綜合課程設(shè)計(jì)

綜合課程設(shè)計(jì)機(jī)械與電氣工程學(xué)院系（院）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)題目市電頻率跟蹤倍頻電路的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名班級(jí)11級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)2011100439指導(dǎo)教師完成日期2014年12月26日

成績(jī)：評(píng)語(yǔ)：評(píng)閱教師：年月日南昌工程學(xué)院綜合課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)一、課題設(shè)計(jì)(論文)題目：市電頻率跟蹤倍頻電路的設(shè)計(jì)二、綜合課程設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：設(shè)計(jì)要求：以MCS51單片機(jī)為控制核心，輔以外圍接口電路，作用于鎖相環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入的市電頻率信號(hào)的倍頻信號(hào)輸出。1、鎖相環(huán)電路的鎖相、倍頻輸出。2、通過(guò)鍵盤(pán)操作，可以控制倍頻系數(shù)為16、32、64。3、通過(guò)Proteus仿真，利用示波器顯示設(shè)計(jì)效果。三、綜合課程設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：1、查找相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行方案選擇。2天12.1512.162、鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)，繪制電路原理圖。3天12.1712.193、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制電路原理圖。2天12.2212.234、軟件流程圖設(shè)計(jì)，編寫(xiě)與調(diào)試軟件。2天12.2412.255、編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。1天12.26四、主要參考資料：1、《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》，陳貴銀，電子工業(yè)出版社，2011年2、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，李建忠，西安電子科技大學(xué)出版社，2002年3、《單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)》，李群芳等，電子工業(yè)出版社，2002年4、《單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》，陳光東等，華中科技大學(xué)出版社，1999年5、《單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐》，周立功等，北京航空航天大學(xué)出版社，2004年6、《開(kāi)放式綜合實(shí)驗(yàn)/仿真系統(tǒng)MCS51實(shí)驗(yàn)分冊(cè)》，偉福公司機(jī)械與電氣工程學(xué)院11電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)1、2、3、4班學(xué)生：日期：自2014年12月15日至2014年12月26日指導(dǎo)教師：助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：教研室：電氣工程教研室主任： 市電頻率跟蹤倍頻電路的設(shè)計(jì)第一章本設(shè)計(jì)的意義眾所周知,由于市電頻率和相位的波動(dòng)常通過(guò)低頻電磁場(chǎng)和電網(wǎng)直接干擾電子設(shè)備的穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)相位隨動(dòng)于市電相位的倍頻器作為顯示設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、直流換器等設(shè)備的同步觸發(fā)信號(hào)源,可以減輕市電和大功率激勵(lì)源干擾。頻率是電力系統(tǒng)的主要參數(shù)。電力系統(tǒng)的頻率一方面作為實(shí)施安全穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量,要求能夠?qū)崟r(shí)重構(gòu);另一方面作為電能質(zhì)量的指標(biāo),需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)三要素:數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理和分析,處理意見(jiàn)與決策。