频率合成器的设计与实现

王 帅

（河南广播电视大学机电系，河南郑州 450011）

频率合成技术是现代电子学的重要组成部分．它在现代电子学的各个领域中都得到广泛的应用．例如在通信、雷达、导航、电子侦察、干扰和抗干扰、广播、电视及现代测量仪器中都有应用［1］．尤其是随着通信事业的发展，频道的分布日趋密集，要求有高精度、高稳定度的通信频率，常规的信号发生器无法满足这种要求．为了解决这个难题，笔者提出了频率合成器的方案［2］．

该频率合成器（函数信号源），通过键盘输入和单片机控制，输出指定频率（1～500 kHz）的连续方波信号，并在数码管上给出相应的显示．整个系统由单片机作为控制核心，起调度与协调的作用．围绕单片机扩展4个模块，分别是键盘输入模块、显示模块、基准频率信号产生模块和频率合成模块，如图1所示．各个模块有硬件的单元电路，也有相应的软件编程．

系统工作原理是：首先由键盘输入指定频率值，单片机读入该值后送数码管显示，并将相应的计数值送可编程计数器/定时器8254以改变分频比．单片机产生的基准频率信号和经分频后的信号进入锁相环CD4046的输入端，最后在锁相环的输出端输出指定频率的信号．该设计硬件简单，程序量少，适用于实验室使用．

图1 系统结构

1 系统硬件设计

整个系统由键盘输入模块、显示模块、基准频率信号产生模块和频率合成模块组成，共同完成频率合成和显示的任务．

键盘输入模块由键盘完成，按键的响应主要是改变可编程计数器/定时器8254的计数值;显示模块由译码器4511、驱动芯片ULN2003、四位七段共阴极数码管共同完成，显示主要是先将计数值由二进制转换成十进制（8421BCD码），经译码器CD4511译码，然后由单片机控制驱动芯片ULN2003驱动四位七段共阴极数码管显示相应的频率值;基准频率信号产生模块由单片机89C52完成，其实现方法是通过中断法产生基准频率信号;频率合成模块由单片机89C52、可编程计数器/定时器8254、锁相环 CD4046共同完成，其过程是单片机89C52将计数值送给可编程计数器/定时器8254以改变分频比，然后经分频后的信号与基准频率信号进入锁相环CD4046，在锁相环CD4046的输出端得到指定的频率信号．

频率合成模块是本设计中真正实现倍频的电路．频率合成模块由单片机89C52、可编程计数器/定时器8254、锁相环CD4046共同完成，其工作过程是：单片机89C52将计数值送给可编程计数器8254以改变分频比［3］，然后经分频后的信号与基准频率信号进入锁相环CD4046，在锁相环CD4046的输出端得到指定的频率信号．频率合成模块电路如图2所示．

图2 频率合成模块电路

2 软件设计

该设计通过软件来完成基准时钟频率的产生，充分利用了单片机的内部定时器，省去硬件上的电路，节省了成本，且方便修改，有很强的灵活性［4］．该设计是在单片机89C52的P2．0口输出1 kHz的连续方波．1 kHz连续方波信号的周期为1 ms．因此用定时器每隔500 μs执行一次电平的变换即可．可以用取反指令完成电平的变换．

频率合成模块是真正实现倍频的部分．它主要由单片机控制可编程计数器/定时器8254完成．该设计使用的是可编程计数器/定时器8254的计数器0．由前面硬件部分对可编程计数器/定时器8254的读/写逻辑和控制字寄存器的介绍可知：在为 0，为1，为0的条件下，当A1，A0为11时，是写控制字寄存器;在 为 0为 1为0的条件下，当 A1，A0 为 00 时，是写计数器 0［5］．CS已在硬件上接地．，在MOVX的指令下会自动完成读写信号的设置．通常情况下，是要接373（地址锁存器）来寻找相应地址的．因为在MOVX@DPTR，A的指令下，硬件如果接了373，将自动寻找地址．但为了节省硬件成本，简化电路，A1，A0的设置是通过单片机的P2．4，P2．5的置位来完成的．系统总流程如图3所示．

图3 系统总流程

3 结语

该设计的主要特点就是有较好准确度和较宽的频率范围．设计过程体现了程序设计和锁相技术的结合．主要的设计思想是利用单片机改变分频比以及锁相环的相位锁定特性以获得与基准频率成一定倍数的信号．该设计精度高，稳定度好，设计较为简单，成本低，方便实用．

［1］王幸之，钟爱琴，王雷，等．单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术［M］．1版．北京：北京航空航天大学出版社，2006：126 －139．

［2］ Roland E Best．Phase-Locked Design，Simulation，and Applications［M］．Fifth edition．Beijing：Mcgraw-Hill Educa-tion（Asia）Co．and Tsinghua University Press，2003：115－150．

［3］ LIU Jian-min．Radar Handbook［M］．New York：McGraw-Hill，1990．

［4］郑利文．直接数字频率合成器的优化技术研究［J］．现代电子技术，2010，33（18）：143 －144．

［5］姜亦林，董恩生．锁相式雷达频率合成器的相位噪声分析［J］．科技创新导报，2010，20（7）：78 －79．

［6］张宇飞．一种UHF RFID读写器频率合成器的设计与实现［J］．仪表技术，2010（6）：16－20．

［7］曹雨，孔喜梅．基于DDS的正弦信号函数发生器［J］．北京电力高等专科学校学报：自然科学版，2010，27（7）：50－51．

［8］曹文思，巩鲁洪，陈建明，等．基于ATmega 64单片机智能导盲系统设计［J］．华北水利水电学院学报，2010，31（5）：106－109．

［9］李淑珍．智能函数信号发生器硬件设计概述［J］．黑龙江科技信息，2010（25）：22．

［10］陈捷．DDS技术在高频信号发生器中的应用［J］．工业控制计算机，2010，23（9）：118 －119．