FM调频发射机1系统设计.doc

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1、第二章 硬件电路设计2.1锁相环频率合成器电路设计 锁相技术是相位同步的自动反馈控制技术。它能使一个自激振荡器的振荡频率和相位受基准信号的控制，使振荡信号和基准信号在频率上保持相等，而相位保持某一个固定的最小值。锁相技术由锁相环（PLL）来实现。 频率合成技术是无线电技术中的一个较新的领域，它能将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加、减、乘、除的运算产生出同样稳定度和精度的大量 离散频率，目前，频率合成器和锁相环路已广泛地应用于通信、雷达、航天、航海、计算机、红外、激光、原子能、电视、立体声、自动控制、遥控遥测、遥感、精密测量仪器等技术部门。2.1.1锁相环路的组成锁相环的基本原理框图如图2.

2、1.1所示。锁相环路主要由晶振、参考分频器、压控振荡器（VCO）、鉴频/鉴相器（FD/PD）、低通滤波器（LPF）、可编程分频器组成。它是应用数字逻辑电路将VCO频率一次或多次降低至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，通过低通滤波器取出误差信号来控制VCO的频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。设计采用了大规模单片集成锁相环频率合成器MC，将图中的参考振荡器、参考分频器、鉴相器、可编程分频器都集成在一个芯片中，不需要再单独设计。通过单片机设置或改变MC内部可编程分频器的分频系数A、N从而改变发射频率。 图2.1.1 锁相环基本原理框图2.1.2 数字鉴频鉴相原理及设计2.1.2 压控

3、振荡器的设计压控LC振荡器主要由压控振荡芯片MC1648、变容二极管MV209以及LC谐振回路构成。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能，在工作频率要求并联谐振回路的QL100。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,振荡器的输出频率随加在变容二极管上的电压大小改变而改变。 图2.1.1为MC1648的内部电路图。图2.1.2为压控振荡电路图。图2.1.1 压控振荡电路图 图2.1.2 MC1648内部电路图压控振荡电路由芯片内部的Q8、Q5、Q4、Q1、Q7和Q6，10脚和12脚外接LC谐振回路（含MV209）组成正反馈（反向720

4、）的正弦振荡电路。其振荡频率由式2.1计算。 (2.1)其中。VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大电路放大后输出。该芯片的5脚是自动增益控制电路（AGC）的反馈端。将功率放大器输出的电压Vout1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定在1V0.1V。在输入信号电平变化时，AGC电路用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变。结合MC1648的内部电路图，可以得到：当输出电压高于1V时，二极管D1反偏，电压为负，使Q8的基极电压减小，集电极电压增大，这样Q7的Vbe减小，电压放大倍数减小，使得输出电压Vout1也减小，

5、稳定在1V0.1V。另外在输出部分增加了变压器耦合，使得输出电压进一步稳定。VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。图2.1.3为变容二极管的测试图。可利用图中(a)所示的测量电路来测变容二极管MV209的压容特性。(b)为其压容特性和压控振荡器的压控特性示意图。从图中可见变容二极管的反偏电压从VdminVdmax变化，对应的输出频率范围是fminfmax。在预先给定L的情况下，给变容二极管加不同的电压，测得对应的谐振频率，从而可以计算出Cd的值。减小谐振回路的电感感抗，改变电容容量，不需要并联二极管即可很容易地实现频率扩展，在实验中利用该方法用单管电感，绕6圈，曾使输出达到87M

6、Hz以上。 图2.1 变容二极管特性测试电路 图2.2 Matlab计算得到的变容二极管特性曲线2.2.3 低通滤波器低通滤波器由运放LM358和RC电路组成。其电路图如图2.2.4所示。低通滤波器用于滤除鉴相器输出的误差电压中的高频分量和瞬变杂散干扰信号，以获得更纯的控制电压，提高环路稳定性和改善环路跟踪性能和噪声性能。锁相稳频系统是一个相位反馈系统，其反馈目的是使VCO的振荡频率由自有偏差的状态逐步过渡到准确的标准值。而VCO如做调频源用，其瞬时频率总是偏离标准值的。锁相环路只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使其中心频率锁定在设定的频率上。因此，输出

7、的调频波的中心频率稳定度很高。根据式2-2可计算出低通滤波器的截止频率f0，一般情况下该截止频率值小于10Hz。2.2.2 前置分频器由于一般可编程分频器只能工作到几十兆赫兹，更高频率时需要在VCO与N分频器之间再加上一个前置分频器。前置分频器和MC中的A和N计数器一起构成一吞脉冲程序分频器。图2.2.3为其工作示意图，其中(a)是P/P+1前置分频器方框图，(b)是吞咽脉冲计数的示意图。选用的是集成芯片MC12022，分频比为P=63和64。MC12022受控于吞咽计数器的分频比切换信号，也就是模式选择信号M。当M为高电平时，分频比为P+1，低电平时为P。MC内的N和A计数器均为减计数器，当

8、减到零时，A计数器输出由高变低，N计数器减到零时输出一脉冲到FD/PD并同时将预置的N和A重新置入A和N计数器。利用这种方法可以方便地使总分频比为连续数，总分频比为D=PN+A。 (a)P/P+1前置分频器方框图 (b)吞咽脉冲计数示意图图2.2.3 吞咽式脉冲计数原理图2.2.2大规模集成PLL芯片MC简介。MC是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块采用并行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOSLSI锁相环频率合成器。图2.2.2为其内部组成框图。MC内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(128 ROM参考译码器和12bitR计数器)、双端输出的鉴相器、

9、控制逻辑、10位可编程的10bitN计数器、6位可编程的6bitA计数器和锁定检测等部分。其中，10bitN计数器、6bitA计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：D=PN+A。（A的范围063，N的范围01023）。由此可以计算出频率和A、N值的对应关系，利用FPGA控制器改变其值，便可达到改变输出频率的目的。 图2.2.2 MC内部结构图 参考分频器是为了得到所需的频率间隔而设定的。频率合成器的输出频谱是不连续的，两个相邻频率之间的最小间隔就是频率间隔。在MC中，外部稳定参考源由OSCin输入，经12位分频将输入频率R，然后送入FD/PD中。R值由RA0、RA1、RA2上的电平决定，只有8个值可选，分别为8、64、128、256、512、1024、1160、2048。在设计中，可通过改变R值来改变步进。鉴相器的作用实际上相当于一个模拟乘法器。鉴相器将参考分频器出来的很稳定的步长信号和压控振荡器产生的频率经可编程分频之后得到的不稳定的频率信号进行比较，输出为两者之间的相位差。低通滤波器将其中的高频分量滤掉。22频率测量电路的设计23功率放大电路的设计24输出电压峰峰值测量电路设计25键盘显示及控制电路设计26稳压电源电路的设计