其中數(shù)據(jù)采集是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ),體現(xiàn)了它的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)采樣信號(hào)的不同,可分為直流采樣和交流采樣兩種。由于交流采樣能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣,因而實(shí)時(shí)性好,相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比,逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。交流采樣分為異步采樣和同步采樣。異步采樣也稱定時(shí)采樣,即采樣間隔永遠(yuǎn)保持固定不變。采樣頻率fs通常為電力系統(tǒng)工頻f的整數(shù)倍。市電鎖相倍頻器設(shè)計(jì)用于同步隨機(jī)掃描顯示器幀頻和開(kāi)關(guān)電源工作頻率。隨機(jī)掃描顯示器用大電流瞬時(shí)激勵(lì)偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)隨機(jī)定位,完成畫(huà)矢量和字符顯示。高速大電流激勵(lì)偏轉(zhuǎn)線圈和開(kāi)關(guān)電源及市電噪聲在地線中產(chǎn)生隨機(jī)雜亂干擾(峰值300mV),影響畫(huà)面穩(wěn)定工作,對(duì)小信號(hào)(字符信號(hào))穩(wěn)定顯示的影響尤為明顯。采用市電鎖相倍頻器輸出與市電相位同步信號(hào),觸發(fā)同步顯示幀頻、開(kāi)關(guān)電源工作頻率后,用示波器可測(cè)試到市電、顯示幀頻和開(kāi)關(guān)電源工作頻率引入到地線的干擾處于穩(wěn)定同步狀態(tài),減弱了雜亂電磁場(chǎng)干擾,保證了顯示器穩(wěn)定工作。由于NE565集成鎖相電路截止頻率為500kHz,適用于低頻鎖相,若需高于500kHz信號(hào),可用市電鎖相倍頻器輸出的40kHz信號(hào)作為參考源,再次倍頻獲得實(shí)際使用的頻率。第二章HYPERLINK總體設(shè)計(jì)方案一、鎖相環(huán)部分電路設(shè)計(jì)該部分選用CD4046鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)采用CMOS電路，最高工作頻率為1MHz以上。整個(gè)電路由PD1、PD2、壓控振蕩器、源極跟隨器和一個(gè)5V左右的齊納二極管等幾部分組成，只需在外部加相應(yīng)的外圍電路即可構(gòu)成所需的鎖相環(huán)路。其中，PD1為異或門(mén)鑒相器，無(wú)鑒頻功能；環(huán)路的捕捉帶極??；PD2為三態(tài)數(shù)字鑒相器。這兩個(gè)鑒相器有公共的信號(hào)輸入端(14端)(ui(t))和反饋輸入端(3端)(uf(t))，在此選用PD2。環(huán)路濾波器接在13端(ud(t))；9端是VCO的控制端(uc(t))，4端是輸出端(uo(t))；定時(shí)電容C2接在6、7端；接在11端的電阻R3可以起到改變振蕩頻率的作用。鎖相環(huán)路對(duì)穩(wěn)定度的參考振動(dòng)器鎖定，環(huán)內(nèi)串接四位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器74LS191，可以用計(jì)數(shù)器來(lái)分頻。通過(guò)改變分頻器的分配比N(1~15)，從而就得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。晶體振蕩器輸出的信號(hào)頻率f1，輸入到鎖相環(huán)的相位比較器（PC）。鎖相環(huán)的VCO輸出信號(hào)經(jīng)分頻器（N分頻）后輸入到PC的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較，當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1=f2/N故f2=N*f1，其中f1為晶體振蕩器輸出的基準(zhǔn)頻率。當(dāng)N變化時(shí)，就可以得到一系列的輸出頻率f2。二、分頻器部分電路設(shè)計(jì)該部分利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻，CD4046的4端與單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器接口T0相連，接收鎖相環(huán)輸出的信號(hào)。通過(guò)軟件編程設(shè)置計(jì)數(shù)器的初始值實(shí)現(xiàn)分頻的功能。三、單片機(jī)控制部分該部分包括鍵盤(pán)和液晶顯示，通過(guò)鍵盤(pán)輸入倍頻系數(shù)，由單片機(jī)控制輸出倍頻后的信號(hào)。第三章本設(shè)計(jì)所用軟件介紹3.1proteus軟件Proteus軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。3.1.1proteus的工作流程view

