摘 要： 在现代无线通信技术中，高频率正弦信号起着十分重要的作用，因而高质量的正弦信号的需求也日益变高。为了满足需求，制作出能产生高稳定度和高准确度的正弦信号发生器也越发迫切。在总结经验的基础上，设计出一种新型正弦信号发生器。该信号发生器以PLL技术为基础，产生稳定的高频正弦信号，以MSP430F149单片机作为控制中心，应用按键和显示电路，实现输出频率的递进与显示。经过测试，系统方便实用，能输出频率为20 MHz~100 MHz的正弦信号，同时输出误差控制在允许范围内，能满足实际需求，并能投入到实际生产应用中去。
关键词： 正弦信号；高稳定度；PLL；MSP430
0 引言
通信技术、数字电视、航空航天和遥控技术的不断发展，使得正弦信号发生器的应用也越来越广泛，在现代工业中起着举足轻重的作用。随着时间的推进，现代工业对正弦信号发生器的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率数量的要求也越来越高[1]。
为实现这些要求，传统的解决方案是通过采用晶体振荡器等方法来解决，但它很难产生多个频率信号，因而满足不了工业进一步的需求。在这种情况下，频率合成技术应运而生，并且在这些年获得巨大的发展。本文作者根据自己的学习和实践经验，设计出了一种新型的正弦信号发生器。该信号发生器具有高稳定度、宽频带、经济、可靠性高等特点，很好地弥补了传统正弦信号发生器的一些劣势[2-3]。
1 设计思路及基本原理
通过对信号发生器的研究发现，设计信号发生器的主要瓶颈在于压控振荡器和频率合成器方案的设计上。对于压控振荡器，传统的方法是采用分立元件（场效应管和二极管）构成压振器，其优点是实现简单，但是调试起来很困难，并且输出频率不易灵活控制[4]。而对于频率合成器，传统的方法一般使用直接式技术,将一个或几个晶体振荡器产生的标准频率通过谐波发生器产生一系列频率,然后再对这些频率进行倍频、分频或混频，获得大量的离散频率。这样做固然使得频率稳定度高和频率转换时间短，但实现它需要用大量的混频器、滤波器等，最终会造成体积大，易产生过多杂散分量，且成本高，安装调试都比较困难[5]。
在研究了这些限制之后，本文在传统方法的基础上做出相应的改变与提高：在压控振荡器这一块上，增加变容二极管及一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。这样只需要调节变容二极管两端的电压便可改变压控振荡器的输出频率，同时方便使用集成芯片，有利于简化电路和提高系统的可靠性。而在频率合成器这一块，采用数字锁相环式频率合成技术（PLL），由晶振、鉴频/鉴相（FD/PD）、环路滤波器（LPF）、可变分频器（÷N）和压控振荡器（VCO）组成。利用锁相环，将VCO的输出频率锁定在所需频率上。这样可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免使用大量的滤波器，采用大规模的集成芯片，更有利于集成化和小型化。通过筛选，频率合成选用PLL芯片BU2614，压控振荡选用MC1648芯片。
完成了对两个主要部分的修改，便可以对系统添加一些额外功能，如显示、存储等。最终设计出的系统框图如图1所示。
实现之后，信号发生器能输出正弦信号，频率从 20 MHz~100 MHz，系统能根据频率的不同选择不同步进的标准频率。当信号处于较低频率时，选择步进为1 kHz的标准频率，此时它的最小误差不大于1%；当信号在较高频率段时，选择25 kHz为标准频率，它的最小误差不大于0. 8%。
2 硬件设计
2.1 压控振荡电路设计
压控振荡电路主要由压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209以及谐振回路构成。压控振荡芯片MC1648的具体细节可参考其芯片手册。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路，为达到最佳工作性能，并联谐振回路的QL要大于等于100。电源采用+5 V 的电压，振荡器的输出频率随加在变容二极管上的电压大小变化而变化。通过切换电源来切换电感量，从而改变振荡频率。具体电路图如图2所示。
2.2 锁相环频率合成器设计
锁相环电路设计如图3所示，该部分采用的是BU2614。5脚接收单片机的串行数据，连接P2.7，12脚为反馈频率FMOSC提供分频系数N，内部标准频率由串行数据位中的R0、R1、R2的值确定。该设计选择R0R1R2 为000或110。当频率在25 MHz~54 MHz之间选择标准频率为1 kHz，即R0R1R2为110；当频率在54 MHz~110 MHz之间，选择标准频率为25 kHz。所选择的标准频率与FMOSC/N比较，在PD输出相位比较信号，根据PD输出端的状态，从低通滤波器得到相应的直流电压，该电压控制压控振荡的变容二极管，从压控振荡输出的频率通过电容耦合反馈到BU2614中使环路锁定[6-7]。BU2614具体可参考其芯片手册。
