單片機控制的自動(dòng)鎖相調頻發(fā)射機的設計

摘要本文介紹了利用基于單片機AT89C2051控制鎖相環(huán)組成調頻發(fā)射電臺的設計實(shí)現。設計所選用的鎖相環(huán)是采用Bi-CMOS工藝，具有吞除脈沖功能的單片串行集成鎖相頻率合成器芯片，具有很高的頻率穩定度和極低的相位抖動(dòng)，配合單片機可實(shí)現靈活方便的編程和控制。
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)頻率合成器調頻穩定度單片機AT89C2051

0 引言

無(wú)線(xiàn)電技術(shù)誕生以來(lái),信息傳輸和信息處理始終是其主要任務(wù)。要將無(wú)線(xiàn)電信號有效地發(fā)射出去,天線(xiàn)的尺寸必須和電信號的波長(cháng)為同一數量級^[1]。為了有效地進(jìn)行傳輸,必須將攜帶信息的低頻電信號調制到幾十MHz～幾百MHz以上的高頻振蕩信號上,再經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送出去。為減小各種因素引起的系統不穩定，增強系統的可靠性，系統必須包括自動(dòng)增益控制、自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制(鎖相環(huán))在內的反饋控制電路。其中鎖相環(huán)電路的性能就顯得尤其重要。本文所討論的就是一個(gè)利用鎖相環(huán)組成的直接調頻信號合成器、小功率發(fā)射機并由此而組成一個(gè)調頻發(fā)射電臺的設計。

1 系統的整體設計方案

1．1 調頻發(fā)射電臺基本原理

發(fā)射電臺的原理很簡(jiǎn)單，如圖1所示，攜帶信息的低頻電信號調制到一個(gè)高頻信號中，再經(jīng)高頻功率放大器放大后由天線(xiàn)發(fā)射出去。

圖1 發(fā)射電臺的基本原理框圖

圖2 系統整體實(shí)現框圖

1．2 整體實(shí)現框圖^[2]

本設計采用鎖相環(huán)直接調頻的方案，使其不僅具有很高的頻率穩定度（約10-6），還具有比較高的最大頻偏量。整體系統框圖如圖2所示。晶振為振蕩源提供基準頻率信號，振蕩源采用PLL頻率合成方式。調頻利用調制信號直接加到壓控振蕩器上來(lái)實(shí)現的。壓控振蕩器由變容二極管和晶體三極管組成電容三點(diǎn)式振蕩器。射頻功率放大器采用效率比較高的丙類(lèi)功放。整個(gè)系統由單片機實(shí)現控制和顯示頻率等功能。

2．各主要部分原理

2．1 鎖相環(huán)的工作原理^[3][4]

鎖相環(huán)最基本的結構如圖3所示，由三個(gè)基本的部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器是個(gè)相位比較裝置，把輸入信號Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號So(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應于兩個(gè)信號相位差的誤差電壓Se(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統的穩定性。壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。

圖3 鎖相環(huán)的基本結構

圖4 吞除脈沖式數字鎖相頻率合成器的框圖

鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)是個(gè)相位誤差控制系統。通過(guò)比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來(lái)調整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，相位差勢必一直在變化，鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等，在滿(mǎn)足穩定性條件下就在這個(gè)頻率上穩定下來(lái)。達到穩定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。

2．2 吞除脈沖式數字鎖相頻率合成器的構成

為保證足夠小的信道間隔和比較高的工作頻率，可采用吞除脈沖式數字鎖相頻率合成器。所謂“吞除脈沖”技術(shù)，就是采用高速雙模前置分頻器，根據模式控制電平的高低，來(lái)控制它的分頻比為P 或P+1。此類(lèi)數字鎖相頻率合成器的結構如圖4所示。

