基于MCl45163P的智能鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)

曾素瓊

（嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

1 基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統(tǒng)框圖如圖1所示。環(huán)中的÷N分頻器采用可編程的程序分頻器，fr=fv時(shí)，環(huán)路鎖定，頻率合成器輸出頻率為 fo=Nfr=Nfs/R。式中 fr為參考頻率，通常是用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)過固定分頻比的參考分頻之后獲得，此處 fr=fs/R；因 N、R均可調(diào)，輸出頻率源的頻率點(diǎn)較豐富,較容易滿足各種場合的要求。

MCl45163P是Motolora公司的CMOS大規(guī)模集成鎖相頻率合成器，其內(nèi)部功能塊包括圖1中虛線部分，MCl45163P內(nèi)部結(jié)構(gòu)框如圖2所示。主要集成了參考分頻器、兩個(gè)相位比較器和4位BCD/N分頻器，配合環(huán)路濾波和壓控振蕩器可以得到一個(gè)完整、實(shí)用的鎖相頻率合成器。

圖1 基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統(tǒng)框圖

圖2 MC145163P內(nèi)部框圖

輸出頻率間隔和13位/R計(jì)數(shù)器：引腳RA0和RAl用來決定MCl45163P內(nèi)部參考分頻器的分頻比,RA0、RA1有四種組合決定參考分頻器(R計(jì)數(shù)器)的分頻比的情況：RA1、RA0=00 分頻比 512；RA1、RA0=01 分頻比1 024；RA1、RA0=10 分頻比 2 048；RA1、RA0=11 分頻 比4 096。選擇合適的分頻比，可以得到對晶振頻率fs的分頻，進(jìn)而得到參考頻率fr=fs/R。因?yàn)轭l率合成器的輸出頻率 fo=Nfr，因此，fr也是輸出頻率的間隔(步進(jìn)頻率)。

輸出頻率和4位BCD/N計(jì)數(shù)器：MCl45163P內(nèi)部帶有4位BCD/N計(jì)數(shù)器，通過設(shè)定4位BCD的數(shù)值，可以得到N計(jì)數(shù)器(分頻)值。例如：4位 BCD數(shù)值設(shè)置為 1 000，則環(huán)路中 N計(jì)數(shù)器(分頻)的 N值為 1000(引腳 24～9為0001 0000 0000 0000)；4位 BCD數(shù)值設(shè)置為 0750，則環(huán)路中 N計(jì)數(shù)器(分頻)的 N值為 0750(引腳 24～9為 0000 0111 0101 0000)。頻率合成器的輸出頻率fo=Nfr。

2 MCl45163P的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 頻率范圍和頻率步進(jìn)設(shè)計(jì)

只從N分頻的設(shè)置范圍3～9 999來看，如果頻率步進(jìn) fr設(shè)定為 1 kHz，那么 f0輸出頻率為 3 kHz～9 999 kHz，但要受到VCO輸出頻率覆蓋范圍的限制。實(shí)際選用的VCO器件74LS628,環(huán)路處于鎖定狀態(tài)的測量頻率范圍在0.7 MHz～9.999 MHz。另外，考慮到最后輸出波形達(dá)到占空比為50%的方波，因此可以在VCO輸出信號后加一個(gè)1/2分頻器進(jìn)行整形、分頻，這樣輸出波形質(zhì)量較好。于是這里將頻率步進(jìn)fr先設(shè)定為2 kHz，fo=Nfr=1.4 MHz～19.998 MHz，即 fo的頻率步進(jìn)是 2 kHz；經(jīng)過 1/2分頻器件得到的 fo’=fo/2=0.7 MHz～9.999 MHz， 即最后輸出信號fo’的頻率步進(jìn)為 1 kHz，輸出波形和步進(jìn)同時(shí)達(dá)到要求，實(shí)際相當(dāng)于雙環(huán)鎖相頻率合成器。

2.2 BCD編碼接口設(shè)計(jì)

用10個(gè)按鍵S0～S9產(chǎn)生十進(jìn)制0～9的BCD編碼，4個(gè)按鍵S10-S13用來切換不同位數(shù)，并用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前BCD編碼所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。電路框圖如圖3所示，其中以單片機(jī) AT89C2051為核心，編寫4×4矩陣鍵盤的掃描控制處理程序，可以實(shí)現(xiàn)上述按鍵功能。采用該電路得到BCD編碼，優(yōu)點(diǎn)為可靠、方便，每次只需按下對應(yīng)的位控制按鍵(S10～S13)和對應(yīng)的BCD編碼按鍵(S0～S9)。 由上述可知,輸出信號fo的頻率步進(jìn)為1 kHz，所以數(shù)碼管顯示BCD編碼對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率。

