基于AT89C51的锁相频率合成器的设计

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。

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。

锁相环是个相位误差控制系统。

它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相。

所谓全数字锁相环路就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器数字环路滤波器数控振荡器构成的锁相环路。

本文采用锁相式频率合成的实现方法，实现中必须解决的关键技术问题是减小相位噪声，以满足用户提出的较为苛刻的相位噪声指标。

本课题是设计个由单片机定时计数器及单片机集成锁相环路组成的可程控频率合成器，所以设计过程会涉及到锁相环路频率合成器和单片机方面的知识。

.锁相技术发展锁相原理在数学理论方面，早在年代无线电技术发展的初期就己出现。

年己建立了同步控制理论的基础。

年贝尔赛什第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。

进入年代，随着空间技术的发展，由杰斐和里希廷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。

在年代，维特比研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了“相干通信原理”书。

到年代林特塞和查利斯进行了有噪声的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。

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。

.锁相技术的特点锁相环路处于正常工作状态时，有如下基本特点.可以实现理想的频率控制。

由于锁相环路包含有个固定积分环节环路输出无剩余稳态频差存在。

.良好的窄带载波跟踪特性。

当压控振荡器输出频率锁定在输入频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，而绝大部分干扰会受到环路滤波器的低通特性的抑制，就相当于个窄带的高频带通滤波器。

.良好的调制跟踪特性。

锁相环路中的压控振荡器输出频率可以跟踪输入信号的瞬时变化，表现了良好的调制跟踪性能。

.门限性能好。

锁相环路不像般的非线性器件那样，门限取决于输入信噪比，而是由环路信噪比决定，较高的环路信噪比可取得较低的门限性能。

.易于集成化。

环路集成化与数字化为减小体积降低成本增加可靠性多用途提供了条件。

.频率合成的方法实现频率合成的方法很多，总的可分为相干合成和非相干合成两大类。

非相干合成就是利用多个独立无关的晶体振荡器作参考频率源来产生所需的频率。

相干合成就是由个高稳定度和准确度的标准信号源产生若干具有同稳定度和准确度的频率，这些频率与基准频率之间是完全相关的，各输出频率之间也是完全相关的。

相干合成按其型式分为三种直接式频率合成，锁相式频率合成和直接数字式频率合成，这三种不同的频率合成型式既体现了频率合成技术的发展过程，又各有优缺点。

直接合成法是最早被采用的频率合成法。

它利用倍频即乘法分频即除法混频即加法和减法及滤波，从单参考频率源产生多个所需的输出频率。

优点是不同频率间的转换时间很短和具有很好的频率分辨率缺点是不能产生大量的输出频率，杂散分量多，对滤波和屏蔽的要求很高，功率相当大。

这种方法现在很少使用。

直接数字式频率合成是种近年发展起来的新的频率合成技术，是从相位的概念出发进行频率合成的。

它采用了数字取样技术，将参考信号的频率相位幅度等参数转变为组取样函数，然后直接运算出所需要的频率信号，并把数字量形式的信号通过数模转换器转换成模拟量形式，在时域中完成频率合成。

其主要优点是转换频率的时间短可达级，频率相位和幅度均可实现程控缺点是输出信号的频率上限不够高，使其在高频段应用受限。

锁相式频率合成是种将锁相环原理应用于频率合成的方法。

其优点是由于锁相环相当于窄带跟踪滤波器，它具有良好的窄带跟踪特性，能很好地选择所需频率的信号，抑制寄生分量，而且避免了大量使用滤波器，有利于集成化和小型化此外，个设计良好的压控振荡器具有较高的短期频率稳定度，而高精度标准晶体振荡器则具有很好的长期频率稳定度，利用锁相环路把二者的优点结合在起，就使锁相式频率合成法能够提供长期稳定度和短期稳定度都比较高的信号输出缺点是频率转换时间比较大，由环路内噪声引起的输出信号相位抖动比较大。

