摘 要 本设计的任务是利用锁相技术中的频率合成技术为单工民用电台设计一个频率精度高，分辨率满足电台要求等优良性能的锁相频率合成器。该频率合成器具有较高精确度和稳定度。采用单片机AT89C51对频率合成器进行运算和控制，介绍了硬件结构和软件实现方法，可以实现置频、取频、空闲频道搜索等功能。本文在研究频率合成技术和锁相环基本原理的基础上，分析了锁相式频率合成器组成电路中各部件对环路输出信号的影响，设计了以一个中规模单片集成锁相环频率合成器芯片MC145106为基础的锁相环实现频率合成的方案。
关键词 频率合成器；锁相环路；鉴相器；环路滤波器；压控振荡器； 相位噪声；分频器
中图分类号TN924 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）59-0135-02
0 引言
频率合成器是决定电子系统性能的关键设备，随着电子技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。本文在研究频率合成技术和锁相环基本原理的基础上，设计了以一个中规模单片集成锁相环频率合成器芯片MC145106为基础的锁相环实现频率合成的方案。
本方案是利用锁相技术中频率合成技术为单工民用电台设计一个频率精度高，分辨率满足电台要求等优良性能的锁相频率合成器。
1 锁相环路的构成及工作原理
目前频率合成器的基本方法有三种，即直接频率合成（DFS）、锁相频率合成（PLL）和直接数字频率合成（DDS）。三种方法各有特点和适用性，其中最主要是锁相频率合成技术，是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，这种电路称锁相频率合成器。
1.1 锁相环路的基本构成
锁相环（PLL）是由鉴相器（PD），环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成自动相位控制系统。其中鉴相器是一个相位比较电路，实现相位—电压的转换。环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除误差信号Ue（t）中的高频成分及噪声，增加系统的稳定性。压控振荡器是一个电压—频率（相位）变换电路，使振荡频率向参考频率靠拢。
1.2 锁相环路的工作原理
锁相环路（PLL）是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间相位进行比较，达到同频率,实现跟踪信号频率漂移。
锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定。
2 频率合成器的具体设计和实现
2.1 单片集成锁相环频率合成器芯片MC145106
2.1.1 MC145106的引脚功能
各引出端的功能介绍如下：（如图1）
1：VDD 正电源输入端，+4.5V~+12V；
2：fin程序分频器的信号输入端；
3、4：参考振荡器的信号输入端，接10.24MHz晶体；
5：/2out参考振荡频率二分频输出端；
6：FS参考分频器分频比选择端。FS=“1” 时，鉴相频率为10kHz，在此电路中接“0”，鉴相频率为5kHz，故程序分频器最小步进0.005MHz；
7：三态鉴相器输出端；
8：锁定指示输出端；
9~17：程序分频器二进制码预置端，悬空为“0”。程序分频比设置范围3~511；
18：VSS接地端。
2.1.2 MC145106的内部结构及其功能
MC145106是CMOS、MSI电路，图1示出MC145106的方框图，电路图包含有参考振荡器，参考分频器，程序分频器和鉴相器。只要外接环路滤波器和压控振荡器，就组成一个锁相环频率合成器。参考晶振接在3、4两端，在民用波段收发信机中通常工作在10.24MHz上，经÷2分频后，得到5.12MHz信号，加到参考分频器上，参考分频比为2或2，由FS选择：当FS端接“1”时，参考分频比为2，鉴相频率为10kHz；反之，当FS端接“0”时，参考分频比变成2，鉴相频率则为5kHz。程序分频器最高工作频率在4.5MHz左右。
程序分频比为3~（2-1），用二进制码置定，加在预置端P0~P8 上的二进制码与分频比N的关系如3-1所示。压控振荡器输出的信号加在2端。7端为鉴相器输出端。当反馈信号频率高于参考鉴相频率时，7端输出为高电平；当反馈信号频率低于参考鉴相频率时，7端输出为低电平。8端为锁定检测指示端，当环路失锁时8端输出低电平。5端输出经过÷2的参考晶振频率，供产生收发信机其它所需频率之用。上述电路非常适合在民用波段应用，一般单环频率合成可得到频率间隔=25kHz或50kHz的数十至二、三百个波道。
2.2 压控振荡器的设计
2.2.1 压控振荡器的特性
压控振荡器是一个电压—频率变换装置，在环中作为被控振荡器。它具有线性控制特性，基本要求：频率稳定度好；控制灵敏度高；控制特性的线性度好；线性区域宽等。选用的MC1648为单片集成压控振荡器芯片，可以实现输出频率稳幅。
2.2.2 方案论证与比较
压控振荡器的形式有多种，以下有三个方案：方案一采用变容二极管的传输特性来实现，应用中非线性的控制特性会使控制灵敏度下降。在方案二中通过增加一个电容与振荡回路并联来实现，但工作的线性区域较小。而方案三采用一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连来提高压控线性，使VCO的压控灵敏度在波段内比较均匀。本设计采用方案三。
这次设计的压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管1SV149以及LC谐振回路构成。为达到最佳性能，要求并联谐振回路的QL≥100。电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在10.24MHz。
2.3 有源低通滤波器的设计
有源滤波器采用运算放大器LM324，同样为间隔5kHz的89个频率。而发射状态与接收状态之间频率间隔为0.015MHz(15kHz)为2个频率。则加起来一共有180个频率。
3 控制系统的软硬件设计
3.1 控制系统的硬件设计
控制系统硬件结构原理：单片机AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入/擦除解1 000次；8155为集成扩展I/O，用其扩展端口与显示器、键盘进行接口；7404、7407为集成显示驱动器，用以驱动数码管显示正确的字符；单片机由键盘接收频率值并由数码管显示信息，通过P1口把控制代码送到MC145106中，从而调节频率合成器的输出频率，将参数用LED显示出来。
3.2 控制系统的软件设计
系统软件设计本着面向使用、控制原则，其主要目标是：1）使用十进制数字控制，能以直接键入目标频率的方式控制；2）能以步进方式控制频率的增减。
4 结论
1）通过了解锁相技术中的频率合成技术的基础知识，选择最适合于本设计电路的集成锁相环路芯片；
2）为提高压控振荡器的线性性能，对压控振荡器选择出最佳方案；
3）通过掌握单片机的知识，了解芯片特性和工作原理，合理地选择单片机。
参考文献
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