基于锁相环的高稳定高频正弦信号发生器

基于锁相环的高稳定高频正弦信号发生器学号学生姓名专业班级
课程设计
（论文）
题目
基于锁相环的高稳定高频正弦信号发生器
课
程
设计
（论文）任务设计内容：基于锁相环的高稳定高频正弦信号发生器
设计要求：输出正弦波形无失真、幅值稳定, 频率稳定度达到10- 6, 调节
频率范围5MHz～ 70MH
1 .分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2 .确定合理的总体方案。

以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3 .设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指
导
教
师
评
语
及
成
绩
成绩：指导教师签字：
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目录
第1章设计概述 (1)
第2章设计方案 (1)
1 系统框图 (1)
2主要电路设计 (2)
2.1 差分对管LC 振荡电路原理 (2)
2.2压控LC 振荡电路 (3)
2.3锁相环频率控制电路 (4)
2.4采样电压峰- 峰值电路 (5)
2.5键盘显示电路 (5)
3 软件功能 (5)
第3章设计结论及参考文献 (6)
第一章设计概述
高频正弦信号发生器是自动测试系统性能测试的基本电子仪器, 其频率和振幅稳定性是关键的性能
指标, 尤其是频率的准确性和稳定性最为重要. 目前, 广泛使用的是标准产品, 但能够用数控方式进行
频率设定、间隔步进和稳频输出的很少, 且价格昂贵. 所以, 研究低成本、小体积、便携式的基于锁相环
的高稳定高频正弦信号发生器具有一定的实际意义, 可广泛地应用于检测、实验室研究、通信等领域.
信号发生器的核心技术是频率合成技术, 主要方法有: 直接模拟频率合成、锁相环频率合成(PLL )、
直接数字合成(DDS) [ 1 ]. 模拟频率直接合成的信号发生器电路复杂, 缺乏灵活性、稳定性较低; PLL 技
术比较成熟, 具有频率稳定度高、准确性好、价格低等特点, 但输出信号频率只能以间隔步进调整; DDS
是开环系统, 无反馈环节, 其合成频率的时间快, 频率稳定度高, 但电路复杂、成本高. 本文讨论了单片
机控制的基于锁相环的高频正弦信号发生器的设计和实现.
第二章设计方案
1.系统框图
信号发生器系统主要由6 部分组成: 压控振荡电路、锁相环、单片机、频段选择电路、电压采集电
路、键盘显示电路. 系统结构框图如图1 所示.
本系统采用A tm el 的89c52 单片机作为系统控制器, 实现对数字调谐系统锁相环电路
(SC9257) 的控制、正弦波电压峰峰值的实时测量显示、频率值的设置、频率步进间隔的设定、频率步进调整、频段选择电路的程控. 选用SC9257 锁相环将压控振荡器(VCO ) 的输出频率锁定在所需频率上, 并通过A öD 转换器AD0804 对正弦波电压峰峰值采集. 压控振荡器(VCO ) 选择了稳幅性能好、波型失真小、频调范围大的差分对管LC 振荡电路. 用专用键盘显示接口芯片8279 作为人机对话接口, 方便地管理显示和键盘电路.
2主要电路设计
2. 1差分对管LC 振荡电路原理
差分对管LC 振荡电路如图2 所示.图2 中, T 1和T 2为差分对管, 其中T 2管的集电极上外接LC 谐
振回路, 调谐在振荡频率上, 并将其上的输出电压直接加到T 1管的基极上, 形成正反馈. 接到T 2管基极
上的直流电压V bb又通过LC 谐振回路(对直流近似短路) 加到T 1管基极上, 为
两管提供等值的基极偏置电压, 同时, V bb又作为T 2管的集电极电源电压, 这
样, 就会使得T 2管的集电极和基极直流同电位. 因此, 必须限制LC 谐振回路
两端的振荡电压振幅(一般在200 mV 左右) , 以防止T 2管饱和导通. 差分对管
是依靠一管趋向截止而使其差模传输特性进入平坦区的. 因此, 这种振荡器是
由振荡管进入截止区(而不是饱和区) 来实现内稳幅的, 这就保证了回路有较高
的有载品质因素, 有利于提高频率稳定度. 此外, 在实际电路中, 还采用了负反
馈的方法控制恒流值I 0来进一步改进稳幅作用, 并限制振荡电压振幅, 而且只
要选取合适的I 0便可满足振幅起振条件.