.锁相频率合成器当前，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。

特别适合些特殊场合的应用。

串行数字锁相频率合成器体现了程序设计和锁相技术的结合。

这种合成器从总体结构上看由单片机锁相环及可编程分频器三部分组成。

其中可编程分频器是单片微机与锁相环之间的接口，同时也是组成数字锁相频率合成器的关键部件。

随着半导体工艺和集成电路技术的快速发展，出现了许多用于频率合成的大规模集成电路。

在这些大规模集成电路中，把频率合成器的主要部件如参考分频器程序分频器鉴相器锁定指示器甚至微处理器等集成在同芯片上。

再配上参考振荡器压控振荡器环路滤波器及高速前置分频器，即可构成完整的频率合成器。

这使得频率合成器的成本体积和功耗都大大下降，简化了设计和生产调试的复杂程度，而可靠性则明显提高。

锁相频率合成器高速前置分频器计数器鉴相器和控制逻辑组成。

高速前置分频器采用吞脉冲分频技术，通过模式选择确定对输出频率还是主计数器和参考计数器分别对双模前置分频器输出频率和参考频率进行分频辅助计数器用于模式选择控制逻辑鉴相器产生上下频率控制信号还具有鉴相频率检测时钟检测引脚。

各计数器的计数值可以通过串行或并行接口编程实现，也可以直接通过连线实现。

该芯片具有功耗低相位噪声低杂散小分频频率高编程灵活方便等优点。

主计数器输出频率和参考计数器输出频率即为鉴相频率，他们和输入频率参考频率的关系为，当环路锁定时，应有。

设计的频率合成器系统是通过串行口，来自单片机的频率控制字对集成锁相芯片的内部分频器进行设置，将所需频率进行次分频作为路鉴相输入，将参考频率进行分频作为另路鉴相输入，通过鉴相器后得到反映两路鉴相信号误差的输出和，和经过环路滤波器，对噪声和杂散等干扰进行抑制后得到的控制电压，控制工作，使输出频率锁定在改变单片机控制数据，可以选择不同的波道。

第二章锁相环路和锁相频率合成器的基本原理由于本文采用的频率合成方法是应用锁相环路的间接频率合成，因此首先要了解锁相环路的基本工作原理和基本构成部分才能进步的开展下步的工作。

.锁相环基本原理锁相环路是个相位差自动调节系统，首先给出图所示的最基本的锁相环方框图。

它包括三个基本部件，压控振荡器鉴相器和环路滤波器。

图基本锁相环方框图鉴相器是相位比较装置，所以有时也叫做相位比较器或相敏检波器。

它把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压。

环路滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率接近，也就是使差拍频率越来越低，直到消除频率差而锁定。

整个锁相环的工作原理，首先假设输入信号的角频率等于，而为的中心频率，也即控制电压时的频率。

此时相位差为零，那么鉴相器输出也为零，环路滤波器输出也必定为零。

因此输出频率必然为其中心频率。

如果输入信号的角频率不等于，那么鉴相器会产生非零输出，环路滤波器也将产生输出信号，这将使的中心频率朝着相差消失的方向变化。

现在假设输入信号频率在时刻突变，如图所示，输入信号的相位则开始偏离输出信号相位，两者之间产生相位差，并随时间而增大。

这时，鉴相器产生输出信号也随时间而增大，经环路滤波延迟后也增大，这就使得的频率提高，相位差减小，经段时间之后的频率将精确地等于输入信号的频率，其最终相位差将根据所使用的环路滤波器类型可能减小到零或很小的有限值。

显然，此时的工作频率比其中心频率高。

那么，环路滤波器输出最终应为，是的压控增益。

如果输入信号是个低频调制的调频信号，则环路滤波器输出就是解调出来的低频信号，因此锁相环可用作调频信号解调器。

锁相环的种奇特功能是可以抑制叠加在输入端的噪声，把深埋于噪声中的有用信号检测出来。

锁相环的这些功能，就在于它是控制输出信号相位的伺服系统。

图输出相位偏移图.锁相频率合成器的基本原理锁相频率合成器是由锁相环路构成的，锁相环是种相位负反馈系统。

锁相环实质是个相位误差控制系统。

通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。

在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，相位差势必直在变化，鉴相器输出的误差电压就在定范围内变化。

在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。

若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。

达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为固定值，环路就进入“锁定”状态。

它利用环路的窄带跟踪与同步特性，将鉴相器端的输出相位与另端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能。

同时可得到和参考源相同的频率稳定度。

个典型的锁相频率合成器的原理框图如图所示设晶振的输出频率为，的输出频率为，则它们满足公式其中和分别为参考分频器和主分频器的分频比，在外部设置并行或串行数据控制分频比，就可以产生出所需要的频率信号。

用锁相环构成的频率合成器具有频率稳定度高相位噪声小电路简单易集成易编程等特点。

图锁相环频率合成器的原理框图锁相环是传递相位的闭环系统，只要研究