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        可編程FM鎖相發(fā)射機的實現(xiàn)

        2013-09-25 14:12:56宋小勇王曉遠宋里瑾
        電子設計工程 2013年4期
        關鍵詞:鎖相電位器鎖相環(huán)

        宋小勇,王曉遠,宋里瑾

        (中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009)

        調頻技術是遙測通信中的關鍵技術,廣泛應用于各種遙測系統(tǒng)中。文中設計一種基于Atmega8的FM鎖相發(fā)射機,可實現(xiàn)發(fā)射頻率和調制頻偏的可編程。

        1 FM鎖相發(fā)射機原理

        調制信號首先經過調制電路進行電平轉換與幅度調整,然后與環(huán)路產生的誤差電壓相加,控制壓控振蕩器。由于環(huán)路帶寬低于調制頻譜的下限,因此調制信號不參與環(huán)路的反饋,使壓控振蕩器仍鎖定于中心頻率,實現(xiàn)調制信號對載波的頻率調制[1]。其原理如圖1所示。

        圖1 鎖相調頻發(fā)射機原理圖Fig.1 FM transmitter based on PLL schematic diagram

        2 FM鎖相發(fā)射機電路實現(xiàn)

        鎖相調頻發(fā)射機的核心是鎖相環(huán)路及調制電路的設計。發(fā)射機輸出頻率的可編程,可以通過單片機對鎖相環(huán)芯片的編程來實現(xiàn)。在本設計中,鎖相環(huán)芯片采用ADF4107,可通過LE、DATA、CLOCK 3個端口實現(xiàn)輸出頻率的可編程。

        調制頻偏通過分壓電路來實現(xiàn),在設計中可以利用數(shù)字電位器來進行分壓,通過對數(shù)字電位器的編程來實現(xiàn)調制頻偏的可編程,數(shù)字電位器選用AD5259。

        控制單片機采用Atmega8,支持多種串口通信模式,包括TWI、SPI及USART,可實現(xiàn)與外部主機的串口通信及芯片控制功能。本設計中,Atmega8與上位機的通信采用USART協(xié)議端口實現(xiàn),與數(shù)字電位器的通信采用TWI協(xié)議端口實現(xiàn)。

        2.1 鎖相環(huán)電路設計

        鎖相環(huán)電路包括參考晶振、鎖相環(huán)芯片、壓控振蕩器和環(huán)路濾波器。參考晶振選用40 MHz,壓控振蕩器選用S波段雙路電壓控制、雙輸出的振蕩器,鎖相環(huán)芯片使用ADF4107,其內部集成鑒相鑒頻器、分頻器、電荷泵等,通過改變內部寄存器的值能夠實現(xiàn)頻率的可編程。環(huán)路濾波器具有低通作用,用來濾除電壓中的高頻分量和噪聲。它對環(huán)路參數(shù)調整起著決定性的作用,可以改善控制電壓的頻譜純度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定度[2-3]。考慮鑒相頻率的泄漏問題,本設計采用3階有源環(huán)路來實現(xiàn),其電路圖如圖2所示。

        圖2 有源環(huán)路濾波器電路圖Fig.2 Active loop filter circuit diagram

        利用仿真軟件ADIsimPLL對所設計鎖相環(huán)進行仿真,得到其開環(huán)傳遞函數(shù)的增益與相位曲線,如圖3所示。

        圖3 輸入信號的開環(huán)頻率響應關系圖Fig.3 Open-loop frequency response of input signal

        本設計中,鑒相頻率設定為5 kHz,環(huán)路帶寬100 Hz,由上圖可以看出該環(huán)路濾波器的相位裕量大于45,可以保證環(huán)路較好的穩(wěn)定性[4]。對鑒相頻率的抑制大于60 dB,能夠保證發(fā)射機具有較小的寄生調頻。

        2.2 調制電路設計

        調制前端的分壓電路如圖4所示。

        圖4 調制前端電路Fig.4 Modem front circuit diagram

        數(shù)字電位器Rab中a為輸入端,w為輸出端,在w與地之間存在分布電容Cw,典型值為3~80 pF,選用的數(shù)字電位器AD5259的Cw為60 pF。該分布電容的存在使電位器呈低通特性,等效電路圖如圖5所示。

