摘 要： 在現(xiàn)代無線通信技術中，高頻率正弦信號起著十分重要的作用，因而高質(zhì)量的正弦信號的需求也日益變高。為了滿足需求，制作出能產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高準確度的正弦信號發(fā)生器也越發(fā)迫切。在總結(jié)經(jīng)驗的基礎上，設計出一種新型正弦信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器以PLL技術為基礎，產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻正弦信號，以MSP430F149單片機作為控制中心，應用按鍵和顯示電路，實現(xiàn)輸出頻率的遞進與顯示。經(jīng)過測試，系統(tǒng)方便實用，能輸出頻率為20 MHz~100 MHz的正弦信號，同時輸出誤差控制在允許范圍內(nèi)，能滿足實際需求，并能投入到實際生產(chǎn)應用中去。

　　關鍵詞： 正弦信號；高穩(wěn)定度；PLL；MSP430

0 引言

　　通信技術、數(shù)字電視、航空航天和遙控技術的不斷發(fā)展，使得正弦信號發(fā)生器的應用也越來越廣泛，在現(xiàn)代工業(yè)中起著舉足輕重的作用。隨著時間的推進，現(xiàn)代工業(yè)對正弦信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率數(shù)量的要求也越來越高[1]。

　　為實現(xiàn)這些要求，傳統(tǒng)的解決方案是通過采用晶體振蕩器等方法來解決，但它很難產(chǎn)生多個頻率信號，因而滿足不了工業(yè)進一步的需求。在這種情況下，頻率合成技術應運而生，并且在這些年獲得巨大的發(fā)展。本文作者根據(jù)自己的學習和實踐經(jīng)驗，設計出了一種新型的正弦信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器具有高穩(wěn)定度、寬頻帶、經(jīng)濟、可靠性高等特點，很好地彌補了傳統(tǒng)正弦信號發(fā)生器的一些劣勢[2-3]。

1 設計思路及基本原理

　　通過對信號發(fā)生器的研究發(fā)現(xiàn)，設計信號發(fā)生器的主要瓶頸在于壓控振蕩器和頻率合成器方案的設計上。對于壓控振蕩器，傳統(tǒng)的方法是采用分立元件（場效應管和二極管）構成壓振器，其優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是調(diào)試起來很困難，并且輸出頻率不易靈活控制[4]。而對于頻率合成器，傳統(tǒng)的方法一般使用直接式技術,將一個或幾個晶體振蕩器產(chǎn)生的標準頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列頻率,然后再對這些頻率進行倍頻、分頻或混頻，獲得大量的離散頻率。這樣做固然使得頻率穩(wěn)定度高和頻率轉(zhuǎn)換時間短，但實現(xiàn)它需要用大量的混頻器、濾波器等，最終會造成體積大，易產(chǎn)生過多雜散分量，且成本高，安裝調(diào)試都比較困難[5]。

　　在研究了這些限制之后，本文在傳統(tǒng)方法的基礎上做出相應的改變與提高：在壓控振蕩器這一塊上，增加變?nèi)荻O管及一個LC諧振回路構成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。這樣只需要調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓便可改變壓控振蕩器的輸出頻率，同時方便使用集成芯片，有利于簡化電路和提高系統(tǒng)的可靠性。而在頻率合成器這一塊，采用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成技術（PLL），由晶振、鑒頻/鑒相（FD/PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、可變分頻器（÷N）和壓控振蕩器（VCO）組成。利用鎖相環(huán)，將VCO的輸出頻率鎖定在所需頻率上。這樣可以很好地選擇所需頻率信號，抑制雜散分量，并且避免使用大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，更有利于集成化和小型化。通過篩選，頻率合成選用PLL芯片BU2614，壓控振蕩選用MC1648芯片。

　　完成了對兩個主要部分的修改，便可以對系統(tǒng)添加一些額外功能，如顯示、存儲等。最終設計出的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　實現(xiàn)之后，信號發(fā)生器能輸出正弦信號，頻率從 20 MHz~100 MHz，系統(tǒng)能根據(jù)頻率的不同選擇不同步進的標準頻率。當信號處于較低頻率時，選擇步進為1 kHz的標準頻率，此時它的最小誤差不大于1%；當信號在較高頻率段時，選擇25 kHz為標準頻率，它的最小誤差不大于0. 8%。

2 硬件設計

　　2.1 壓控振蕩電路設計

　　壓控振蕩電路主要由壓控振蕩芯片MC1648和變?nèi)荻O管MV209以及諧振回路構成。壓控振蕩芯片MC1648的具體細節(jié)可參考其芯片手冊。MC1648需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路，為達到最佳工作性能，并聯(lián)諧振回路的QL要大于等于100。電源采用+5 V 的電壓，振蕩器的輸出頻率隨加在變?nèi)荻O管上的電壓大小變化而變化。通過切換電源來切換電感量，從而改變振蕩頻率。具體電路圖如圖2所示。

　　2.2 鎖相環(huán)頻率合成器設計

　　鎖相環(huán)電路設計如圖3所示，該部分采用的是BU2614。5腳接收單片機的串行數(shù)據(jù)，連接P2.7，12腳為反饋頻率FMOSC提供分頻系數(shù)N，內(nèi)部標準頻率由串行數(shù)據(jù)位中的R0、R1、R2的值確定。該設計選擇R0R1R2 為000或110。當頻率在25 MHz~54 MHz之間選擇標準頻率為1 kHz，即R0R1R2為110；當頻率在54 MHz~110 MHz之間，選擇標準頻率為25 kHz。所選擇的標準頻率與FMOSC/N比較，在PD輸出相位比較信號，根據(jù)PD輸出端的狀態(tài)，從低通濾波器得到相應的直流電壓，該電壓控制壓控振蕩的變?nèi)荻O管，從壓控振蕩輸出的頻率通過電容耦合反饋到BU2614中使環(huán)路鎖定[6-7]。BU2614具體可參考其芯片手冊。

