毕业设计（论文）开题报告
题目 基于单片机的锁相环的设计
专 业 名 称 通信工程
班 级 学 号 098204106
学 生 姓 名 邱静文
指 导 教 师 程宜凡
填 表 日 期 2013 年 03 月 11 日
一、选题的依据及意义：
现代通信系统中为确保通信的稳定与可靠，对通信设备的频率准确率和稳定度提出了极高的要求。传统的RC或LC信号源虽然调节方便，但是稳定性不高，而使用石英晶体振荡器虽然稳定性够高，但是它的频率调节范围又不够。采用现代锁相环频率合成器技术不仅可以使频率的调节范围达到要求，而且它的稳定性够高。所以现代锁相环频率合成技术在现在和未来的通信领域扮演重要的作用。
锁相环第一次用于电视接收机扫描同步装置中，即改善了电视图像质量。随后，锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器又获得成功，包含有声效应的锁相环路线性理论分析的文章的发表，解决了锁相环路最佳化设计的问题。随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环及多种专用集成锁相环，PLL变成一个成本低、使用简便的多功能组件。目前，锁相原理的应用已经深入到通信、雷达、原子物理学，流体力学等。
由于锁相环路结构简单，性能优越等特点，现在广泛应用于无线电通信、数字电视、广播等众多领域。因此，自锁相环诞生以来，已越来越广泛地应用于科研、生产、生活中。本文重在分析锁相环技术优缺点，研究提供了改进的方法。随着科技的日新月异，新结构新概念的PLL将不断涌现。
二、国内外研究概况及发展趋势：
锁相即相位锁定，自动相位控制，利用相位自动调节的方法实两信号的相位同步。锁相环就是完成这一任务的相位负反馈控制系统。
1 发展
De Bellescize于1932年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环的描述，实现同步检波。到l940年，锁相环第一次用于电视接收机扫描同步装置中，改善了电视图像质量。随后，由杰斐和里希廷利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，第一次发表了包含有声效应的锁相环路线性理论分析的文章，同时解决了锁相环路最佳化设计的问题。随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环及多种专用集成锁相环，PLL变成一个成本低、使用简便的多功能组件。目前，锁相原理的应用已经深入到通信、雷达、原子物理学，流体力学等。
2 两种常见锁相环及发展趋势
2．1模拟锁相环
在模拟锁相环中，最常用的PD是模拟乘法器。LPF是由RC组成的无源低通滤波器或RC和运算放大器组成的有源低通滤波器。VCO有变容二极压控管振荡器，射极耦合多谐压控振荡器等。模拟锁相环优点多多但也有其缺点：无源部分(电感，电容)未能随工艺成比例减小；工艺发展使电源电压降低，电压设计范围下降，增大了设计难度；阀值电压的下降使得电路抗干扰能力下降，器件饱和，如放大器的输出饱和点下降， ADC的精度下降等；直流零点漂移；对电源噪声也很敏感；受温度影响；晶体管尺寸减小使得边缘效应更明显；寄生参数的影响也增大。根据要求不同一般应用在锁相接收机、载波提取、恢复基带时钟信号、调角信号解调；在通信中调制解调自动频率微调；在雷达中天线自动跟踪与精密辅角偏转测量；在空间技术中测速定轨、测距与遥测数据获取；在电视机中电视机同步、门限扩展解调的同步检波等。
2．2全数字锁相环(ADPLL)
边沿控制ECPD，环路滤波器一般可用可逆计数器，压控振荡器则用数控振荡器(DCO)实现。虽然数字锁相环也有噪声特性较差，当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大等缺点，但其有更多更实用的优点：
(1)面积小、电路成本低，振荡器输入不再是模拟信号，而是数字控制单元，使得LPF由模拟型被数字型代替，集成在chip内十分节约面积。
(2)功耗小、可靠性高、工作稳定、环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环，不需A／D及D／A转换。
(3)ADPLL的相位噪声可做的更好，DC0的分解精度，相位噪声和TDc的分解精度主要决定了PLL的相位噪声特性。
(4)抗PVT性能更好，采用数字校正技术，使PLL的整体性能更牢固。
(5)数字系统的设计灵活，如数字表示的相位经过加法器能够实现检相，经过数字滤波器能够实现滤波，经过乘法器能够实现信号的缩小和放大；如果使用更先进的工艺，可以提高数控振荡器的分辨率，更进一步提高系统性能。如今的工艺技术，MOS clock速度越来越快，TDc分解精度也得益于此，这也是ADPLL的一 个重要的发展趋势
3 应用
由于锁相环路结构简单，性能优越等特点，现在广泛应用于无线电通信、数字电视、
广播等众多领域。概括起来，锁相环的 应用主要以下几方面。
(1)时钟发生器／频率综合器。锁相环锁定后，输出时钟频率是输入时钟频率的N倍，也就是说，锁相环可以从低频输入时钟产生高频输出时钟。系数N是固定的称为时钟发生器，可以变化的称为频率综合器。与石英晶体振荡器相比，用锁相环提供时钟成本低，对印刷电路板、芯片封装的带宽要求大为降低。
(2)时钟恢复。数字通信系统中，发送端往往只发送数据流而不传输时钟信号。接收端为了能正确地接收数据，必须从数据 中恢复出同步时钟。
(3)抑制时滞效应。时钟信号负载大，需通过缓冲器来提高其驱动能力；芯片内部有连线延迟，为了抑制时滞、提高系统的稳定性，可以采用锁相环来校准时钟。
(4)调制和解调器。锁相环本身就是一个调频解调器，经过合理的应用，锁相环路可以作任何调制方式的调制器和解调器。
三、研究内容及实验方案：
锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL
锁相环作为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成 ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO,直到相位差恢复,达到锁频的目的.能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。主要用途是在收、发通信双方建立载波同步或位同步。因为它的工作过程是一个自动频率（相位）调整的闭合环路，所以叫环。
锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VOC）的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，
称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。 框图如图1，
fr f0 信号源 鉴相器PD 环路滤波器LPF 压控振荡器VCO 1KHZ
12位
单片机 ÷N 图1
2 主程序流程设计
开始 初始化 N 键扫 操作
四、目标、主要特色及工作进度
目标：用单片机实现单环式数字频率合成器构成的锁相环实验平台，通过实验设备能观察锁相环的同步过程、跟踪过程、捕捉过程，测量锁相环的同步带与捕捉带，并计算它们的带宽。能测量输入和输出信号的波形，测量并观察最小分频比和最大分频比。 主要特色：该锁相环由G4046(CD4046)5G4046 构成，功耗小，成本低，运行可靠。该实验设备体积小，对实验设备要求不高，只要有稳压电源，信号源和率波器就可以完成全部实验。 工作进度：
01～03周：资料查找、方案论证、英文资料翻译、开题报告撰写； 04～11周：电路原理设计，线路板制作、安装；
12～15周：软硬件联调，实验测试； 16～18周：毕业论文撰写，答辩。
五、参考文献
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