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        基于MCl45163P的智能鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)

        2010-05-11 11:58:02曾素瓊
        關(guān)鍵詞:分頻器鎖相數(shù)碼管

        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(guò)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(mǎn)足各種場(chǎng)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(xiàn)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(lái)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(duì)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(guò)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(lái)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(cè)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(hào)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(guò) 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(hào)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(lái)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(duì)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(xiě)4×4矩陣鍵盤(pán)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(duì)應(yīng)的位控制按鍵(S10~S13)和對(duì)應(yīng)的BCD編碼按鍵(S0~S9)。 由上述可知,輸出信號(hào)fo的頻率步進(jìn)為1 kHz,所以數(shù)碼管顯示BCD編碼對(duì)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(hào)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(hào)頻率越高。13腳電位VFC來(lái)自于MCl45163P與LF的控制信號(hào)動(dòng)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(guò)電容交流耦合到MCl45163P的1腳,經(jīng)過(guò)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(hào)送至l/2分頻器分頻并整形,輸出信號(hào)頻率 fo’。

        對(duì)于VCO頻段控制引腳RNG(2腳)這樣處理:通過(guò)集成數(shù)值比較器對(duì)BCD/N分頻的最高位D3進(jìn)行分檔,例如可以通過(guò)DIP開(kāi)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(guò)基準(zhǔn)后分別得到高或低電位VRNG信號(hào)。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(wú)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(cè)量的信號(hào)頻率相一致,驗(yàn)證了電路處于鎖定狀態(tài),同時(shí)滿(mǎn)足前面提到的數(shù)碼管顯示BCD編碼對(duì)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(hào)源波形質(zhì)量較好,頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值誤差較小,相對(duì)誤差在0.8%以?xún)?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(dòng)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?。⒉ㄐ钨|(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(duì)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(xiàn)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.

        [2]曾興雯,劉及安,陳健.高頻電路原理與分析[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

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        [4]莊卉,黃蘇華,袁國(guó)春.鎖相與頻率合成技術(shù)[M].北京:氣象出版社,1996.

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