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基于单片机的锁相环频率合成器设计

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基于单片机的锁相环频率合成器设计

摘要：

本文介绍了一种基于单片机的锁相环（PLL）频率合成器设计。该频率合成器采用了数字式频率合成技术，可实现在1MHz至40MHz的频率范围内的频率锁定。系统采用C8051F340单片机作为主控芯片，通过程序控制实现倍频器、除频器和加减频器的频率合成，而将合成后的频率与参考信号进行比较并通过反馈控制调整产生高精度、稳定的合成信号。实验测试表明，该频率合成器具有良好的稳定性和合成精度。

关键词： 锁相环，频率合成器，单片机，数字式频率合成，反馈控制

Abstract:

This paper describes a design of phase-locked loop (PLL)

frequency synthesizer based on single-chip microcontroller.

The frequency synthesizer integrates the digital frequency

synthesis technology and can achieve frequency lock within

the frequency range of 1MHz to 40MHz. The system uses

C8051F340 single-chip microcontroller as the main control

chip, which controls the frequency synthesis of the

multiplier, frequency divider and adder/subtractor through

programming. The synthesized frequency is compared with the

reference signal and feedback control is used to adjust the

generated frequency to achieve high-precision and stable

synthesis signal. Experimental tests show that the frequency

synthesizer has good stability and synthesis accuracy.

Keywords: Phase-locked loop, frequency synthesizer,

single-chip microcontroller, digital frequency synthesis,

feedback control 正文：

引言

锁相环（PLL）频率合成器是一种常用的高频信号源。它具有频率合成范围广、调整速度快、合成精度高、噪声低等优点。锁相环（PLL）由锁相环比较器、低通滤波器和VCO（Voltage Controlled

Oscillator）构成。它采用反馈控制的方式将参考信号和VCO输出信号相位和频率锁定，从而产生稳定的输出信号。

在设计上，频率合成器涉及到模拟技术的应用。模拟技术需要高精度、高性能的电路设计，而数字技术则是解决高频精度和稳定性的有效手段。例如，在数字式频率合成技术中，通过可编程的数字乘法器、除法器和加减法器实现了高精度的频率合成。

本文介绍了一种基于单片机的锁相环频率合成器的设计。在该设计中，数字技术被广泛应用，通过单片机的程序控制实现倍频器、除频器和加减频器的合成。同时，频率合成器使用反馈控制实现精度和稳定性的调整。在实验和测试中，该频率合成器达到了较好的合成精度和稳定性。

设计方案

设计方案中主要需要考虑以下几个方面的问题：锁相环比较器、低通滤波器和VCO、倍频器、除频器和加减频器、单片机程序设计、反馈控制逻辑等。

1.锁相环比较器

锁相环比较器的功能是将参考信号和VCO频率信号进行比较，将比较结果转化为相位误差，再通过低通滤波器输出控制信号控制VCO频率的变化。锁相环比较器通常有模拟两种实现方式。模拟锁相环比较器需要高精度、高性能的放大器和运算放大器，而数字锁相环比较器则采用可编程数字比较器。在本设计中，数字锁相环比较器是采用的LM311芯片实现。

2. 低通滤波器和VCO

低通滤波器是为了使锁相环系统具有低噪声和良好的频率响应特性。低通滤波器采用了简单的RC低通滤波器，以去除高频噪声。VCO（Voltage Controlled Oscillator）是锁相环系统的核心部分，它的输出频率与待测信号的频率相同，可以通过变化控制电压调制输出频率。在本设计中，VCO采用9910型可编程数字信号发生器。

3.倍频器、除频器和加减频器

倍频器、除频器和加减频器是数字频率合成器中的主要部分，它们通过可编程数字乘法器、除法器和加减法器来实现频率的合成。在本设计中，倍频器采用CD4046型数字锁相环芯片来实现，除频器和加减频器自行设计并采用CD4017型分频器。

4.单片机程序设计

单片机程序设计主要用于控制频率合成模块的运行和反馈控制逻辑的实现。采用C8051F340单片机作为主控芯片，通过程序控制实现倍频器、除频器和加减频器的频率合成，并将合成后的频率与参考信号进行比较，通过反馈控制调整产生高精度、稳定的合成信号。

5.反馈控制电路

反馈控制电路是实现高精度、稳定频率合成的关键部分。通常需要包括环路滤波器和比较器两个部分。环路滤波器主要用于调整反馈信号的幅度和相位，使其与参考信号的幅度和相位保持一致；比较器用于比较参考信号和合成信号的相位误差，并根据比较结果控制VCO的变化，以达到锁相的目的。在本设计中，反馈控制电路采用了LM324运放，实现锁相环的反馈调整。

实验结果

本文所述的锁相环频率合成器的实验结果表明，该频率合成器的合成精度和稳定性良好，能够在1MHz至40MHz频率范围内实现频率锁定。实验测试结果如下：

当参考输入信号频率为1MHz时，合成输出信号的频率为30MHz，合成频率误差小于1%；当参考输入信号频率为10MHz时，合成输出信号的频率为20MHz，合成频率误差小于0.5%.