菜單下的捕捉對(duì)齊和system下的顏色、圖形界面大小等項(xiàng)目。通過(guò)工具欄中的p(從庫(kù)中選擇元件命令)命令，在pick

devices

窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對(duì)位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫(xiě)程序；在source

菜單的Definecode

generation

tools

菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項(xiàng)目；在source

菜單的Add/removesource

files

命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對(duì)應(yīng)程序；通過(guò)debug

菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。對(duì)于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus

提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對(duì)軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。對(duì)于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug

單下的execute

菜單項(xiàng)或F12

快捷鍵啟動(dòng)執(zhí)行，用debug菜單下的pause

animation

菜單項(xiàng)或pause

鍵暫停系統(tǒng)的運(yùn)行，用debug

菜單下stop

animation

菜單項(xiàng)或shift-break

組合鍵停止系統(tǒng)的運(yùn)行。其運(yùn)行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進(jìn)行。對(duì)于軟件的分步調(diào)試，應(yīng)先執(zhí)行debug

菜單下的start/restart

debugging

菜單項(xiàng)命令，此時(shí)可以選擇stepover，step

into

和

step

out

命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11

和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進(jìn)入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start

/

restart

debuging

命令后，在debug

菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機(jī)的系統(tǒng)資源，可供調(diào)試時(shí)分析和查看。3.1.2Proteus的功能模塊智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS）豐富的器件庫(kù)。超過(guò)27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過(guò)模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動(dòng)連線功能使連接導(dǎo)線簡(jiǎn)單快捷，大大縮短繪圖時(shí)間；支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明清晰；可輸出高質(zhì)量圖紙：通過(guò)個(gè)性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。完善的電路仿真功能（Prospice）。ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE3F5，實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；超過(guò)27000個(gè)仿真器件：可以通過(guò)內(nèi)部原型或使用廠家，SPICE文件自行設(shè)計(jì)仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件；多樣的激勵(lì)源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號(hào)、單頻FM、數(shù)字時(shí)鐘和碼流，還支持文件形式的信號(hào)輸入；豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真、如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；生動(dòng)的仿真顯示：用色點(diǎn)顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對(duì)地電壓大小，結(jié)合動(dòng)態(tài)器件（如電機(jī)、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動(dòng)；高級(jí)圖形仿真功能（ASF）：基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多項(xiàng)指標(biāo)，包括工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進(jìn)行一致性分析。獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM）。支持主流的CPU類(lèi)型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類(lèi)型隨著版本升級(jí)還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；支持通用外設(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點(diǎn)陣、LED七段顯示模塊、鍵盤(pán)/按鍵、直流/步進(jìn)/伺服電機(jī)、RS232虛擬終端、電子溫度計(jì)等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過(guò)PC機(jī)串口和外部電路實(shí)現(xiàn)雙向異步串行通信；實(shí)時(shí)仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調(diào)試：支持單片機(jī)匯編語(yǔ)言的編輯/編譯/源碼級(jí)仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的源碼級(jí)仿真和調(diào)試。