宽，又考虑到精确度的要求，当步进为1KHz、控制字为FFFFH时，输出频率的最大值只能为65.536MHz，所以为了达到更高的频率，又能提高精确度，必须选择两种不同的标准频率。以54MHz为分界点，当低于54MHz时，选择以1KHz为步进，当高54MHz时，选择以25KHz为步进。当控制字为8600H时，分频数乘于1KHz;当控制字为8000H时，分频数乘于25KHz。因为分频数乘于标准频率化成BCD码以后占用的字节数不同，所以要调用两个不同的显示单元。调整频率时，可通过按键来实现，根据调用不同的子程序可以完成分频比加一、加十、减一、减十，当复位键按下时，显示的频率为50MHz。每次判断有按键按下时重新调用存储，写入新的数据，以防掉电时重新复位。
7 结论
由于晶体振荡器单频点的局限性，难于满足多频点的要求。本设计为了修正石英晶体振荡器的不足，运用锁相环来产生一个高稳定度、高精确度、多频点的正弦波信号。产生的正弦波信号可应用于调频、解调、通信、电视等领域。
本设计的优点是，通过切换电感可扩大锁相环的带宽，实现25MHz到110MHz可调的频率，结果满足设计要求。
参考文献
[1] 铃木宪次.高频电路的设计与制作，第1版，科学出版社，2005年，103-108.
[2] 万天才.一种锁相式频率合成器的设计，微电子学，1999年，第3期，208.
[3] 张肃文，陆兆熊.高频电子线路，第3版，高等教育出版社，2004年，616-652.
关键词：PLL;压控振荡器;锁相环
1 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。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%。
2方案论证与比较
2.1 压控振荡器方案选择
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。
2.2 频率合成器的设计方案论证与选择
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）、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，并且避免了大量的濾波器，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;
3 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。
4 锁相环介绍
4.1 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。
4.2 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。
5 单元电路的设计
5.1 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——频率变换器。它的特性可用瞬时振荡频率 与控制电压υC之间的关系曲线来表示.在一定范围内， 与υC之间是线性关系。在线性范围内，这一线性可用下列方程来表示。
（t）= +KrυC（t）
5.2 低通滤波器
低通滤波器由三极管和RC电路组成，低通滤波器用于滤除鉴相器输出的误差电压中高频分量和瞬变杂散干扰信号，以获得更纯的控制电压，提高环路稳定性和改善环路跟踪性能和噪声性能。锁相稳频系统是一个相位反馈系统，其反馈目的是使VCO的振荡频率由自有偏差的状态逐步过渡到准确的标准值。而VCO如做调频源用，其瞬时频率总是偏离标准值的。振荡器中心频率不稳主要由温度、湿度、直流电源等外界因素引起，其变化是缓慢的，锁相环路只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使其中心频率锁定在设定的频率上。因此，输出的调频波的中心频率稳定度很高[8]。
5.3 电源切换电路设计
此控制电路是用三级管和光偶来控制输出的高低电平，使开关二级管截止或导通，从而来切换电感量。当P3.0输出高电平时，三极管导通，导致光偶导通，使输出为低电平;当P3.0为低电平时，三极管截止，导致光偶截止，使输出为高电平[9]。
5.4 电源电路设计
电源电路如图所示，由于低通需要12V的工作电压、MC1648、单片机、BU2614等工作电压需要5V，所以变压器的输出只需要接地和15V，考虑到高频信号产生电路和单片机共用一个电源会互相干扰，所以采取对单片机单独供电。由变压器出来的交流信号分别经过两个L7812CV，一路直接接到低通和L7805CV;另一路L7812CV的输出直接接到L7805CV，它的输出单独供给给单片机。在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容，使滤掉纹波的效果更好，输出的直流电压更稳定。接小容量高频电容以抑制芯片自激，输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声[10]。
6 软件设计
本设计软件的主要作用是用来控制BU2614、存储器AT24C02以及频率的显示。
因为输出正弦波的频带范围较宽，又考虑到精确度的要求，当步进为1KHz、控制字为FFFFH时，输出频率的最大值只能为65.536MHz，所以为了达到更高的频率，又能提高精确度，必须选择两种不同的标准频率。以54MHz为分界点，当低于54MHz时，选择以1KHz为步进，当高54MHz时，选择以25KHz为步进。当控制字为8600H时，分频数乘于1KHz;当控制字为8000H时，分频数乘于25KHz。因为分频数乘于标准频率化成BCD码以后占用的字节数不同，所以要调用两个不同的显示单元。调整频率时，可通过按键来实现，根据调用不同的子程序可以完成分频比加一、加十、减一、减十，当复位键按下时，显示的频率为50MHz。每次判断有按键按下时重新调用存储，写入新的数据，以防掉电时重新复位。
7 结论
由于晶体振荡器单频点的局限性，难于满足多频点的要求。本设计为了修正石英晶体振荡器的不足，运用锁相环来产生一个高稳定度、高精确度、多频点的正弦波信号。产生的正弦波信号可应用于调频、解调、通信、电视等领域。
本设计的优点是，通过切换电感可扩大锁相环的带宽，实现25MHz到110MHz可调的频率，结果满足设计要求。
参考文献
[1] 铃木宪次.高频电路的设计与制作，第1版，科学出版社，2005年，103-108.
[2] 万天才.一种锁相式频率合成器的设计，微电子学，1999年，第3期，208.
[3] 张肃文，陆兆熊.高频电子线路，第3版，高等教育出版社，2004年，616-652.