基于PLL信號發生器的設計

郭烜博 文若濤 孫雙辰 白宇

摘? 要：隨著通信技術、數字電視、航空航天和遙控技術的不斷發展，對頻率源的頻率穩定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率數量的要求也越來越高。為了提高頻率的穩定度，經常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它很難產生多個頻率信號。而頻率合成技術，可以通過對頻率進行加、減、乘、除運算，從一個高穩定度和高準確度的標準信號源，產生大量具有同樣高穩定度和高準確度的不同頻率。頻率合成器是從一個參考頻率中產生多種頻率的器件?；陬l率合成器的這以一特點，利用鎖相式頻率合成技術，可以制作高穩定度、寬頻帶的正弦波信號發生器。

關鍵詞：PLL;壓控振蕩器;鎖相環

1 設計要求

利用鎖相環技術產生一個失真度小、頻率從30MHz到100MHz的可調的正弦波信號。根據頻率的不同選擇不同步進的標準頻率。當信號處于較低頻率時，選擇步進為1KHz的標準頻率，此時它的最小誤差不大于0.8%;當信號在較高的頻率段時，選擇以25 KHz為標準頻率，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容二極管，及一個LC諧振回路構成變容二極管壓控振蕩器。只需要調節變容二極管兩端的電壓，便可改變壓控振蕩的輸出頻率。由于采用了集成芯片，電路設計簡單，系統可靠性高，并且利用鎖相環頻率合成技術可以使輸出頻率穩定度進一步提高。

2.2 頻率合成器的設計方案論證與選擇

方案3：采用數字鎖相環式頻率合成技術，由晶振、鑒頻/鑒相（FD/PD）、環路濾波器（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，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，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，采用大規模的集成芯片，與前兩種方案相比可以簡化頻率合成部分的設計，有利于集成化和小型化。頻率合成采用大規模集成PLL芯片BU2614，VCO選用MC1648;

3 系統組成

根據要求設計信號發生器，輸出信號為正弦波。設計中采用鎖相環式的頻率合成技術，利用鎖相環，使輸出的正弦波頻率與晶體振蕩器的穩定度一樣?？刂撇糠植捎脝纹瑱C來完成，利用數碼管對頻率進行顯示并對頻率值進行存儲。

4 鎖相環介紹

4.1 鎖相環的概念

鎖相環是指使高頻振蕩器的頻率與基準頻率的整數倍頻率一致時所使用的電路。通?；鶞收袷幤鞫际褂镁w振蕩器，所以高頻振蕩的頻率穩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時，由于環路的作用，使壓控振蕩頻率逐漸向標準參考頻率靠近，靠近到一定程度后，環路即能進入鎖定。這一過程叫做捕捉過程。系統能捕捉最大的頻率失諧范圍稱為捕捉帶或捕捉范圍。

當環路已鎖定后，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，則通過環路的作用，可使VCO的頻率和相位不斷跟蹤變化。這時環路即處于跟蹤狀態。環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 單元電路的設計

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容二級管，它的電容量受到輸入電壓的控制，當輸入電壓變化，就引起了起振蕩頻率的變化。因此，壓控振蕩器事實是一種電壓——頻率變換器。它的特性可用瞬時振蕩頻率 與控制電壓υC之間的關系曲線來表示.在一定范圍內， 與υC之間是線性關系。在線性范圍內，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，以獲得更純的控制電壓，提高環路穩定性和改善環路跟蹤性能和噪聲性能。鎖相穩頻系統是一個相位反饋系統，其反饋目的是使VCO的振蕩頻率由自有偏差的狀態逐步過渡到準確的標準值。而VCO如做調頻源用，其瞬時頻率總是偏離標準值的。振蕩器中心頻率不穩主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化是緩慢的，鎖相環路只對VCO平均中心頻率不穩定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內）起作用，使其中心頻率鎖定在設定的頻率上。因此，輸出的調頻波的中心頻率穩定度很高[8]。

5.3 電源切換電路設計

此控制電路是用三級管和光偶來控制輸出的高低電平，使開關二級管截止或導通，從而來切換電感量。當P3.0輸出高電平時，三極管導通，導致光偶導通，使輸出為低電平;當P3.0為低電平時，三極管截止，導致光偶截止，使輸出為高電平[9]。

5.4 電源電路設計

電源電路如圖所示，由于低通需要12V的工作電壓、MC1648、單片機、BU2614等工作電壓需要5V，所以變壓器的輸出只需要接地和15V，考慮到高頻信號產生電路和單片機共用一個電源會互相干擾，所以采取對單片機單獨供電。由變壓器出來的交流信號分別經過兩個L7812CV，一路直接接到低通和L7805CV;另一路L7812CV的輸出直接接到L7805CV，它的輸出單獨供給給單片機。在三端穩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 軟件設計

本設計軟件的主要作用是用來控制BU2614、存儲器AT24C02以及頻率的顯示。

因為輸出正弦波的頻帶范圍較寬，又考慮到精確度的要求，當步進為1KHz、控制字為FFFFH時，輸出頻率的最大值只能為65.536MHz，所以為了達到更高的頻率，又能提高精確度，必須選擇兩種不同的標準頻率。以54MHz為分界點，當低于54MHz時，選擇以1KHz為步進，當高54MHz時，選擇以25KHz為步進。當控制字為8600H時，分頻數乘于1KHz;當控制字為8000H時，分頻數乘于25KHz。因為分頻數乘于標準頻率化成BCD碼以后占用的字節數不同，所以要調用兩個不同的顯示單元。調整頻率時，可通過按鍵來實現，根據調用不同的子程序可以完成分頻比加一、加十、減一、減十，當復位鍵按下時，顯示的頻率為50MHz。每次判斷有按鍵按下時重新調用存儲，寫入新的數據，以防掉電時重新復位。

7 結論

由于晶體振蕩器單頻點的局限性，難于滿足多頻點的要求。本設計為了修正石英晶體振蕩器的不足，運用鎖相環來產生一個高穩定度、高精確度、多頻點的正弦波信號。產生的正弦波信號可應用于調頻、解調、通信、電視等領域。

本設計的優點是，通過切換電感可擴大鎖相環的帶寬，實現25MHz到110MHz可調的頻率，結果滿足設計要求。

參考文獻

[1]? 鈴木憲次.高頻電路的設計與制作，第1版，科學出版社，2005年，103-108.

[2]? 萬天才.一種鎖相式頻率合成器的設計，微電子學，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.