图2 电路的振荡角频率X osc由电感L 和电容C 决定, 它不但要考虑回路的
线圈电感、调谐电容还应考虑并在回路上的其它电抗, 如晶体管的极间电容Cb`e等. 振荡角频率
由此可见, 回路电感L 和等效电容C 的稳定度将影响振荡器的频率稳定度. 一般情况下, 开环LC
振荡器的工作频率稳定度在10- 3左右, 不能满足一些高精度的测量要求, 采用锁相环频率合成技术可使
频率稳定度得到很大提高.
2. 2压控LC 振荡电路
将变容二极管作为压控电容接入LC 振荡器中, 就组成了LC 压控振荡器, 压控LC 振荡电路如图3
所示. 该电路由4 部分组成: 选频电路(Q 10～Q 12, Q 16～Q 18)、差分对管振荡电路(Q 6～Q 9)、放大电
路(Q 5, Q 1～Q 3) 和偏置电路(Q 4, Q 13～Q 15). 由于频率范围太宽, 所以本振荡器分为3 个频段进行选
择, 利用三极管Q 16, Q 10, Q 17, Q 11, Q 18, Q 12 对LC 回路进行切换. 根据式(1) 估算, 在各频段范
围的参数: 第一频段频率范围为5MHz～ 15MHz, L 为10 LH 电感, C 为变化范围为30 p～540 p 的变
容二极管V 149; 第二频段频率范围为15MHz～ 35MHz, L 为0. 65 LH 电感, C 为变化范围为10 p～
180 p 的变容二极管BB112; 第三频段频率范围为35MHz～ 70MHz, L 为0. 1 LH 电感, C 也为BB112.
Q 5, Q 6, Q 9 构成稳幅电路, 将振荡电压加到Q 6 管的基极上, Q 6 和D1 管构成控制电路, 用来控
制Q 9 管的电流I 0, 使LC 振荡器振幅稳定在200mV 左右. 偏置电路中, Q 15 与Q 4 管组成互补稳定电
路, 稳定Q 7 基极电位. 若Q 7 基极电位受到干扰而升高, 则有V be7 (V be15 ) ↑→V c15 (V be4 ) ↓→V e4
(V be7) ↓, 这一负反馈作用使Q 7 基极电位保持恒定. 输出部分由Q 2, Q 3 组成的差分
放大器放大, 最后经跟随器Q 1 隔离输出.
2. 3锁相环频率控制电路
系统中选用SC9257 锁相环作为频率控制器件. SC9257 是一个数字调谐系统锁相环电路,
内置2 个
预分频系数, 它的所有功能都是通过设置两个24 b 的寄存器来控制的. 这些寄存器的数据是控制器的
DA TA , CLOCK, PER IOD 三根串行总线控制的, 适合用于高性能的数字调谐系统[ 2 ]. 该芯片可以内置
预定分频值, 当信号在FM IN 输入时, 频率范围为30MHz～ 150MHz, 信号在AM IN 输入时, 频率范
围为0. 5MHz～ 40MHz. 16 b 可编程计数器包括16 b 分频数据和2 b 分频模式数据, 用于设定对输入
信号的分频. 可以用3. 6MHz, 4. 5MHz, 7. 2MHz 或10. 8MHz 晶体振荡器, 通过参考分频器可产生
15 种可供选择的参考频率. 相位比较器在比较了参考频率信号和可编程计数器输出的分频信号后, 输出
相位误差, 误差信号并行从管脚DO 1 和DO 2 输出, 通过低通滤波后去控制压控振荡器的变容二极管.
锁相环频率控制电路如图4 所示. 图中O SC 信号来自压控振荡器输出, 经锁相环的前置分频(固定
分频) 和程序分频(可变分频) 后, 与参考频率相位比较, 在DO 2 输出误差电压, 经由Q 19, Q 20, C15,
R 27, R 28 等组成的滤波电路滤波, 由V T 端输出去控制振荡器的变容二极管, 改变其工作频率, 一旦进
入两个信号频率相同, 则相位比较器输出一固定电压, 从而振荡器稳定地工作在预置频率上.
