單片機(jī)控制的自動鎖相調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

摘要本文介紹了利用基于單片機(jī)AT89C2051控制鎖相環(huán)組成調(diào)頻發(fā)射電臺的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)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(wěn)定度和極低的相位抖動，配合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)靈活方便的編程和控制。
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)頻率合成器調(diào)頻穩(wěn)定度單片機(jī)AT89C2051

0 引言

無線電技術(shù)誕生以來,信息傳輸和信息處理始終是其主要任務(wù)。要將無線電信號有效地發(fā)射出去,天線的尺寸必須和電信號的波長為同一數(shù)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(diào)制到幾十MHz～幾百M(fèi)Hz以上的高頻振蕩信號上,再經(jīng)天線發(fā)送出去。為減小各種因素引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)必須包括自動增益控制、自動頻率控制和自動相位控制(鎖相環(huán))在內(nèi)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(diào)頻信號合成器、小功率發(fā)射機(jī)并由此而組成一個(gè)調(diào)頻發(fā)射電臺的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

1．1 調(diào)頻發(fā)射電臺基本原理

發(fā)射電臺的原理很簡單，如圖1所示，攜帶信息的低頻電信號調(diào)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發(fā)射出去。

圖1 發(fā)射電臺的基本原理框圖

圖2 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖

1．2 整體實(shí)現(xiàn)框圖^[2]

本設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)直接調(diào)頻的方案，使其不僅具有很高的頻率穩(wěn)定度（約10-6），還具有比較高的最大頻偏量。整體系統(tǒng)框圖如圖2所示。晶振為振蕩源提供基準(zhǔn)頻率信號，振蕩源采用PLL頻率合成方式。調(diào)頻利用調(diào)制信號直接加到壓控振蕩器上來實(shí)現(xiàn)的。壓控振蕩器由變?nèi)荻O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功放。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)

圖4 吞除脈沖式數(shù)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(tǒng)。通過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)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號同頻。在環(huán)路開始工作時(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(nèi)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，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來。達(dá)到穩(wěn)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(shù)字鎖相頻率合成器的構(gòu)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(shù)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(jù)模式控制電平的高低，來控制它的分頻比為P 或P+1。此類數(shù)字鎖相頻率合成器的結(jié)構(gòu)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(shù)，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(jì)數(shù)器和主計(jì)數(shù)器及雙模前置分頻器構(gòu)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(jì)數(shù)器在預(yù)置完畢分頻比NP和A后，在計(jì)數(shù)期間呈減法計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器所產(chǎn)生的模式控制信號的控制，在吸收計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)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(dāng)吸收計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)到零，停止計(jì)數(shù)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，工作過程如下：

首先通過預(yù)置電路，將分頻比NP和A預(yù)置到主計(jì)數(shù)器和吸收計(jì)數(shù)器中，由吸收計(jì)數(shù)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(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)周期開始，在主計(jì)數(shù)器和吸收計(jì)數(shù)器未計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)到零，將模式控制電平變?yōu)榈碗娖?，通過與門電路封鎖吸收計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)禁止端，使之停止計(jì)數(shù)，此時(shí)主計(jì)數(shù)器還存有fvco/P，再經(jīng)過（NP-A）P 個(gè)周期，主計(jì)數(shù)器也減法計(jì)數(shù)到零，主計(jì)數(shù)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(shù)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(xiàn)

本設(shè)計(jì)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(jī)控制部分的設(shè)計(jì)。下面主要介紹鎖相環(huán)電路與單片機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)。

圖5 壓控振蕩器

圖6 調(diào)制信號輸入回路

3．1 鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)

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(xì)的闡述。

3．2．1 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

VCO電路如圖5所示。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)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(jì)算取f0 =98MHz，波段覆蓋系數(shù)為Kf=110/85=1.3，變?nèi)莨艿淖內(nèi)荼葹?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" src="/upload/2008_04/080407095084457.jpg" border=0> ，要求，一般電容三點(diǎn)式振蕩器可以達(dá)到。變?nèi)荻O管D1 采用部分接入式。

3.2.2 調(diào)頻電路的設(shè)計(jì)

將調(diào)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(xiàn)直接調(diào)頻，可兼顧最大頻偏和頻率穩(wěn)定度?？紤]到輸入調(diào)制信號的峰―峰值不定，如調(diào)制信號為CD 唱機(jī)輸出可達(dá)1V，而輸入為卡式磁帶機(jī)時(shí)則只有0.5V，為此在調(diào)制信號輸入端加接了電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所需的頻偏。另外，在輸入回路中還設(shè)了低通濾波器，以濾除高頻干擾，增加了輸出調(diào)頻信號的信噪比。R2、RP2和R3為變?nèi)莨蹹1 提供直流偏置電壓，以減小D1 的非線性引起的調(diào)制失真。電路如圖6 所示：

3.2.3 集成數(shù)字鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的是日本富士通公司的大規(guī)模集成數(shù)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(nèi)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(gòu)成一個(gè)完整頻率合成器。

設(shè)計(jì)采用高精度參考晶體頻率為8MHz，基準(zhǔn)頻率設(shè)為R f =2K，則基準(zhǔn)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(jì)算M的范圍為42500到55000，N為664到859，A為4到63，滿足MB1504中A=0~127，N=16~2047 的預(yù)置數(shù)范圍。在上述范圍內(nèi)，改變N和A 的預(yù)置數(shù)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(nèi)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Fin 反饋到MB1504 內(nèi)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(jī)輸出的預(yù)置數(shù)據(jù)由CLK、Data 和LE 串行輸入MB1504。

3.2.4 單片機(jī)控制電路及程序設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的控制功能較為簡單，采用功能比較簡單的AT89C2051就可以實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)硬件系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 鎖相環(huán)電路

4. 軟件設(shè)計(jì)

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

5 系統(tǒng)測試

對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如下：

1) 頻率范圍：振蕩輸出波形，用示波器顯示，觀察無明顯失真，用數(shù)字頻率計(jì)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(wěn)定度優(yōu)于10^-6。

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

用萬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(shù)據(jù)如表一所示：

表一諧振功率放大器的指標(biāo)

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上使用鎖相環(huán)專用芯片，穩(wěn)定可靠，在功能和指標(biāo)上均可達(dá)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(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制的智能化，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升了系統(tǒng)的整體功能。

參考資料

[1]張玉輝，侯著榮，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(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2004.12:122-125

[2]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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.電子線路(非線性部分第四版)[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