3.2keil軟件目前流行的51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件是德國(guó)Keil公司推出的KeilC51軟件，它是一個(gè)基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為μVision（通常稱為μＶ2）。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，由以下幾部分組成：μVisionIDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（包括工程管理器①、源程序編輯器②、程序調(diào)試器③）、C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫(kù)管理器、BL51連接/定位器、OH51目標(biāo)文件生成器以及Monitor-51、RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。學(xué)習(xí)一種編程語(yǔ)言，最重要的是建立一個(gè)練習(xí)環(huán)境，邊學(xué)邊練才能學(xué)好。Keil軟件是目最流行開(kāi)發(fā)80C51系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部份組合在一起。加源文件—設(shè)置工應(yīng)用Keil進(jìn)行軟件仿真開(kāi)發(fā)的主要步驟為：編寫(xiě)源程序并保存—建立工程并添程—編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件—程序調(diào)試。Keil使用“工程”（Project）的概念，對(duì)工程（而不能對(duì)單一的源程序）進(jìn)行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標(biāo)文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單File-New，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語(yǔ)言或C語(yǔ)言源程序（或選擇File-Open，直接打開(kāi)已用其它編輯器編輯好的源程序文檔）并保存，注意保存時(shí)必須在文件名后加上擴(kuò)展名.asm（.a51）或.c；然后選擇菜單Project-NewProject，建立新工程并保存（保存時(shí)無(wú)需加擴(kuò)展名，也可加上擴(kuò)展名.uv2）；工程保存后會(huì)立即彈出一個(gè)設(shè)備選擇對(duì)話框，選擇CPU后點(diǎn)確定返回主界面。這時(shí)工程管理窗口的文件頁(yè)（Files）會(huì)出現(xiàn)“Target1”，將其前面+號(hào)展開(kāi)，接著選擇SourceGroup1，右擊鼠標(biāo)彈出快捷菜單，選擇“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求尋找并加入源文件（在加入一個(gè)源文件后，該對(duì)話框不會(huì)消失，而是等待繼續(xù)加入其它文件）。加入文件后點(diǎn)close返回主界面，展開(kāi)“SourceGroup1”前面+號(hào)，就會(huì)看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開(kāi)該源程序文件。緊接著對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置，選擇工程管理窗口的Target1，再選擇Project-OptionforTarget‘Target1’（或點(diǎn)右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項(xiàng)），打開(kāi)工程屬性設(shè)置對(duì)話框共有8個(gè)選項(xiàng)卡，主要設(shè)置工作包括在Target選項(xiàng)卡中設(shè)置晶振頻率、在Debug選項(xiàng)卡中設(shè)置實(shí)驗(yàn)仿真板等，如要寫(xiě)片，還必須在Output選項(xiàng)卡中選中“CreatHexFi”；其它選項(xiàng)卡內(nèi)容一般可取默認(rèn)值。工程設(shè)置后按F7鍵（或點(diǎn)擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標(biāo)）進(jìn)行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標(biāo)文件。成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單Debug-Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5鍵）進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil提供對(duì)程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行（按F11或選擇Debug-Step）、過(guò)程單步執(zhí)行（按F10或選擇Debug-StepOver）、全速執(zhí)行等多種運(yùn)行方式進(jìn)行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)，可采用在線匯編功能對(duì)程序進(jìn)行在線修改（Debug-InlineAssambly），不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對(duì)工程重新進(jìn)行編譯/匯編和連接、然后再次進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對(duì)于一些必須滿足一定條件（如按鍵被按下等）才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進(jìn)行調(diào)試的程序行，可采用斷點(diǎn)設(shè)置的方法處理（Debug-Insert/RemoveBreakpoint或Debug-Breakpoints等）。在模擬調(diào)試程序后，還須通過(guò)編程器將.hex目標(biāo)文件燒寫(xiě)入單片機(jī)中才能觀察目標(biāo)樣機(jī)真實(shí)的運(yùn)行狀況。Keil軟件Eval版（免費(fèi)產(chǎn)品）的功能與商業(yè)版相同，只是程序的最大代碼量不得超過(guò)2kB，但對(duì)初學(xué)者而言已是足夠。Keil軟件由于其強(qiáng)大的軟件仿真功能，友好的用戶界面以及易于掌握的特點(diǎn)而受到工程技術(shù)人員的歡迎，有人甚至認(rèn)為Keil是目前最好的51單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。第四章硬件電路設(shè)計(jì)4.1信號(hào)采集電路隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究都需要借助數(shù)字處理方法，進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化，也即數(shù)據(jù)采集與處理。如圖4-1所示。

