锁相环控制器设计.docx
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锁相环控制器设计
存档日期:
存档编号:
江苏师范大学
本科生毕业论文(设计)
论文题目:
锁相环控制器设计
姓名:
侯瑞
学院:
电气工程及自动化学院
专业:
电气工程及其自动化
班级、学号:
10电41班10284038
指导教师:
李旭超
江苏师范大学教务处印制
摘要
为了提高电子设备的性能,锁相环电路已成为了电子通讯系统中不可缺少的一部分。
如今,无线通讯在迅速的发展,对频率的准确度以及频率的稳定度的要求也越来越高,高性能、高频率成为了很多人钻研的课题,由于石英振荡器的频率范围有所欠缺,因此频率合成器成为了无线通信中的重要组成部分,利用频率合成技术可以产生高频率信号。
本文主要是研究并设计了一种以锁相环组成的频率合成器。
先了解锁相环的工作原理,结合自动控制理论,建立并分析锁相环路的数学模型,之后对频率合成器的构成、基本原理及工作特性进行研究。
本次锁相环采用CD4046芯片,是结合了计数器芯片等研究出频率合成器的硬件电路,进行参数设计。
本次设计依据单片机STC89C52和驱动芯片HD7279A的工作原理设计电路,利用键盘控制锁相环芯片并用数码管输出显示,经过改变分频比掌控了频率合成器的频率。
软件采用模块化的设计方法,使系统实现了改变分频比。
关键字:
STC89C52;CD4046;频率合成器
Abstract
Inordertoimprovetheperformanceofelectronicequipment,thePLLcircuithasbecomeanindispensablepartintheelectroniccommunicationsystem.Nowadays,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunications,therequirementsofstabilityandaccuracyoffrequencyareincreasinglyhigh.Andhowtoimproveitsperformanceandfrequencyhasbecomethemajorityofresearch.Thefrequencysynthesizerhasbecomeanimportantpartinwirelesscommunicationsduetoinsufficientfrequencyrangeofcrystaloscillator.Highfrequencysignalcanbeproducedbythefrequencysynthesistechnology.
ThispapermainlydesignedafrequencysynthesizermadeupofPLL.TheprincipleofPLLwasstudiedfirst,andthemathematicalmodelofPLLwasestablishedandanalysedwithautomaticcontroltheory.Thenthestructureoffrequencysynthesizerwithitsbasicprincipleandworkingcharacteristicswasstudied.
ThehardwarecircuitoffrequencySynthesizerwasdesignedbyusingtheCD4046chipasPLL,combinedwithcounterandsoon.Theparameterswerealsodesigned.ThedesignofcircuitwasbasedonthesinglechipmicrocontrollerSTC89C52andthedriverchipHD7279A,usingthekeyboardtocontrolthePLLchipanddisplaythroughdigitaltubes,andthefrequencyoffrequencysynthesizerwascontroledbycontrollingthefrequencydivisionratio.Thesoftwarewasdesignedbyusingthemoduledesignmethodandmadethechangingthefrequencydivisionratiotoberealized.
Keywords:
STC89C52;CD4046;frequencysynthesizer
1绪论
1.1课题的背景及意义
近些年,随着社会向高度信息化方向的发展及人们的通信需求,无线通信技术在全球得到了极速的发展,然而,由于性能,集成,频率稳定度,精度,光谱纯度的要求越来越高的其他方面,导致一个锁相环已成为电子通信系统不可缺少的一部分,锁相环技术的好坏会直接对设备或系统产生很大的影响。
锁相环路是一个控制两个相位间的误差的系统,是在对比了参考信号和输出信号之间的相位以后,会产生一个相位误差电对输出信号的相位进行一番调整,从而达到输出信号与输出信号同频。
锁相环的应用主要体现在以下三个方面:
1)信号的调制与解调;
2)信号的调频与解调;
3)信号的频率合成。
锁相环路采用的是电视早期的同步系统(行同步和帧同步),大大提高了电视机图像的同步性能,提高抗干扰能力。
若是具体点来说,二十世纪三十年代,锁相环几乎是用在对接受设备的同步控制。
到了四十年代,慢慢发展到了电视的同步扫描。
在第二十世纪五十年代后期随着空间科学技术的发展,在接收和跟踪人造卫星、宇宙飞船的微弱信号方面,锁相环显示出了相当大的优越性。
