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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