圖中fr為參考頻率，fP為反饋頻率，NP、A為分頻比系數，fvco為壓控振蕩器輸出頻率。變模前置分頻鎖相環(huán)頻率合成器，采用吸收計數器和主計數器及雙模前置分頻器構成對壓控振蕩頻率進(jìn)行分頻方式的“吞脈沖”分頻技術(shù)。吸收計數器在預置完畢分頻比NP和A后，在計數期間呈減法計數工作狀態(tài)。雙模前置分頻器有兩種分頻比P與（P+1），分頻比的切換受吸收計數器所產(chǎn)生的模式控制信號的控制，在吸收計數器計數期間，模式控制信號為高電平，前置分頻器的分頻比為（P+1），只有當吸收計數器減法計數到零，停止計數時(shí)，才輸出低電平的模式控制信號，去控制前置分頻器的分頻比變?yōu)镻，工作過(guò)程如下：

首先通過(guò)預置電路，將分頻比NP和A預置到主計數器和吸收計數器中，由吸收計數器產(chǎn)生的高電平模式控制信號，使前置分頻器工作在（P+1）狀態(tài)。當一個(gè)計數周期開(kāi)始，在主計數器和吸收計數器未計數到零時(shí)，模式控制為高電平，雙模前置分頻器的輸出頻率為fvco/(P+1)。在輸入A（P+1）周期后，吸收計數器減法計數到零，將模式控制電平變?yōu)榈碗娖?，通過(guò)與門(mén)電路封鎖吸收計數器的計數禁止端，使之停止計數，此時(shí)主計數器還存有fvco/P，再經(jīng)過(guò)（NP-A）P 個(gè)周期，主計數器也減法計數到零，主計數器輸出低電平將兩個(gè)輸出比相脈沖送至鑒相器。在一個(gè)完整的周期中，輸入的周期數為：

N =（P+1）A+（NP-A）P = PNP+A

式中N就是總分頻比。從上式可知，NP必須大A。一旦環(huán)路鎖定，壓控振蕩器輸出（P NP+A）倍參考頻率信號。

3．主要硬件電路實(shí)現

本設計涉及到高頻小信號緩沖放大器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路和高頻功率放大器以及單片機控制部分的設計。下面主要介紹鎖相環(huán)電路與單片機控制部分的設計。

圖5 壓控振蕩器

圖6 調制信號輸入回路

3．1 鎖相環(huán)路的設計

鎖相環(huán)路由集成鎖相控制器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。下面對這幾部分進(jìn)行詳細的闡述。

3．2．1 壓控振蕩器的設計

VCO電路如圖5所示。本系統的設計調頻載波頻率變化范圍為85MHz～110MHz，中心頻率f0=(85+110)/2=97.5MHz，為方便計算取f0 =98MHz，波段覆蓋系數為Kf=110/85=1.3，變容管的變容比為 ，要求，一般電容三點(diǎn)式振蕩器可以達到。變容二極管D1 采用部分接入式。

3.2.2 調頻電路的設計

將調制信號直接加到鎖相環(huán)路壓控振蕩器的振蕩回路中，以此實(shí)現直接調頻，可兼顧最大頻偏和頻率穩定度?？紤]到輸入調制信號的峰―峰值不定，如調制信號為CD 唱機輸出可達1V，而輸入為卡式磁帶機時(shí)則只有0.5V，為此在調制信號輸入端加接了電位器進(jìn)行調節，使其達到所需的頻偏。另外，在輸入回路中還設了低通濾波器，以濾除高頻干擾，增加了輸出調頻信號的信噪比。R2、RP2和R3為變容管D1 提供直流偏置電壓，以減小D1 的非線(xiàn)性引起的調制失真。電路如圖6 所示：