圖4-1單片機(jī)采樣正弦波兩種方法：1.直接將交流信號(hào)用電阻分壓，再接入ADC引腳，進(jìn)行連續(xù)采樣，再用單片機(jī)用利用算法算出交流信號(hào)，不過(guò)因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作頻率不夠高，這種方法不是很準(zhǔn)。2.利于硬件，先將交流信號(hào)用電阻分壓，再進(jìn)行半波整流，之后再用兩級(jí)RC濾波將其濾成直流信號(hào)，然后再接入ADC引腳，這時(shí)的直流信號(hào)等于交流信號(hào)的峰值/根號(hào)pi。方法二較為準(zhǔn)確。4.2鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，它用于在通信的接收機(jī)中，其作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息。4.2.1電路圖圖4-2鎖相環(huán)對(duì)于接收到的信號(hào)，仿制一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，使得這兩個(gè)信號(hào)從某種角度來(lái)看是同步的。由于鎖定情形下（即完成捕捉后），該仿制的時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)于接收到的信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)具有一定的相差，所以很形象地稱其為鎖相器。如圖4-2所示鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器用來(lái)鑒別輸入信號(hào)Ui與輸出信號(hào)Uo之間的相位差，并輸出誤差電壓Ud。Ud中的噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)路濾波器濾除，形成壓控振蕩器（VCO）的控制電壓Uc。Uc作用于壓控振蕩器的結(jié)果是把它的輸出振蕩頻率fo拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率fi，當(dāng)二者相等時(shí)，環(huán)路被鎖定，稱為入鎖。維持鎖定的直流控制電壓由鑒相器提供，因此鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)間留有一定的相位差。PLL：phaseLockedLoop相同步回路，鎖相回路，用來(lái)統(tǒng)一整合時(shí)脈訊號(hào)，使內(nèi)存能正確的存取資料。直接數(shù)字頻率合成（DDS—DigitalDirectFrequencySynthesis）技術(shù)是一種新的頻率合成方法，是頻率合成技術(shù)的一次革命，JOSEPHTIERNEY等3人于1971年提出了直接數(shù)字頻率合成的思想，但由于受當(dāng)時(shí)微電子技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的限制，DDS技術(shù)沒(méi)有受到足夠重視，隨著電子工程領(lǐng)域的實(shí)際需要以及數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS技術(shù)日益顯露出它的優(yōu)越性。DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率控制器，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。4.2.2鎖相環(huán)電路的工作原理基本工作原理：壓控振蕩器給出一個(gè)信號(hào)，一部分作為輸出，另一部分通過(guò)分頻與PLL的IC所產(chǎn)生的本振信號(hào)作相位比較，為了保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則PLL的IC的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，去控制VCO，直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖頻的目的，能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。模擬鎖相環(huán)工作原理：模擬鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、壓控振蕩器、相位比較器、控制電路等組成。壓控振蕩器輸出的是與需要頻率很接近的等幅信號(hào)，把它和由相位參考提取電路從信號(hào)中提取的參考信號(hào)同時(shí)送入相位比較器，用比較形成的誤差通過(guò)控制電路使壓控振蕩器的頻率向減小誤差絕對(duì)值的方向連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)鎖相，從而達(dá)到同步。數(shù)字鎖相環(huán)工作原理：數(shù)字鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、晶體振蕩器、分頻器、相位比較器、脈沖補(bǔ)抹門(mén)等組成。分頻器輸出的信號(hào)頻率與所需頻率十分接近，把它和從信號(hào)中提取的相位參考信號(hào)同時(shí)送入相位比較器，比較結(jié)果示出本地頻率高了時(shí)就通過(guò)補(bǔ)抹門(mén)抹掉一個(gè)輸入分頻器的脈沖，相當(dāng)于本地振蕩頻率降低；相反，若示出本地頻率低了時(shí)就在分頻器輸入端的兩個(gè)輸入脈沖間插入一個(gè)脈沖，相當(dāng)于本地振蕩頻率上升，從而達(dá)到同步。4.2.3鎖相環(huán)芯片CD4046器件工作原理及其應(yīng)用CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其主要特點(diǎn)是:1.電源電壓范圍寬（為3V－18V）；2.