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摘 要
本系統(tǒng)采用STC89C51為主控器件，采用鎖相環(huán)頻率合成芯片ADF4110、三階RC低通濾波器和壓控振蕩芯片MAX2606實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的本振源，產(chǎn)生本征頻率在90MHz～110MHz的恒定正弦信號(hào)；采用乘法器AD835實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)幅度的調(diào)整；同樣采用AD835實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)與本征信號(hào)的混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波得到混頻后的低頻量由單片機(jī)上的ADC進(jìn)行采樣，能在80MHz～100MHz頻段內(nèi)掃描并顯示信號(hào)頻譜和主信號(hào)頻率，并且夠測(cè)量全頻段內(nèi)部分雜散頻率的個(gè)數(shù)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了題目要求的全部功能，且人機(jī)交互友好。
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) ；ADF4110；頻譜儀；
一、方案論證
（一）方案比較與選擇
1.基于鎖相環(huán)的本振源
方案一：采用MC145152+MC12022+MC1648L構(gòu)成的鎖相環(huán)電路
MC145152芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片，需要配合前置分頻器MC12022和壓控振蕩器MC1648及環(huán)路濾波器共同組成穩(wěn)定的鎖相環(huán)頻率合成電路，最高可以達(dá)到225MHZ的輸出。
方案二：采用ADF4110+MAX2606構(gòu)成的鎖相環(huán)路。
ADF4110芯片是ADI公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成了數(shù)字鑒頻鑒相器和編程預(yù)分頻器的PLL芯片，其最高工作頻率可達(dá)550MHz,集成度高，只需外接一個(gè)環(huán)路濾波器和VCO即可完成一個(gè)完整的鎖相環(huán)系統(tǒng)，VCO選擇MAX2606，輸出頻率為70-150MHz，滿足題目要求。
方案選擇：方案一外圍電路更為復(fù)雜，增大了調(diào)試難度；方案二中電路集成度高，而且所有參數(shù)都通過(guò)三線接口實(shí)時(shí)配置調(diào)整，芯片體積，消耗功率都更小。綜合考慮，選擇方案二。
2.混頻電路
方案一：三極管混頻電路。利用三極管的非線性特性，本征信號(hào)和被測(cè)信號(hào)通過(guò)三極管混頻電路產(chǎn)生不同組合的頻率分量，再通過(guò)LC中頻帶通濾波實(shí)現(xiàn)混頻
方案二：采用模擬乘法器AD835。其基本功能是實(shí)現(xiàn)W=XY+Z，該乘法器芯片可以實(shí)現(xiàn)250MHz 范圍內(nèi)信號(hào)的混頻。將本振信號(hào)和輸入信號(hào)相乘得到二者頻率的和差信號(hào)，達(dá)到混頻的效果
方案選擇：由于方案億中用到了分立元件三極管，電路中容易產(chǎn)生非線性失真，同時(shí)，相對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，該電路性能也不是很穩(wěn)定。方案二外圍電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，而且電路性能要優(yōu)于采用三極管實(shí)現(xiàn)的混頻器電路，因此，采用方案二實(shí)現(xiàn)混頻。
（二）系統(tǒng)方案描述
系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由基于鎖相環(huán)的本振源、混頻器、低通濾波器，頻譜測(cè)量幾部分組成。由PLL芯片ADF4110，VCO芯片MAX2606等組成的鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生本振信號(hào)，經(jīng)過(guò)乘法器實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)后輸出80~110Mhz ,幅度在10~100mV的信號(hào)。在本振信號(hào)輸出后加一級(jí)10倍的固定增益放大電路，放大后的本振信號(hào)和信號(hào)源產(chǎn)生的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器混頻后，再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量，單片機(jī)AD采樣經(jīng)過(guò)LPF的信號(hào)后根據(jù)幅值大小將信號(hào)頻譜及中心頻率顯示在屏幕上。
圖1 系統(tǒng)方案框圖
二、理論分析與計(jì)算
（一）系統(tǒng)原理
1.鎖相環(huán)頻率合成原理
鎖相環(huán)式數(shù)字頻率合成信號(hào)的原理如圖2框圖所示：