结论

本文设计的基于单片机的锁相环频率合成器采用了数字式频率合成技术和反馈控制的手段，能够实现在1MHz至40MHz频率范围内的频率锁定，并具有高精度、稳定性良好等特点。该设计方案在实验中已经得到验证，可广泛应用于实际高频电路的设计中。 将来需要做的工作:

1.进一步优化系统的噪声指标，提高合成系统的性能和精度。

2.研究控制算法的优化，提高设计方案的反馈控制精度和速度，以及系统抗干扰能力。

3.研究高频信号源新型的锁相环技术，探索新的锁相环设计思路及其应用。

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基于51单片机的频率合成设计论文

基于51单片机的频率合成设计论文

1 摘 要

本系统以51单片机为控制核心，由正弦信号发生模块、功率放大模块、调幅（AM）、调频（FM）模块、数字键控（ASK，PSK）模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生0Hz－30MHz正弦信号，经滤波、放大和功放模块放大至6v并具有一定的驱动能力。测试信号发生模块产生的1kHz正弦信号经过调幅（AM）模块、调频（FM）模块，对高频载波进行调幅或调频。二进制基带序列信号送入数字键控模块，产生二进制PSK或ASK信号，同时对ASK信号进行解调，恢复出原始数字序列。

另外，本系统从简单、调整方便、功能完备为出发点，基本实现了设计中的要求，波形输出较稳定，且精度较高。本设计还配备有LED显示屏、键盘，提供了友好的人机交互界面。

关键词：直接数字频率合成（DDS） AD9850 锁相环 VCO 调幅 调频 数字键控

ABSTRACT

This system is in the core of Micro-Processor , consist of sine signal generating

module, Power amplifier, Amplitude Modulator, Frequency Modulator, ASK/PSK

module and test signal generating module. The AD9850 controlled by Micro－Process in digital way to generate sine signal with the bandwidth 0Hz to 30MHz

adjustable per 1Hz. After processing by LPF & power amplifier, the output signal has

a peak value of move than 6V. The sine signal at 1 KHz was send to AM and FM

锁相环(PLL)频率合成调谐器

锁相环(PLL)频率合成调谐器

锁相环（PLL）频率合成调谐器

调谐器俗称高频头，是对接收来的高频电视信号进行放大（选频放大）并通过内部的变频器把所接收到的各频道电视信号，变为一固定频率的图像中频（38MHz）和伴音中频以利于后续电路（声表面滤波器、中放等）对信号进行处理。

调谐器（高频头）原理：

高频放大：把接收来的高频电视信号进行选频放大。

本机振荡器：产生始终高于高频电视信号图像载频38MHz的等幅载波，送往混频器。

混频器：把高频放大器送来的电视信号和本机振荡器送来的本振等幅波，进行混频产生38MHz的差拍信号（即所接收的中频电视信号）输出送往预中放及声表面滤波器。

结论：简单的说：只要改变本机振荡器的频率即可达到选台的目的）

一、电压合成调谐器：早期彩色电视接收机大部分均采用电压合成高频调谐器，其调谐器的选台及波段切换均由CPU输出的控制电压来实现（L、H、U波段切换电压及调谐选台电压），其中调谐选台电压用来控制选频回路和本振回路的谐振频率，调谐选台电压的任何变化都将导致本机振荡器频率偏移，选台不准确、频偏、频漂。为了保证本机振荡器频率频率稳定，必须加上AFT系统。由于AFT系统中中放限幅调谐回路和 移相网络一般由LC谐振回路构成，这个谐振回路是不稳定的，这就造成了高频调谐器本机振荡器频率不稳，也极易造成频偏、频漂。

二、频率合成调谐器

1、频率合成的基本含义：是指用若干个单一频率的正弦波合成多个新的频率分量的方法（频率合成调谐器的本振频率是由晶振分频合成的）。

频率合成的方法有很多种。下图为混频式频率合成器方框图

以上图中除了三个基频外还有其“和频”及“差频”输出（还有各个频率的高次谐波输出）。

输出信号的频率稳定性由基准信号频率稳定性决定，而且输出信号频率误差等于各基准信号误差之和，因此要想减少误差除了要提高基准信号稳定度之外还应减少基准信号的个数。

2、锁相环频率合成器：

其方框图类似于彩色电视接收机中的副载波恢复电路，只是在输入回路插入了一个基准信号分频器（代替色同步信号输入）而在反馈支路插入一个可编程分频器（代替900移相）。当环路锁定时存在如下关系：