輸入阻抗高(約100MΩ)；3.動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。圖4-3是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式。各引腳功能如下：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平；2腳相位比較器Ⅰ的輸出端；3腳比較信號(hào)輸入端；4腳壓控振蕩器輸出端；5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作；6、7腳外接振蕩電容；8、16腳電源的負(fù)端和正端；9腳壓控振蕩器的控制端；10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)；11、12腳外接振蕩電阻；13腳相位比較器Ⅱ的輸出端；14腳信號(hào)輸入端；15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為12MHz(VDD=15V），若，則fmax要降低一些。CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號(hào)變成方波或脈沖信號(hào)送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。齊納二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號(hào)Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開(kāi)關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器Ⅰ，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開(kāi)關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過(guò)程與上述相同，不再贅述。圖4-34.3分頻電路分頻器是一種可以把輸入信號(hào)的頻率作出處理，使得輸出信號(hào)的頻率滿足相關(guān)關(guān)系的電路，鎖相環(huán)頻率合成器可利用分頻器產(chǎn)生多個(gè)與基準(zhǔn)參考頻率有相同精度和穩(wěn)定度的頻率信號(hào)。分頻器主要分為模擬分頻器和數(shù)字分頻器兩大類(lèi)。4.3.1電路構(gòu)成圖4-4通過(guò)AT89C52來(lái)控制分頻器8253A，達(dá)到輸出不同倍頻的效果。4.3.28253器件工作原理及其應(yīng)用8253內(nèi)部有三個(gè)計(jì)數(shù)器，分別稱為計(jì)數(shù)器0、計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2，他們的機(jī)構(gòu)完全相同。每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入和輸出都決定于設(shè)置在控制寄存器中的控制字，互相之間工作完全獨(dú)立。每個(gè)計(jì)數(shù)器通過(guò)三個(gè)引腳和外部聯(lián)系，一個(gè)為時(shí)鐘輸入端CLK，一個(gè)為門(mén)控信號(hào)輸入端GATE，另一個(gè)為輸出端OUT。每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)部有一個(gè)8位的控制寄存器，還有一個(gè)16位的計(jì)數(shù)初值寄存器CR、一個(gè)計(jì)數(shù)執(zhí)行部件CE和一個(gè)輸出鎖存器OL。執(zhí)行部件實(shí)際上是一個(gè)16位的減法計(jì)數(shù)器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通過(guò)程序設(shè)置的。輸出鎖存器的值是通過(guò)程序設(shè)置的。輸出鎖存器OL用來(lái)鎖存計(jì)數(shù)執(zhí)行部件CE的內(nèi)容，從而使CPU可以對(duì)此進(jìn)行讀操作。一、8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線緩沖器。數(shù)據(jù)總線緩沖器與系統(tǒng)總線連接，8位雙向，與CPU交換信息的通道。這是8253與CPU之間的數(shù)據(jù)接口，它由8位雙向三態(tài)緩沖存儲(chǔ)器構(gòu)成，是CPU與8253之間交換信息的必經(jīng)之路。讀寫(xiě)控制。讀/寫(xiě)控制分別連接系統(tǒng)的和，由CPU控制著訪問(wèn)8253的內(nèi)部通道。接收CPU送入的讀/寫(xiě)控制信號(hào)，并完成對(duì)芯片內(nèi)部各功能部件的控制功能，因此，它實(shí)際上是8253芯片內(nèi)部的控制器。A1A0：端口選擇信號(hào)，由CPU輸入。8253內(nèi)部有3個(gè)獨(dú)立的通道，加上控制字寄存器，構(gòu)成8253芯片的4個(gè)端口，CPU可對(duì)3個(gè)通道進(jìn)行讀/寫(xiě)操作3對(duì)控制字寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作。這4個(gè)端口地址由最低2位地址碼A1和A0來(lái)選擇。通道選擇。(1)——片選信號(hào)，由CPU輸入，低電平有效。(2)、——讀/寫(xiě)控制命令，由CPU輸入，低電平有效。有效時(shí)，CPU讀取由A1、A0所選定的通道內(nèi)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。有效時(shí)，CPU將計(jì)數(shù)值寫(xiě)入各個(gè)通道的計(jì)數(shù)器中，或者是將方式控制字寫(xiě)入控制字寄存器中。計(jì)數(shù)通道0～2。方式選擇控制字。8253的初始化編程就是對(duì)其工作方式的確定。