又例如,普通的超外差接收机一般都是频带宽、噪声大、低信噪比,而在使用了锁相环路的接收机中,能够对中频信号进行锁定,就可以做到拥有很窄的带宽和大大提升了的信噪比。
所以如果想提取深藏在噪声中的信号,只有采用运用锁相环跟踪技术的接收机才能予以实现。
六十年代的初期,数字通讯系统开始发展,在调频信号锁相鉴频器中和位同步的创建、取出相干解调的参考载波方面,锁相环路的利用范围越来越广。
但是由于昂贵的锁相环开发生产成本导致发展有了一定是局限性。
在不断的发展之中,直到第二十世纪七十年代,锁相环技术已成为电子通信技术中不可缺少的组成部分。
八十年代以后,随着电子技术的发展,集成锁相环、数字锁相环和频率合成技能的出现,锁相环路的应用变的极为广泛,从而大大推动了通信的发展。
锁相环在通信应用中的重要性决定了锁相环技术是一门须熟练掌握的技术。
频率合成器有三个阶段:
直接式频率合成器(DS),间接式频率合成器(也称锁相环频率合成器,IS)、直接数字式频率合成器(DDS)。
本课题研究锁相环频率合成器,在工程应用中,对频率合成器主要的要求有三方面,频率范围(主要由压控振荡器的频率范围决定)、频率间隔以及频率稳定度和准确度。
频率合成器是一种产生大量的离散频率信号的设备,它是利用一个或者多个标准的信号和各种技术实现。
在直接式频率合成技术和间接式频率合成技术之后,出现了直接数字式频率合成技术,其跟随数字集成电路的发展而迅速发展,以数字信号处理的理论知识和信号的幅度相位为基础,进行了频率合成。
频率合成技术有超高的频率分辨率,相当宽的相对带宽,频率的转换时间也非常短。
还有在频率转换的时候信号的相位连续,可以输出任意波形,还具有数字调制的功能的优点。
在仪器仪表、导航、雷达、遥控以及广播电视等方面有了很广泛的应用。
在短波的跳频通信中,在较宽的频带上信号在不断的变化,在很小的频率间隔内需要进行快速的频率切换和相位切换,采用直接数字式频率合成技术可以方便的进行控制从而满足所有的需求。
频率合成器的作用是提供一定的频率参考信号给微波扫频信号,并且对其输出频率进行锁定,最后可以得到稳定度和准确度都很高的输出信号。
频率合成有很多方法,有直接模拟合成法,锁相环合成法以及直接数字合成法。
频率的直接模拟法的转换时间快,利用了倍频、分频、混频和滤波等环节,将单一的参数频率变成多个所需要的频率,但是此方法的功耗大,体积也大,目前已经基本不再被采用了。
锁相环合成法则是结构简单,便于集成,并且频谱的纯度也很高,它是通过锁相环完成了频率的加减乘除运算,目前已有了很广泛的应用。
如今单片机在生活的各个领域都有着广泛的应用,智能仪器,导航系统,甚至到家用电器,都有着单片机的身影,单片机体积小,输入输出的接口简单,功耗很低。
此次控制芯片选用单片机,对频率合成器进行了控制。
1.2锁相环的国内研究现状与发展趋势
国内有关数字通信技术在不断的发展,因而要求频率源的稳定度、范围、纯度与输出频率个数越来越精准。
采用晶体振荡器可以解决需要提高稳定度的问题,但不能满足频率个数多的要求,为了两者兼具,现在国内大量采用频率合成技术。
在频率合成其中,锁相环结合着低通滤波器发挥着稳频的作用,对频率进行加、减、乘、除运算之后,能让一个稳定度和准确度很高的标准频率源产生出相当多的不同频率且具有相同的稳定度和准确度。
因此,锁相环路可作为频率加减器、分频器、倍频器来使用。
锁相环路其实不仅可以进行频率合成,还可以进行优良的滤波。
通过滤波可以得到很窄的通频带和可变的中心频率,普通滤波器是达不到如此优良的性能的。
如今国内的电路技术越来越趋于数字化,数字锁相环慢慢取代了模拟锁相环,已成为锁相技术的发展方向。
数字锁相环可靠性高、精度高、价格低、体积小,并一一避免了模拟锁相环有关器件饱和、易受环境温度变化和电压影响和直流零点漂移的一些缺点,且应用于数字系统中,不需要A/D及D/A转换,对离散样值还有一定的实时处理能力。
在频率合成、调制解调、图像处理等方面都有很广泛的应用。
近些年,锁相技术已经成为电子设备中很常用的部分,在航空航天、原子能、电机控制等有关领域的信号提取、跟踪与同步等功能都能够高性能的完成。
国内的科技在不断的发展,所以锁相技术的应用范围会越来越大,再加上锁相技术具有相当多别的元件无法达到的性能和自己独有的优点,在日后的发展中,一定会得到很好的发展。
1.3课题的主要研究内容
本次课题是设计一个运用集成锁相环芯片CD4046构成的一个频率合成器,利用单片机STC89C52和驱动芯片HD7279A对频率合成器记性控制,可以具有同步、跟踪、捕捉功能。
通过编写程序实现控制锁相环的分频比。
2锁相环及频率合成器的基础知识
2.1锁相环的基本原理
锁相环是由三个部分组成,分别是鉴相器、环路滤波器、压控振荡器,如图2-1所示。
图2-1锁相环的基本组成
鉴相器是用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器的输出信号uo(t)之间的相位差,这两个信号的相位差所对应的函数就是鉴相器的输出电压ud(t)。
环路滤波器使环路中的要求的性能得到了保证,它滤除了鉴相器输出信号中的高频分量和噪声。
压控振荡器被环路滤波器的输出电压uc(t)控制着,让振荡频率越来越靠近输入信号的频率,直到两者具有相同的频率,此时压控振荡器输出信号和输入信号的相位会保持着某种特定的关系,从而得到了相位锁定。
设输入信号ui(t)是正弦信号,压控振荡器的输出信号uo(t)是余弦信号并且此输出信号会随着输入电压的变化而发生变化,两者在鉴相器内进行比较,会输
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- 锁相环 控制器 设计
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