基于MC145151-2PPL频率合成器的设计

基于MC145151-2PPL频率合成器的设计

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ・电力电子　基于ＭＣ１４５１５１－２　ＰＰＬ频率合成器的设计　文／雷少刚　ＭＣ１　４　５１　５１－２是一种大规模的　ＣＭＯＳ电路，是典型的数字锁相环　电路　它主要应用在频率合成、　无线测量、扫描接收无线移动通　讯等方面。本文介绍应用在频率　合成领域，利用ＭＣＩ４　５ｉ　５卜２的锁　相环特点，设定单一稳定频率源，　就可以产生多个稳定频点和稳定　的频率源，可以有效地解决无线　通信系统中同频干扰问题。　

【关键词】频率合成ＶＣＯ锁相环频率源分　频器　随着移动通信、雷达技术以及遥测、遥　感测控技术不断发展，各种系统对频率源的要　求越来越高，不但要求频率稳定度和准确度高，　而且还要求能方便的改变收发频率。特别是无　线电移动通信行业，同频干扰问题日益突出，　无论那种移动通信，都采用多信道通信方式，　尽可能避免同频干扰。这就要求通信设备不但　能及时改变自己的载波频率，而且根据设定参　数产生多个稳定频率点。目前工程上大量使用　的频率合成器是采用石英晶体作为信号源，采　用固定分频或可编程分频器、倍频器来实现系　统对频率的要求。尽管石英晶体振荡器具有很　高的频率稳定度和准确度，但是它的频率点只　是单一的，只能在很小的频段范围内进行微调，　因此不能满足工程的需求。利用锁相环电路的　窄带跟踪特性与一个或多个石英晶体振荡器标　准频率源相组合，就能产生与标准信号源有相　同的频率稳定度、准确度的众多频率点。　１　ＭＣ１４５１５１－２锁相环简介　ＭＣ１４５１５１－２是一块双列直插式ＣＭＯＳ大　规模集成电路，由４位总线输入、锁存器选通　和地址编码的集成数字锁相环。如图２所示。　内含３个计数器、分别为；１４位／Ｎ计数器、　７位／Ａ计数器组成的脉冲程序分频器、１４位／　Ｒ为计数器参考频率分频器。另外内部集成了　参考振荡器和可选参考频率分频器。工作电压　范围３－９Ｖ；２路鉴相器信号输出，其中一路　ＰＤｏｕｔ是鉴相器Ａ的输出，中Ｒ和　Ｖ是鉴相　器Ｂ输出，为鉴相误差信号，ＬＤ用于输出相　位锁定信号；其中，ＲＡ０、ＲＡ１、ＲＡ２时输　入控制参考分频器，共８种分频比选择。　图一１基本锁相环频率合成器组成框图　广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一１　广一一一一一一一一一一一一一一一１　：ＲＡ２　ＲＡ１　ＲＡｏ　Ｍｃ１４５１５１—２　：　：　ＭＡＸ３０８　；　

基于单片机控制的高性能数字频率合成器的设计

基于单片机控制的高性能数字频率合成器的设计

第２８卷第９期　２００７年９月　湖南科技学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．２８　ＮＯ．９　Ｓｅｐ．２００７　

基于单片机控制的高性能数字频率合成器的设计　

张新安　

（湖南科技学院电子工程与物理系，湖南　永州４２５１００）　

摘要：介绍频率合成器的结构和工作原理，并给出一种由单片机８０Ｃ３ｌ控制、采用大规模数字频率合成器集成电路　ＭＣ１４５１５ｌ和波形产生电路ＭＡＸ０３８实现的高性能数字频率合成器的设计方案。　

关键词：频率合成；锁相；分频：鉴相器　中图分类号：ＴＮ９１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－２２１９（２ｏｏ７）０９—００２５一Ｏ４　

１频率合成器简介　

在现代电子技术的各个领域，经常需要使用高精度且频率可方便调节的信号源。尤其是随着电视技术和通信技术的发展，　

频道的分布日趋密集，要求有高精度、高稳定度的通信频率。用常规的信号发生器已无法满足要求。为此，人们提出频率合　成器的设计方案。　

１．１频率合成的原理　

频率合成是指对一个高精度和高稳定度的标准信号频率，经过一系列算术运算，产生有相同精确度和稳定度的大量离散　

频率的技术。虽然只要求对频率进行算术运算，但是由于需要大量的有源和无源器件，使频率合成系统相当复杂，这项技术　的发展一直缓慢。直至电子技术高度发展的今天，微处理器和大规模集成电路的大量使用，频率合成技术才有迅速的发展，　

并得到广泛应用。　

１．２锁相频率合成器　

频率合成器有多种方法实现，其中利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路，称为锁相　频率合成器。由于锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定　

度与基准频率相同。这些优点使其成为当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，　

使频率合成器实现更方便，性能更好。　锁相频率合成器的原理框图如图ｌ所示。其基准频率通常由相对频稳度为ｌ０ｒ６的晶体振荡器产生，经Ｍ倍分频后提供