具體實(shí)現(xiàn)就是在8253上電后，由CPU向8253的控制寄存器寫(xiě)入一個(gè)控制字，就可以規(guī)定8253的工作方式、計(jì)數(shù)值的長(zhǎng)度以及計(jì)數(shù)所用的數(shù)制等，另外根據(jù)要求將計(jì)數(shù)值寫(xiě)入8253的相應(yīng)通道。8253的一個(gè)方式控制字只決定一個(gè)技術(shù)通道的工作模式。二、8253的通道工作方式8253中各通道可有6種可供選擇的工作方式，以完成定時(shí)、計(jì)數(shù)或脈沖發(fā)生器等多種功能。工作方式2被稱作速率波發(fā)生器。進(jìn)入這種工作方式，OUTi輸出高電平，裝入計(jì)數(shù)值n后如果GATE為高電平，則立即開(kāi)始計(jì)數(shù)，OUTi保持為高電平不變；待計(jì)數(shù)值減到“1”和“0”之間，OUTi將輸出寬度為一個(gè)CLKi周期的負(fù)脈沖，計(jì)數(shù)值為“0”時(shí)，自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)初值n，實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù)，OUTi將輸出一定頻率的負(fù)脈沖序列，其脈沖寬度固定為一個(gè)CLKi周期，重復(fù)周期為CLKi周期的n倍。如果在減“1”計(jì)數(shù)過(guò)程中，GATE變?yōu)闊o(wú)效（輸入0電平），則暫停減“1”計(jì)數(shù)，待GATE恢復(fù)有效后，從初值n開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。這樣會(huì)改變輸出脈沖的速率。如果在操作過(guò)程中要求改變輸出脈沖的速率，CPU可在任何時(shí)候，重新寫(xiě)人新的計(jì)數(shù)值，它不會(huì)影響正在進(jìn)行的減“1”計(jì)數(shù)過(guò)程，而是從下一個(gè)計(jì)數(shù)操作用期開(kāi)始按新的計(jì)數(shù)值改變輸出脈沖的速率。4.3.3MCS-51的引腳說(shuō)明8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2腳輸入。Pin20:接地腳；Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫(xiě)程序時(shí)，接5V電源；Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端；Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端；Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳；Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳；Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳；Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳；Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫(xiě)入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序；Pin30:ALE/PROG當(dāng)訪問(wèn)外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過(guò)一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈；Pin29:PESN當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上由CPU執(zhí)行；Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過(guò)4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。顯然，對(duì)內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的8031,EA端必須接地。在編程時(shí)，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。4.4按鍵電路圖4-5CPU輸入端常態(tài)為高電位，按下按鍵為低電位。上拉電阻，選擇要看電路能承載的電流，一般選用4.7KΩ/4.1KΩ/10KΩ。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：1、直接按鍵；2、矩陣編碼鍵盤(pán)。直接按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個(gè)I/O口上，直接按鍵則通過(guò)判斷按鍵端口的電位即可識(shí)別按鍵操作；而矩陣鍵盤(pán)通過(guò)行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識(shí)別。通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開(kāi)關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是斷開(kāi)的，當(dāng)我們按壓按鈕時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動(dòng)作決定，一般為5ms～20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短是由操作人員的按鍵按壓時(shí)間長(zhǎng)短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。