2.3 滤波电路设计
低通滤波器由三极管和RC电路组成，方便简单，其电路图如图4所示。低通滤波器用于滤除鉴相器输出的误差电压中高频分量和瞬变杂散干扰信号，以获得更纯的控制电压，提高环路稳定性和改善环路跟踪性能与噪声性能。
2.4 单片机单元电路设计
单片机选用TI公司的MSP430F149单片机，这款单片机具有16位总线且自带Flash。外设和内存统一编址，寻址范围可达64 K，还可以外拓存储器，具有统一的中断管理和丰富的片上外围模块。片内有精密硬件乘法器、2个16位定时器、1个12位的A/D转换器、1个看门狗、1个比较器、1个内部DCO振荡器和2个外部时钟，支持8 MHz的时钟。同时还具有丰富的中断源，P1口和P2口都具有中断功能。单片机单元电路如图5所示[8]。
2.5 存储电路设计
存储电路主要采用AT24C02芯片，它依据I2C总线协议进行通信，其SCL和SDA两端与单片机相连，由单片机P6.4和P6.5控制其工作。其一般应用电路图可参考其芯片手册。
2.6 显示电路及按键电路设计
显示电路选用常见的数码管进行显示。由于锁相环产生正弦波的频率较高，因此这里不方便用单片机直接来测量它的频率，必须先用高速分频器来对它进行分频，使它降低到单片机的测量范围之内。考虑到性价比的问题，可直接用频率合成器BU2614的控制字和分频比来送给单片机显示。
而按键电路的设计，选用4个常见的独立按键。其功能是调整分频比：分别是加一、加十、减一、减十。当需要选择较大调整时，可选择加十或减十；当需要较小范围调整时，可选择加一或减一。它们依次选择单片机P6.0~P6.3来控制。
系统的供电可使用自制的电源，但有一点要注意：单片机电路的供电与其他部分的供电要分开，这样做是为了在单片机工作时，减少系统之间的信号干扰，以确保测量的精度[9]。
3 软件设计
软件部分设计采用了模块化设计方法，主要有控制BU2614模块、存储模块以及频率显示模块。
因为输出正弦波的频带范围较宽以及精确度的要求，编写程序之前须知：当步进为1 kHz、控制字为FFFFH时，输出频率的最大值只能为65.536 MHz。所以为了达到更高的频率，程序必须选择两种不同的标准频率：以54 MHz为分界点，当低于54 MHz时，选择以1 kHz为步进；当高于54 MHz时，选择以25 kHz为步进。当控制字为8600H时，分频数乘以1 kHz；当控制字为8000H时，分频数乘以25 kHz。因分频数乘以标准频率转化成BCD码以后占用的字节数不同，所以要调用两个不同的显示单元：调整频率时，可通过按键来实现，根据调用不同的子程序可以完成分频比加一、加十、减一、减十，当复位键按下时，显示的频率为50 MHz。每次判断有按键按下时重新调用存储，写入新的数据，以防掉电时重新复位。具体的主程序流程图如图6所示。
4 系统测试
制作完成之后，便对系统进行测试。使用示波器(DS1052)可测量出各个频率值与相对应的电压值，考虑到正弦波的频带宽不能一一列出，这里就测出以10 MHz为步长，25 MHz~105 MHz范围内的9个测试频率点。表1所示为测试结果。
5 结束语
经过实验测量，本系统能很好地工作，误差也在允许的范围之内。系统修正了石英晶体振荡器的不足，运用锁相环（PLL）来产生一个高稳定度、高精确度、多频点的正弦波信号。产生的正弦波信号可应用于调频、解调、通信、电视等领域，具有一定的应用前景。同时，随着无线通信技术的发展，PLL信号源的应用也会越来越广泛[10]。
参考文献
[1] 刘平,来新泉,楼顺天,等. 基于锁相环的低频函数发生器[J]. 国外电子元器件, 2007(12):90-92.
[2] 杨明辉. 锁相环频率合成器的应用[J]. 实验科学与技术, 2008(2):102-103.
[3] 高锐. 基于EDA技术的正弦信号发生器设计[J]. 科技传播, 2012,4(23):76-79.
[4] 林静然,高鹏,周渭民,等. 多通道GPS模拟信号源[J]. 数据采集与处理, 2012,27(6):99-103.
[5] 林占江．电子测量技术(第2 版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2007．
[6] Gardner J W,Bartlett P N. Electronic noses: principles and applications[M]. New York:Oxford University Press, 2007.
[7] 张肃文,陆兆熊. 高频电子线路(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,邹高平. 便携式电子系统的低功耗设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2001(7):98-101.
[10] 薛茹. 一种锁相频率合成器的设计与实现[J]. 微计算机信息, 2008,24(5):83-86.