基于单片机的锁相环频率合成器设计毕业设计

基于单片机的锁相环频率合成器设计毕业设计

目录

摘要 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。Abstract ..................................................................................................... 错误！未定义书签。1绪论 .. (1)

1.1 设计背景及意义 (3)

1.2 锁相环频率合成器综述 (3)

2基于单片机的锁相环频率合成器方案设计与论证 (4)

2.1 课题研究的内容与要求 (4)

2.2 方案的设计与选择 (4)

2.3 设计原理 (5)

2.3.1 锁相环基本原理 (6)

2.3.2 锁相频率合成器的基本原理 (8)

3 基于单片机的锁相环频率合成器设计方案 (10)

3.1 硬件系统的设计 (10)

3.1.1 74HC4046 (10)

3.1.2 CD4522 (15)

3.1.3 LCD1602 (16)

3.1.4 AT89C51单片机 (18)

3.2 软件系统设计 (22)

3.2.1 软件系统主程序流程图 (22)

3.2.2 键盘扫描流程图 (23)

3.2.3 脉冲计数流程图 (24)

4 电路仿真 (25)

4.1 仿真软件介绍 (25)

4.1.1 proteus (25)

4.1.2 Keil编译软件 (26)

4.2 硬件电路仿真 (27)

4.2.1 锁相环模块 (27)

4.2.2 4522分频器模块 (28)

4.2.3 单片机模块 (29)

4.2.4 显示及按键模块 (30)

结论 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录 (34)

附录A High Speed Digital Hybrid PLL Frequency Synthesizer (34)

Abstract (34)

INTRODUCTION (34)

DH-PLL synthesizer (35)

Simulation results and discussion (36)

Conclusion (37)

REFERENCES (37)

附录B 高速数字混合锁相环频率合成器 (37)

摘要 (38)

1简介 (38)

2.DH-PLL合成器 (38)

3 仿真结果与讨论 (39)

4 结论 (39)

参考文献 (40)

附录C 程序代码 (40)

附录D 仿真结果 (44)

1绪论

锁相环路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。锁相环路有其独特的优良性能，它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可作提供一系列频率高稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。70 年代以来，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件，这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。

锁相原理在数学理论方面，早在 30 年代无线电技术发展的初期就己出现。1930 年己建立了同步控制理论的基础。1932年贝尔赛什(Bellescize)第一次公开发表了锁相环路的数学描述，用锁相环路提取相干载波来完成同步检波。到了 40 年代，电视接收机的同步扫描电路中开始广泛地应用锁相技术，使电视图像的同步性能得到很大改善。进入50年代，随着空间技术的发展，由杰斐(Jaffe)和里希廷(Rechtin)利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功,并首次发表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章，同时解决了锁相环路最佳化设计问题。在 60 年代，维特比(Viterbi)研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题,并发表“相干通信原理”一书。到70年代林特塞(Lindscy)和查利斯(Charles) 进行了有噪声的一阶、二阶及高阶锁相环路的非线性理论分析，并作了大量实验以充实理论分析。

当前，随着数字技术的发展及微控制器在电子系统中的广泛应用，在很大程度上改变了传统的设计方法，数字频率合成技术的应用也日益广泛。数字频率合成器应用于通信设备中，使得工作频率的选择变得极为简单而又精确。并且随着大规模集成电路（LSI）技术和单片微机技术的迅速发展，大大促进了数字锁相频率合成器集成化程度的提高和体积的缩小，满足了通信设备的高集成度和超小型化的要求。特别适合某些特殊场合的应用。

AT89C51 单片机是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，

高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，AT89C51 单片机与工业标准的 MCS­51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 单片机是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

锁相环路具有许多优良特性，它可用于频率合成与交换、自动频率调谐、模拟和数字信号的相干解调、AM 波信号的同步检波、数字通信中的位同步提取、锁相稳频、锁相倍频与分频、锁相测速与测距、锁相 FM (PM)调制与解调、微波锁相频率源及微波锁相功率放大器等。目前，锁相环路的理论研究正日臻完善，应用范围遍及整个电子技术领域。现在锁相环路正向着集成化、数字化、多用途、系列化、高速度、高性能方向迅速发展且商品化集成锁相环路日益增多，为锁相技术应用提供了广阔前景。

本系统环路输入端由高稳定度和高准确度的晶体振荡器经参考分频器分频后,输出基准频率,然后利用锁相环路良好的窄带跟踪特性,使压控振荡器的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上,环路芯片CD4046设有程序分频器和参考分频器,可由单片机AT89C51来编程控制,并可通过改变单片机程序,利用所提供的N,R值,来求高性能的输出频率fo。当环路锁定时，输出频率可由正式计算出。

本锁相环频率合成技术主要以模拟电路形式出现，已经成为一种成熟的频率合成技术，出现了大量的可编程控制的高集成度产品，所以在频率合成器的设计中，环路滤波器的设计成为重点，这样，对环路滤波器的分析变得重要。通过对设计产品的输出频率相位噪声、杂散输出和转换时间的理论分析，可以尽可能地设计出高质量的产品。随着数字技术的发展，直接数字频率合成技术(DDS)越来越受到重视，和模拟的技术相比较，DDS 具有高分辨率和快速频率转换时间的优势，但在高频输出和对寄生噪声、杂波的抑制方面还有不足，所以，目前出现了 DDS 和 PLL混合设计的频率合成技术。

基于锁相环的间接频率合成技术，又称锁相式频率合成技术，是在四十年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，它利用锁相技术实现频率的加、减、乘、除，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系列非线性器件，产生大量的谐波或组成频率，然后用锁相环把压控振荡器的频率锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。