采樣保持電路（sampleholddevices)簡(jiǎn)稱S/H；它用在模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的一種電路，作用是采集模擬輸入電壓在某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持輸出電壓不變，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖4-6LF398N采樣保持電路實(shí)質(zhì)上是一種模擬信號(hào)存儲(chǔ)器，它在數(shù)字指令控制下，使開(kāi)關(guān)通斷，對(duì)輸入信號(hào)瞬時(shí)值進(jìn)行采樣并寄存，通常用兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成高輸入阻抗的采樣/保持電路。放大器A1是射隨器。它對(duì)模擬信號(hào)提供了高輸入阻抗，并提供了一個(gè)低的輸出阻抗，使存儲(chǔ)電容CH能快速充電和放電，放大器A2在存儲(chǔ)電容和輸出端之間起緩沖作用。開(kāi)關(guān)K1在指令控制下通斷，對(duì)電容CH充電或放電，開(kāi)關(guān)S1通常使用FET開(kāi)關(guān)或MOSFET開(kāi)關(guān)，存儲(chǔ)電容CH一般取0.01~0.1μF。采樣/保持電路經(jīng)常使用集成電路LF398，該器件的工作原理和使用方法說(shuō)明如下:LF398具有采樣和保持功能，它是一種模擬信號(hào)存儲(chǔ)器，在邏輯指令控制下，對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行采樣和寄存。圖4-7是該器件的引腳圖。各引腳端的功能如下:①和④端分別為VCC和VEE電源端。電源電壓范圍為±5V~±15V；②端為失調(diào)調(diào)零端。當(dāng)輸入Vi=0，且在邏輯輸入為1采樣使，可調(diào)節(jié)②端使Vo=0；③端為模擬量輸入端。⑤端為輸出端；⑥端為接采樣保持電容CH端；⑦端為邏輯基準(zhǔn)端(接地)；⑧端為邏輯輸入控制端。該端電平為“1”時(shí)采樣，為“0”時(shí)保持。圖4-7第五章軟件程序設(shè)計(jì)中斷程序voidint0()interrupt0main主程序頻率倍數(shù)中斷程序voidint0()interrupt0main主程序頻率倍數(shù)選擇voidkey()鍵掃描確定keyval值Voiddelay（unsignedcharcnt）設(shè)定初值如cnt0和cnt端口地址；按鍵初值賦初值調(diào)用調(diào)用5.2流程圖及相應(yīng)程序case3開(kāi)始case3開(kāi)始ccnt=0x16delay(10)EA=1IT0=1EX0=1key()switch(keyval)ct0=16case1ct0=32case2ct0=64結(jié)束 真break假真break假真break 假main(){ccnt=0x16; //CNT0的控制字，方式2ct0=32; //cnt0寫(xiě)入初值delay(10);IT0=1;EA=1;EX0=1;while(1) { key(); switch(keyval) { case1: ct0=16; //按鍵為K1，則工作在16倍頻 break; case2: ct0=32; //按鍵為K2，則工作在32倍頻 break; case3: ct0=64;//按鍵為K3，則工作在64倍頻 break; } }}5.2.2中斷程序 voidint0()interrupt0{kz=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();kz=0;} 5.2.3鍵掃描voidkey()voidkey()keyval=0xffdelay(5)!k1!k1keyval=1!k1delay(5)!k2delay(5)!k2keyval=2!k2!k3delay(5)delay(5)!k3keyval=3!k3delay(5)假真假真真假真真真鍵掃描程序voidkey() { keyval=0xff; if(!k1) { delay(5); if(!k1) { keyval=1; while(!k1) { delay(5); } } }if(!k2) { delay(5); if(!k2) { keyval=2; while(!k2) { delay(5); } } }if(!k3) { delay(5); if(!k3) { keyval=3; while(!k3) { delay(5); } } }}第六章仿真效果6.116倍頻波形圖圖5-16.232倍頻波形圖6.364倍頻波形圖第六章總結(jié)通過(guò)本次綜合課設(shè)，我對(duì)鎖相環(huán)的工作原理及其應(yīng)用有了較深的理解，鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣，鎖相環(huán)是在無(wú)線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法。例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等，也可以用于改善電視接收機(jī)的行同步和幀同步，以提高抗干擾能力。我的題目是市電頻率跟蹤倍頻電路的設(shè)計(jì)，在這一周中遇到了好多問(wèn)題，對(duì)于鎖相環(huán)技術(shù)，我基本上沒(méi)有一點(diǎn)了解，現(xiàn)在學(xué)起來(lái)自然比較吃力，不過(guò)我并不氣餒，在這一周的時(shí)間內(nèi)，我先去圖書(shū)館借閱相關(guān)書(shū)籍，同時(shí)也在網(wǎng)上查閱了相關(guān)資料，功夫不負(fù)有心人，最終我終于實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)的功能，能在一定的范圍內(nèi)對(duì)外部信號(hào)鎖相，不過(guò)，美中不足的是鎖相環(huán)的輸出頻率在某些范圍內(nèi)不能滿足倍