RD微波射频源的产生.ppt

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1、微波射频源的产生,射频识别技术,主要内容,锁相环概念介绍利用单片机和锁相环产生微波射频源,一、锁相环概念介绍,本节我们分为以下三个方面进行讲解：1、锁相环的基本组成2、锁相环的工作原理3、锁相环的应用,1、锁相环的基本组成,许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。,续1、锁相环的基本组成

2、,锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如下:,续1、锁相环的基本组成,锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成ud(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc(t)对振荡器输出信号的频率实施控制。它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号

3、进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号V c(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。,2、锁相环的工作原理,锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如下所示:鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:,续2、锁相环的工作原理,式中的

4、0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率.则模拟乘法器的输出电压ud(t)为:,续2、锁相环的工作原理,用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t):式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率，i(t)和o(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:,续2、锁相环的工作原理,我们即可得到:从而得瞬时相位差d为:对两边求微分，可得频差的关系式为:,续2、锁相环的工作原理,上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态Uc(t)

5、为恒定值,VCO输出频率恒定.当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等,Uc(t)随时间而变,VCO输出频率随时间变化.压控振荡器的压控特性如图所示:该特性说明压控振荡器的振荡频率u以0为中心，随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为:,续2、锁相环的工作原理,上式说明当uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率u也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态，并保持0=i的状态不变。对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动

6、VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。环路的这种状态称为跟踪状态。因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。,3、锁相环的应用,1.锁相环在调制和解调中的应用(1)调制和解调的概念 为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号.所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uc的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的

7、频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。,续3、锁相环的应用,续3、锁相环的应用,(2)锁相环在调频和解调电路中的应用 调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号

8、.由此可得调频电路可利用锁相环来组成，同理可以用锁相环组成解调电路.由锁相环组成的调频电路解调电路组成框图如下:,续3、锁相环的应用,续3、锁相环的应用,2锁相环在频率合成电路中的应用 在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。图中的N大于1时，为分频电路；当0N1时，为倍频电路。,二、微波射频源的产生,我们利用单片机控制锁相环来实现微波射频源的产生，接口为SP

9、I(软件实现即可)，任何具有三个通用I/O管脚的单片机都可以选用；锁相环我们选用国家半导体公司(National Semiconductor)生产的lmx2531系列，具体介绍见数据手册。lmx2531系列锁相环中有14个24位寄存器，这些寄存器定义了锁相环的各种工作状态控制位通过SPI接口向这14个寄存器里写入数值就可控制锁相环输出相应频率。每个24位寄存器的最后四位均为寄存器的地址位，前20位为数据位。其中比较重要的寄存器有R3、R6和R7。,二、微波射频源的产生,续二、微波射频源的产生,单片机程序设计：1、端口定义和端口初始化定义：sbit PLL_LE=P20;/PLL锁存使能位控制端

10、口sbit PLL_CLK=P21;/PLL时钟输入端口sbit PLL_CE=P22;/LMX2531芯片使能端口sbit PLL_DATA=P23;/PLL数据输入端口 初始化：XBR2=0 x40;/交叉开关使能，使能全局弱上拉 P2MDOUT|=0 x0F;/P2.0-P2.3推挽输出,续二、微波射频源的产生,2、写一个24位寄存器子程序 因为寄存器为24位，写一个寄存器要发送三个字节数据，不能一次完成，所以我们分开写入；先写入高8位一个字节的数据，再写入低16位两个字节的数据。根据时序要求，每发送一位数据，在数据和时钟管脚都要插入适量的时延，从而实现高低电平持续状态。,续二、微波射频

11、源的产生,void SendWord(uchar Word_H,uint Word_L)uchar k;PLL_CLK=0;PLL_LE=1;Delay(20);PLL_LE=0;for(k=0;k8;k+)/发送高8位 if(Word_H,else PLL_DATA=0;Word_H=Word_H1;Delay(20);PLL_CLK=1;Delay(20);PLL_CLK=0;Delay(20);,续二、微波射频源的产生,for(k=0;k16;k+)/发送低16位 if(Word_L,Delay(20);PLL_CLK=1;Delay(20);PLL_CLK=0;Delay(20);PL

12、L_LE=1;Delay(20);PLL_LE=0;Delay(20);PLL_LE=1;,续二、微波射频源的产生,3、配置锁相环寄存器子程序void Config_PLL()uint i;PLL_DATA=0;PLL_CLK=0;PLL_LE=0;Delay(20);SendWord(0 x84,0 x0005);SendWord(0 x80,0 x0005);SendWord(0 x80,0 x07F5);SendWord(0 x01,0 x048C);SendWord(0 x00,0 x0BA9);,SendWord(0 x03,0 x0008);SendWord(0 x00,0 x6D

13、07);SendWord(0 x08,0 xE656);SendWord(0 x00,0 x0004);SendWord(0 xBC,0 xE623);SendWord(0 x56,0 x8042);for(i=0;i1000;i+)Delay(200);SendWord(0 x3E,0 x8001);SendWord(0 xDC,0 x0000);,续二、微波射频源的产生,4、主程序void main(void)EA=0;WDTCN=0 xDE;/禁止看门狗 WDTCN=0 xAD;SYSCLK_Init();/时钟初始化 PORT_Init();/端口初始化 PLL_CE=1;/给PLL供电 Config_PLL();/配置PLL PLL_LE=1;,总 结,锁相环是射频电路中非常重要的器件，任何一个射频电路都必须有微波射频源才能完成信息的发射和接收，所以认识锁相环并掌握锁相环的应用在射频识别和电路设计中必不可少。锁相环的应用有两个问题比较关键：外围匹配和配置时序。外围匹配主要是环路滤波器的设计，环路滤波器的合适与否直接关系到是否可以得到理想的频谱；在配置锁相环时，一定要满足数据手册所给的时序图(主要是时间延迟)，否则锁相环不能正常工作。,