3.2.3 集成數字鎖相環(huán)路的設計

本設計使用的是日本富士通公司的大規模集成數字鎖相頻率合成器MB1504。MB1504 采用Bi-CMOS 工藝，是一種具有吞除脈沖功能的單片串行集成鎖相頻率合成器芯片。B1504 系列包含內部振蕩器、參考分頻器、可編程分頻器、鑒相器、鎖存器、移位寄存器、雙模高速前置分頻器和一位控制鎖存器等主要部件。只需外接環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、單片微處理器等電路即可構成一個(gè)完整頻率合成器。

設計采用高精度參考晶體頻率為8MHz，基準頻率設為R f =2K，則基準分頻比Np=8M/2k=4000。前置分頻器采用64/65 技術(shù)模式，頻率范圍為85MHz-110MHz，則M= f/fR , N=[M/64] , A=M-64N , 經(jīng)計算M的范圍為42500到55000，N為664到859，A為4到63，滿(mǎn)足MB1504中A=0~127，N=16~2047 的預置數范圍。在上述范圍內，改變N和A 的預置數值，即可獲得頻率為f 的輸出正弦信號。鎖相環(huán)電路如圖7所示。

MB1504 內的充電泵電源電壓VP為9V，可以獲得較大的可控頻率范圍。充電泵輸出DO經(jīng)低通濾波器（LPF）后輸出平滑的電壓，控制其后的壓控振蕩器輸出所需的頻率。壓控振蕩器輸出的信號經(jīng)過(guò)Fin 反饋到MB1504 內部，完成整個(gè)鎖相環(huán)的環(huán)路捕捉、跟蹤和鎖定等。單片機輸出的預置數據由CLK、Data 和LE 串行輸入MB1504。

3.2.4 單片機控制電路及程序設計

由于本設計要求實(shí)現的控制功能較為簡(jiǎn)單，采用功能比較簡(jiǎn)單的AT89C2051就可以實(shí)現。單片機硬件系統如圖8所示。

圖7 鎖相環(huán)電路

4. 軟件設計

軟件的主要任務(wù)是：實(shí)現鍵盤(pán)管理、顯示等人機接口；控制鎖相環(huán)實(shí)現頻率的遞增與遞減。主程序流程圖如圖9所示：主程序采用查詢(xún)方式檢測是否有鍵按下，若有則去抖動(dòng)，判鍵并執行相應操作如改變模式、頻率遞增或遞減等。

5 系統測試

對所設計的系統進(jìn)行測試，其測試結果如下：

1) 頻率范圍：振蕩輸出波形，用示波器顯示，觀(guān)察無(wú)明顯失真，用數字頻率計測得其頻率范圍為85MHz～110MHz。由于在鎖相頻率合成器中使用了晶體振蕩器，因而輸出信號頻率的穩定度優(yōu)于10^-6。

2) 諧振功率放大器的指標：用示波器測出輸出負載RL（50Ω）上的峰－峰值Vp-p，得到輸出功率：

用萬(wàn)用表直流電流檔測出功率放大器的電流Ico，得出功放的直流消耗功率PD=Vcc Ico ，可得出效率ηc＝Po/PD,實(shí)測數據如表一所示：

表一諧振功率放大器的指標

6 結束語(yǔ)

本系統在設計上使用鎖相環(huán)專(zhuān)用芯片，穩定可靠，在功能和指標上均可達到實(shí)際使用的水平。本論文創(chuàng )新點(diǎn)在于使用了單片機控制技術(shù)，實(shí)現了控制的智能化，簡(jiǎn)化了系統的結構,提高了系統的穩定性，提升了系統的整體功能。

參考資料

[1]張玉輝，侯著(zhù)榮，翟毅華.基于射頻識別技術(shù)的裝備維修器材管理信息系統的設計[J].微計算機信息.2004.12:122-125

[2]謝自美.電子線(xiàn)路設計實(shí)驗測試(第二版)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社.2000.07:125-127

[3]謝嘉奎.電子線(xiàn)路(非線(xiàn)性部分第四版)[M].北京：高等教育出版社.2000.05：224-226

[4]王福昌.鎖相原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社:2004.08:136-138