图4锁相环频率控制电路
2. 4采样电压峰- 峰值电路
考虑到频率太高, 且步进可调, 要对一个周期内采样多个点, 得到峰- 峰值很难实现. 所以系统采
用对输出信号电压值经高频检波二极管进行半波整流、低通滤波后输出电压平均值, 然后经AD0804 转
换送到单片机, 由软件计算出正弦波电压峰峰值, 在显示器显示电压值.
2. 5键盘显示电路
采用8279 控制管理显示和键盘, 系统设置显示器8 b, 最高位系统状态显示, 后3 b 显示信号电压
峰- 峰值, 低4 显示信号频率值. 系统设置的键有: ①启动键. 在各功能的等待状态下, 命令系统进入
执行状态; ②停止键. 在任何状态下, 都可用来结束现态返回上电初态; ③单步增. 按单步步长, 提高
信号发生器频率; ④单步减. 按单步步长, 降低信号发生器频率; ⑤数字键. 0～ 9, DO T 10 个键用来输
入锁相环的频率值; ⑥功能选择键: 用来选择系统功能, 可在信号发生器、频率设定、单步步进的频率
值(10 kHz, 100 kHz, 1MHz) 设定之间进行状态切换.
3软件功能
单片机的控制软件主要包括键盘监控模块、频率控制模块、信号电压采集处理模块、频率值设定模
块、显示模块等.
键盘监控模块: 用状态转移法设计, 它以状态和按键值作为相应功能程序的驱动条件, 控制程序的
执行流向, 实现键盘的操作功能.
频率控制模快: 用来改变信号发生器的频率, 频率调节功能分为频段调节和锁相环频率调节. 其方
法是: 首先根据程序所设定的频率值判断其所属频段, 通过P1 口的P1. 5～ P1. 7 引脚控制相应晶体管的
通断(如图3 所示) , 改变LC 振荡回路的电感值, 实现频段的切换; 然后在频段范围内用锁相环进行调
节, 通过与SC9257 锁相环DA TA , CLOCK, PER IOD 三根串行总线连接的P1. 2～ P1. 4 三根口线, 把
所需的程序分频系数和参考频率系数以串行方式写入锁相环的16 b 可编程计数器, 从而改变输出频率.
本系统中频率分为三个频段: 5MHz～ 15MHZ, 15MHz～ 35MHz, 35MHz～ 70MHz, 其中5MHz～15MHz 和15MHz～ 35MHz 采用HF 模式, 35MHz～ 70MHz 采用FM l 模式. 通过以上两种方法的结
合, 实现5MHz～ 70MHz 频率范围的调节.
频率设定模块: 根据键盘输入的频率设定值, 计算出对应的程序分频系数或参考频率系数, 通过频
率控制模块实现设定频率输出.
信号电压采集处理模块: 用来采集经检波二极管半波整流、低通滤波后输出电压平均值, 再用软件
滤波、数值处理、标度转换, 得到信号电压峰- 峰值.
显示模块: 完成单片机片内显示缓冲器数据的显示, 并可以静态模式、闪烁模式二种方式工作, 以
方便用户操作. 如频率设定时数据显示采用闪烁模式, 可使操作者对系统的状态和操作过程一目了然.
第三章设计结论及参考文献
本文讨论的基于锁相环的高稳定高频正弦波信号发生器, 与由紧密函数波形发生器MAX038 组成
信号发生器相比, 具有电路简单、可扩展、成本低等优点, 尤其在频率稳定度和输出频率范围的性能
更优, 具有很大的实用价值. 经实验测试, 输出正弦波形无失真、幅值稳定, 频率稳定度达到10- 6, 调节
频率范围5MHz～ 70MHz, 利用单片机的预留IöO 口线, 可方便地扩展频段, 把输出频率扩展到150
MHz, 非常适用于实验教学和科研工作.
参考文献:
[1 ]熊飞丽, 王光明, 刘国福. 多功能智能函数信号发生器的设计[J ]. 测控技术, 2003 (4) : 9- 12. Xiong F L , W ang GM , L iu G F. Design of Intelligent Signal Generato r w ithM ult ip le Funct ions[J ]. M easurement
& Cont ro l Techno logy, 2003 (4) : 9- 12. (in Ch inese)
[2 ]Hangzhou SilanM icroelect ronics Co L TD, SC9257 Data Book [Z ]. Hangzhou, 2001.
[3 ]曾秉雯, 刘乃安, 陈健. 高频电路原理与分析[M ]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2001.
78 测试技术学报2005 年第1 期。