圖2鎖相環(huán)式數(shù)字頻率原理
設(shè)晶振輸出頻率為fr,要求的頻率分辨率為△f。
由 fo=
則 △f=fo(n+1)-fo(n)= -=
fmin <fo <fmax Nmin<N<Nmax
即通過(guò)單片機(jī)改寫(xiě)寄存器的數(shù)據(jù)值，來(lái)改變分頻系數(shù)即可得到不同的輸出頻率值。
2.頻譜測(cè)量原理
設(shè)信號(hào)源輸出的待測(cè)信號(hào)為：
V1=Acos(w1t)
本振源產(chǎn)生的本征信號(hào)為：
V2=Kcos(w2t)
經(jīng)過(guò)乘法器后：
V3=Acos(w1t)* Kcos(w2t)=AK[cos(w1-w2)t+cos(w1+w2)t]
經(jīng)過(guò)LPF后，濾除了頻率為w1+w2的高頻分量，只得到w1-w2的低頻量：
V4=AKcos(w1-w2)t
當(dāng)w1=w2時(shí)，V4為直流量且幅度最大為AK，此時(shí)的頻率w2即為被測(cè)信號(hào)的頻率，待測(cè)信號(hào)源電壓幅度為，因此為了能達(dá)到直流采樣的設(shè)計(jì)，我們將本振源的頻率輸出范圍做成80~110 MHz，提高了題目的頻率要求。
(二)濾波器設(shè)計(jì)
1.鎖相環(huán)內(nèi)低通濾波器
由于ADF4110中已經(jīng)集成了大部分的模塊，因此只需要設(shè)計(jì)鑒相器與壓控振蕩器之間的環(huán)路濾波器和VCO就可以完成整個(gè)鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)。環(huán)路濾波器采用三階無(wú)源低通濾波器。這樣的結(jié)構(gòu)可以提高環(huán)路濾波器的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以濾除壓控振蕩器直流控制電壓帶來(lái)的紋波噪聲，并且進(jìn)一步減少雜散。 2R3C結(jié)構(gòu)的三階無(wú)源濾波器的傳遞函數(shù)通過(guò)傅里葉變換可以用以下公式來(lái)表示：
Z（s）==
上式中A0=C1+C2+C3，A1=C2C3R1+C1C2R1+C1C3R2+C2C2R2，A3=C1C2R1C3R2，s=jw。另外環(huán)路帶寬w和相位裕度φc(w)(單位為deg)之間有以下關(guān)系:
φc(w)=arctan(wR1C2)arctan(tan-1(wR2C3)+180
本設(shè)計(jì)中要求頻率間隔 △f=100KHz，因此濾波器的環(huán)路帶寬為～的 △f，這里取為 10 KHz，相位裕度為45 deg。因此，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可以得到該濾波器的元件C1，C2，C3，R1，R2的近似值分別為：C1=2.36nF，C2=32.1nF，C3=1.07nF，R1=1.39k，R2=2.84k。
2.AD采樣前低通濾波器設(shè)計(jì)
由理論分析可知，經(jīng)過(guò)乘法器后輸出的信號(hào)為頻率為w1+w2的高頻信號(hào)和w1-w2的低頻信號(hào)，除了想要采樣的直流信號(hào)外，最小的信號(hào)頻率為100kHz。本設(shè)計(jì)中采用二階RC低通濾波器。選擇10kHz的截止頻率，取R1=R2=1KΩ，C1=C2，根據(jù)二階RC濾波器的傳遞函數(shù)計(jì)算得C1=C2=5.9nPF。在截止頻率外，高頻信號(hào)以—40dB/十倍頻下降，很快被抑制。
（三）本振源輸出幅度可調(diào)電路設(shè)計(jì)
題目要求本振源輸出電壓幅度在10~100mV內(nèi)可調(diào)，實(shí)際調(diào)測(cè)中直接從壓控振蕩器輸出的信號(hào)在50mV左右，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)增益可調(diào)的放大電路。選擇乘法器AD835作為調(diào)整增益的器件，其250MHz帶寬完全滿足題目要求，將其X2,Y2,Z管腳接地后，乘法器輸出變?yōu)椋?nbsp;
W=X×Y
通過(guò)控制輸入乘法器的直流電平即可控制電壓增益。
（四）觀察鎖定過(guò)程的電路設(shè)計(jì)
觀察鎖定過(guò)程有以下2種電路：
1.檢測(cè)鑒相器輸出：鑒相器通過(guò)比較兩信號(hào)相位通過(guò)內(nèi)部電荷泵輸出控制電流，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化為電壓控制壓控振蕩器。觀察鎖定過(guò)程時(shí)可檢測(cè)環(huán)路濾波器輸出電壓，電壓變化說(shuō)明PLL處于失鎖狀態(tài)，電壓固定說(shuō)明PLL處于鎖定狀態(tài)。
2.ADF4110的MUXOUT管腳具有鎖相觀察功能，當(dāng)該管腳的模式切為數(shù)字鎖定時(shí)，在失鎖時(shí)，MUXOUT輸出低電平，而環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，管腳輸出高電平。因此我們?cè)贛UXOUT輸出端接一發(fā)光二極管，當(dāng)失鎖→鎖定過(guò)程中，二極管不亮，環(huán)路鎖定后，二極管發(fā)光。
三、電路與程序設(shè)計(jì)
（一）電路設(shè)計(jì)