2.3 VCO 選擇

TTL系列中的 74LS624～74LS629是6種比較常用的VCO集成電路。該系統(tǒng)選用壓控振蕩器74LS628，器件內(nèi)含 1個(gè) VCO、有雙向輸出（除 Y輸出引腳,有帶 Z輸出引腳）、使能端、頻段轉(zhuǎn)換、可外接Rext作溫度補(bǔ)償。

使用74LS628壓控振蕩器時(shí)應(yīng)注意如下特性：

(1)2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG、13腳電位VFC不變時(shí)，3、4腳外接電容器Cext越大，輸出信號頻率越低，有利于達(dá)到頻率范圍的下限fmin，但不利于頻率范圍的上限fmax。反之，結(jié)論相反。因此必須選擇合適的Cext，且需與VRNG配合好，才可得到所要的輸出頻率。

(2)2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG、3、4腳外接電容Cext都不變時(shí)，13腳電位VFC越高，輸出信號頻率越高。13腳電位VFC來自于MCl45163P與LF的控制信號動態(tài)控制VCO而達(dá)到鎖定狀態(tài)的輸出 PDout；3、4腳外接電容器Cext應(yīng)取合適的電容值：這樣利用2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG的高低，就可以比較容易地實(shí)現(xiàn)輸出頻率fo的頻率覆蓋范圍。

3 整體電路設(shè)計(jì)

整體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4中,接入 MCl45163P的晶振為 2.048 MHz，若RAl、RA0=01即分頻比為 1 024，則可設(shè)定為 2 kHz。 經(jīng) 4位BCD編碼可方便地設(shè)定N值，并可以由數(shù)碼管顯示當(dāng)前BCD編碼的十進(jìn)制數(shù),也即為當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率。VCO的Y輸出端通過電容交流耦合到MCl45163P的1腳，經(jīng)過其內(nèi)部N分頻后與fr比較，并由4腳 PDout輸出，再經(jīng) 3.3 kΩ 電阻和 4.7 μF電容組成的積分型低通濾波器得到控制電壓Vc最后接在VC0的13腳。VCO的8腳輸出的信號送至l/2分頻器分頻并整形，輸出信號頻率 fo’。

對于VCO頻段控制引腳RNG（2腳）這樣處理：通過集成數(shù)值比較器對BCD/N分頻的最高位D3進(jìn)行分檔，例如可以通過DIP開關(guān)設(shè)定數(shù)值比較器基準(zhǔn)BCD(B3～B0)為 0100或 0011，當(dāng) D3小于或超過基準(zhǔn)后分別得到高或低電位VRNG信號。VRNG接入VCO的2腳，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率范圍的覆蓋。否則固定VRNG不變的前提下，VCO無法實(shí)現(xiàn)頻率范圍的覆蓋。

表1 鎖相環(huán)輸出頻率及各參數(shù) 晶振頻率fs=2.048 MHz

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)主要參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：4位BCD設(shè)置后，數(shù)碼管顯示的十進(jìn)制數(shù)值和用頻率計(jì)測量的信號頻率相一致，驗(yàn)證了電路處于鎖定狀態(tài)，同時(shí)滿足前面提到的數(shù)碼管顯示BCD編碼對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率。系統(tǒng)達(dá)到了鎖相頻率合成，輸出頻率源在R為1 024時(shí)，輸出頻率范圍：0.7 MHz～10 MHz，輸出頻率步進(jìn) 1 kHz；鎖相環(huán)中的頻率步進(jìn)2 kHz，信號源波形質(zhì)量較好，頻率實(shí)測值與理論計(jì)算值誤差較小，相對誤差在0.8%以內(nèi)。改變R時(shí)，輸出頻率范圍可方便改變；改變N，得到不同輸出頻率點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的基于MCl45163P智能鎖相頻率合成器系統(tǒng)，加入了單片機(jī)控制環(huán)節(jié)，容易實(shí)現(xiàn)頻率輸出的自動控制，增加了頻率步進(jìn)搜索、預(yù)置頻率值、顯示頻率等功能，能得到輸出頻率覆蓋范圍較大、輸出頻率步進(jìn)較小1 kHz（保證輸出頻率分辯率高）、鎖相環(huán)頻率步進(jìn)較大2 kHz（保證頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較小）、波形質(zhì)量較好（雜波較少）高頻頻率源。本設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新性，利于對鎖相頻率合成芯片的應(yīng)用研究和鎖相頻率合成技術(shù)的研究。

[1]曾素瓊.基于低壓電力線載波通信的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2009,28(22):26-28.

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