基于锁相环的频率合成器设计和显示

程 伟，张启军

（湖北科技学院 电子与信息工程学院，湖北 咸宁 437100）

0 引言

众所周知，频率合成技术在电子设计领域里扮演着非常重要的角色。在一些高端电子设备系统如通信、雷达、测控、仪器表等电子系统都包含有频率合成技术。如果没有频率合成技术，微处理器处理数据的能力至少要慢几十个甚至上百个节拍，远远达不到现代社会对处理数据高标准的要求，也无法实现高速信息化产业的建设［1］。

1 系统方案设计与论证

频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。并且输出频率的准确度不逊于前两种，因此采用锁相频率合成。

晶体振荡器输出的信号频率f1，经分频后（M分频）得到基准频率，输入锁相环的相位比较器（PC）。锁相环的VCO输出信号经可编程分频器（N分频）后输入到PC的另一端，这两个信号进行相位比较，当锁相环路锁定后得到：f1／M＝f2／N，当N变化时，或者N／M变化时，就可以得到一系列的输出频率f2。然后把f2输入到单片机的管脚，采用外部中断的方式进行脉冲，把数据显示在数码管上［2］。系统原理框图如下：

图1 系统原理框图

2 主要电路设计

2.1 1K信号源的设计

在信号源设计中，采用了16M的有源晶振。16M有源晶振在压电效应下产生频率为16M的正弦波，然后经74hc04缓冲，再经CD4060分频8000次，从而得到了2K的信号源。

图2 信号源线路图

2.2 频率合成电路设计

锁相环CD4046的工作原理简介：输入信号fi从CD4046的14脚输入后，经内部放大器进行放大、整形后加到相位比较器的输入端，而相位比较器将从3脚输入的比较信号f0与输入信号fi作相位比较，从相位比较器输出的误差电压则反映出两者的相位差φ经R1、R2及C1滤波后得到控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，从而调整VCO的振荡频率f1，使其接近fi。

在频率合成部分中，将CD4017的RESET（15脚）分别接“2”、“3”，……“9”，则4017就成为“二”、“三”、……“九”等分频器，将VCO的振荡频率经可预置分频器CD4017，就可以组成了2～9KHz的频率合成器。

图3 频率合成线路图

2.3 单片机显示电路设计

经锁相环CD4046的4管脚出来的脉冲信号直接输入到单片机的外部计数器T1，用T0做定时器定时1秒计外部脉冲个数，再把得到的数据用数码管显示出来［3］。

图4 单片机显示电路设计图

3 系统软件工作流程图

系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现测量和显示功能。

图5 软件工作流程图

4 系统调试

用示波器测得信号源的频率为1.96K幅值为5.0v的稳定方波信号。切换分频比，得到的显示数据如下：

分频比 显示（k） 误差1：1 2.25 14%2：1 3.91 -0.26%3：1 5.87 -0.17%4：1 7.83 -0.13%5：1 9.78 -0.2%6：1 11.7 -0.5%7：1 13.7 -0.15%8：1 15.6 -0.5%9：1 17.6 -0.23%

从以上数据可以分析，通过切换CD4017的分频比，基本上得到了设计的要求，不足之处在于显示的数据和理论值之间稍微有点偏差，究其原因，一是经分频得到的信号源频率不是特别精确，二是锁相环CD4046输出频率的准确度及分辨率不是很高。

［1］王福昌.锁相技术［M］.武汉：华中大学出版社，2009.

［2］杨 阳，罗 马.基于锁相环的十二脉冲整流触发电路［J］.青岛大学学报（工程技术版），2012，27（3）：12-15.

［3］郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2009.