1.基于鎖相環(huán)的本振源電路設(shè)計(jì)
根據(jù)題目我們選擇內(nèi)部集成了數(shù)字鑒頻鑒相器和編程預(yù)分頻器的PLL芯片ADF4110，只需外接VCO和環(huán)路濾波器即可完成一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)電路。外部VCO采用MAX2606，環(huán)路濾波器采用上述計(jì)算的三階無(wú)源RC濾波器。根據(jù)各自數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的典型電路，設(shè)計(jì)了如下的圖4電路：
圖3 鎖相環(huán)頻率合成電路電路圖
2.混頻及采樣電路設(shè)計(jì)
本振源輸出的信號(hào)幅度只有100mV,兩路信號(hào)混頻后幅度會(huì)進(jìn)一步減小.為了提高采樣的精度，本振源輸出后使用集成運(yùn)放AD8009實(shí)現(xiàn)了10倍的固定增益放大。同時(shí)為了提高采樣的穩(wěn)定，在濾波器輸出后加了一級(jí)由放大器OP07構(gòu)成的電壓跟隨器。
圖4 混頻及采樣電路
(二)程序設(shè)計(jì)
圖5 軟件部分程序框圖
四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
(一)基本要求
1.本振源的頻率范圍及步進(jìn)測(cè)試
通過(guò)單片機(jī)改變鎖相環(huán)內(nèi)分頻系數(shù)，用示波器觀察本振源輸出信號(hào)頻率的最大頻率和最小頻率。然后控制輸出頻率從90MHz每次步進(jìn)100KHz至110MHz，觀察示波器輸出波形頻率是否滿足頻率要求。部分測(cè)量結(jié)果如下表測(cè)試：
設(shè)置頻率/MHz 輸出頻率/MHz 設(shè)置頻率/MHz 輸出頻率/MHz
80 80.000 90.1 90.101
85 85.000 90.2 90.200
92 92.000 90.3 90.300
100 100.00 100.1 100.10
102 102.00 100.2 100.20
105 105.00 109.8 109.80
113 113.00 109.9 109.90
最大頻率 113MHz 最小頻率 80MHz
表一 本振源的頻率范圍及步進(jìn)測(cè)試
結(jié)果分析：本振信號(hào)頻率范圍可達(dá)到90MHz-110MHz，步進(jìn)精度滿足100KHz的要求。
2.輸出電壓幅度測(cè)試
調(diào)節(jié)AD835控制電壓值，觀察90至110MHz整個(gè)頻段內(nèi)各頻點(diǎn)的電壓幅度范圍。
測(cè)量結(jié)果：90至110MHz頻段內(nèi)的輸出電壓幅度最大值可到120mV，最小值可到9mV，且波形良好滿足題目10-100mV的幅度可調(diào)要求。當(dāng)輸出為100MHz，110mV時(shí)的信號(hào)示波器顯示如下圖所示：
圖6 示波器顯示輸出為100MHz，110mV的信號(hào)
3.掃描顯示測(cè)試：
程序內(nèi)部改變掃描時(shí)間、掃描模式以及掃描初始頻率，觀測(cè)示波器顯示的掃頻情況。
測(cè)量結(jié)果：掃描時(shí)間可在1至5s內(nèi)設(shè)置，且掃描時(shí)間準(zhǔn)確。手動(dòng)自動(dòng)模式可通過(guò)按鍵切換，掃描初始頻率可在90MHz至110MHz內(nèi)任意設(shè)置。
4.鎖定時(shí)間的測(cè)定：
利用單片機(jī)控制選擇掃頻功能，則系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入不斷的失鎖和鎖定狀態(tài)。當(dāng)失鎖時(shí)，muxout端口輸出低電平；當(dāng)鎖定時(shí)，muxout端口輸出高電平。用示波器觀測(cè)muxout端口，可觀測(cè)到許多負(fù)脈沖，多次測(cè)量其寬度對(duì)應(yīng)的時(shí)間求平均值，即可得到鎖定時(shí)間。經(jīng)20次測(cè)量計(jì)算，鎖定時(shí)間平均值為93μs。
(二)發(fā)揮部分頻譜分析儀相關(guān)測(cè)試
1.測(cè)量范圍：
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，可以利用基礎(chǔ)部分的鎖相環(huán)本振源完成簡(jiǎn)單的頻譜分析功能頻率測(cè)量范圍可達(dá)到86至100MHz.實(shí)際測(cè)量顯示頻譜如下圖所示：
圖7 實(shí)際測(cè)量顯示的頻譜圖
2.分辨率：
利用濾波器后預(yù)留的測(cè)試端子測(cè)試。用信號(hào)源給定信號(hào)頻率，利用單片機(jī)改變PLL輸出頻率，使其與信號(hào)源相同，可觀察到測(cè)試端子信號(hào)最大，改變頻率均可觀察到明顯減��；信號(hào)源改變100KHz，同時(shí)控制單片機(jī)相同改變100KHz，可觀察到與上述相同的 現(xiàn)象，即分辨率能達(dá)到題目100KHz的要求。
3.頻譜圖：
單片機(jī)控制屏幕能顯示測(cè)量單個(gè)信號(hào)時(shí)的頻譜圖像，以及顯示此時(shí)測(cè)量的信號(hào)頻率�；就瓿闪税l(fā)揮部分的各個(gè)要求。
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