　　2.3 濾波電路設計

　　低通濾波器由三極管和RC電路組成，方便簡單，其電路圖如圖4所示。低通濾波器用于濾除鑒相器輸出的誤差電壓中高頻分量和瞬變雜散干擾信號，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能與噪聲性能。

　　2.4 單片機單元電路設計

　　單片機選用TI公司的MSP430F149單片機，這款單片機具有16位總線且自帶Flash。外設和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外拓存儲器，具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊。片內(nèi)有精密硬件乘法器、2個16位定時器、1個12位的A/D轉(zhuǎn)換器、1個看門狗、1個比較器、1個內(nèi)部DCO振蕩器和2個外部時鐘，支持8 MHz的時鐘。同時還具有豐富的中斷源，P1口和P2口都具有中斷功能。單片機單元電路如圖5所示[8]。

　　2.5 存儲電路設計

　　存儲電路主要采用AT24C02芯片，它依據(jù)I2C總線協(xié)議進行通信，其SCL和SDA兩端與單片機相連，由單片機P6.4和P6.5控制其工作。其一般應用電路圖可參考其芯片手冊。

　　2.6 顯示電路及按鍵電路設計

　　顯示電路選用常見的數(shù)碼管進行顯示。由于鎖相環(huán)產(chǎn)生正弦波的頻率較高，因此這里不方便用單片機直接來測量它的頻率，必須先用高速分頻器來對它進行分頻，使它降低到單片機的測量范圍之內(nèi)。考慮到性價比的問題，可直接用頻率合成器BU2614的控制字和分頻比來送給單片機顯示。

　　而按鍵電路的設計，選用4個常見的獨立按鍵。其功能是調(diào)整分頻比：分別是加一、加十、減一、減十。當需要選擇較大調(diào)整時，可選擇加十或減十；當需要較小范圍調(diào)整時，可選擇加一或減一。它們依次選擇單片機P6.0~P6.3來控制。

　　系統(tǒng)的供電可使用自制的電源，但有一點要注意：單片機電路的供電與其他部分的供電要分開，這樣做是為了在單片機工作時，減少系統(tǒng)之間的信號干擾，以確保測量的精度[9]。

3 軟件設計

　　軟件部分設計采用了模塊化設計方法，主要有控制BU2614模塊、存儲模塊以及頻率顯示模塊。

　　因為輸出正弦波的頻帶范圍較寬以及精確度的要求，編寫程序之前須知：當步進為1 kHz、控制字為FFFFH時，輸出頻率的最大值只能為65.536 MHz。所以為了達到更高的頻率，程序必須選擇兩種不同的標準頻率：以54 MHz為分界點，當?shù)陀?4 MHz時，選擇以1 kHz為步進；當高于54 MHz時，選擇以25 kHz為步進。當控制字為8600H時，分頻數(shù)乘以1 kHz；當控制字為8000H時，分頻數(shù)乘以25 kHz。因分頻數(shù)乘以標準頻率轉(zhuǎn)化成BCD碼以后占用的字節(jié)數(shù)不同，所以要調(diào)用兩個不同的顯示單元：調(diào)整頻率時，可通過按鍵來實現(xiàn)，根據(jù)調(diào)用不同的子程序可以完成分頻比加一、加十、減一、減十，當復位鍵按下時，顯示的頻率為50 MHz。每次判斷有按鍵按下時重新調(diào)用存儲，寫入新的數(shù)據(jù)，以防掉電時重新復位。具體的主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試

　　制作完成之后，便對系統(tǒng)進行測試。使用示波器(DS1052)可測量出各個頻率值與相對應的電壓值，考慮到正弦波的頻帶寬不能一一列出，這里就測出以10 MHz為步長，25 MHz~105 MHz范圍內(nèi)的9個測試頻率點。表1所示為測試結(jié)果。

5 結(jié)束語

　　經(jīng)過實驗測量，本系統(tǒng)能很好地工作，誤差也在允許的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)修正了石英晶體振蕩器的不足，運用鎖相環(huán)（PLL）來產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度、高精確度、多頻點的正弦波信號。產(chǎn)生的正弦波信號可應用于調(diào)頻、解調(diào)、通信、電視等領域，具有一定的應用前景。同時，隨著無線通信技術的發(fā)展，PLL信號源的應用也會越來越廣泛[10]。

參考文獻

　　[1] 劉平,來新泉,樓順天,等. 基于鎖相環(huán)的低頻函數(shù)發(fā)生器[J]. 國外電子元器件, 2007(12):90-92.

　　[2] 楊明輝. 鎖相環(huán)頻率合成器的應用[J]. 實驗科學與技術, 2008(2):102-103.

　　[3] 高銳. 基于EDA技術的正弦信號發(fā)生器設計[J]. 科技傳播, 2012,4(23):76-79.

　　[4] 林靜然,高鵬,周渭民,等. 多通道GPS模擬信號源[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理, 2012,27(6):99-103.

　　[5] 林占江．電子測量技術(第2 版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2007．

　　[6] Gardner J W,Bartlett P N. Electronic noses: principles and applications[M]. New York:Oxford University Press, 2007.

　　[7] 張肅文,陸兆熊. 高頻電子線路(第3版)[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

　　[8] TEXAS INSTRUMENTS. MSP430X1XX Family User's Guide[S]. 2004．

　　[9] 徐太忠,鄒高平. 便攜式電子系統(tǒng)的低功耗設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2001(7):98-101.

　　[10] 薛茹. 一種鎖相頻率合成器的設計與實現(xiàn)[J]. 微計算機信息, 2008,24(5):83-86.