        圖5 數(shù)字電位器的等效電路圖Fig.5 Digital potentiometer equivalent circuit diagram

        由式(1)可得,AD5259-10 的帶寬為 1 061 kHz,該帶寬不能滿足現(xiàn)有的調制信號需要。在設計中,在可調電位器的aw,wb之間分別接一相同阻值的電阻,擴展其帶寬,此時其等效電阻 R=(Raw//R3)//(Rwb//R4)。 因 R3=R4,所以 Raw=Rwb時,等效電阻最大,此時的R值即對應于低通濾波器的截止頻率。經計算,當R3=R4=2 kΩ時,帶寬可擴展為3.5 MHz,能夠滿足現(xiàn)階段需要。同時為了增加發(fā)射機的輸入阻抗,滿足采

        該低通電路的-3 dB帶寬在數(shù)值上等于低通濾波器的上限截止頻率fC,即編器的帶負載能力,在a端串聯(lián)電阻R1。為了提高數(shù)字電位器的分辨率,在b端與地之間串接電阻R2[5]。

        因壓控振蕩器的輸入端存在對地電容,為了提高其頻率響應,輸入端要求低輸入阻抗。采用運算放大器MAX4016設計一電壓跟隨電路,具有輸入阻抗高輸出阻抗低的特點,且其有高達350 MHz的增益帶寬積,能夠響應10 MHz以上的信號。

        3 下位機軟件實現(xiàn)

        發(fā)射機的可編程通過上位機與Atmega8的串口通信來實現(xiàn),在上位機的操作界面上輸入設定的輸出頻率值或調制頻偏值,通過串口發(fā)送給Atmega8。Atmega8根據接收到的值,對ADF4107或AD5259進行配置,從而實現(xiàn)可編程功能。約定一次有效設置發(fā)送的數(shù)據幀格式如下:

        表1 配置數(shù)據幀格式Tab.1 Figuration data frame format

        幀頭為0x0F時判定為對輸出頻率進行編程,幀頭為0xF0時判定為對調制頻偏進行編程,幀頭為其他數(shù)據時判定為無效數(shù)據,需重新配置。程序流程圖如圖6所示。

        圖6 下位機軟件流程圖Fig.6 Hypogenous machine software flow chart

        3.1 串口通信實現(xiàn)

        ATmega8單片機帶有一個全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊USART,有獨立的高精度波特率發(fā)生器,支持5、6、7、8和9位數(shù)據位、1位或2位停止位的串行數(shù)據幀結構[6]。設計中采用中斷的方式來實現(xiàn)接收功能,波特率設定為9 600 bps,采用8位數(shù)據位、無校驗、1位停止位的數(shù)據幀結構。中斷響應函數(shù)如下:

        Atmega8完成一次中斷響應后,數(shù)據保存在數(shù)組rx_data[]中,主程序根據接收到的數(shù)據調用頻率或調制頻偏配置函數(shù)。

        3.2 配置函數(shù)設計

        輸出頻率配置通過改變ADF4107控制字來實現(xiàn)。ADF4107共有4個控制寄存器需配置,輸出頻率改變時僅N寄存器改變即可,Atmega8與 ADF4107之間遵循 SPI通信協(xié)議。對ADF4107配置時,接收到的數(shù)據以unsigned char形式保存在三字節(jié)的數(shù)組中,需要轉換成24位的寄存器控制字。

        調制頻偏配置通過改變AD5259的RDAC寄存器值來實現(xiàn)。Atmega8與AD5259之間遵循TWI通信協(xié)議。該通信協(xié)議需兩根雙向信號線,一根是數(shù)據線SDA,另一根是時鐘線SCL,通過上拉電阻接正電源。每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機發(fā)送地址時,總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較,如果相同,則認為自己正被主機尋址,根據R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器。

        配置函數(shù)設計時,首先對各個寄存器進行初始化,再按照配置時序向各個寄存器寫入預定的值。需要注意的是,TWI協(xié)議中每一個傳送字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位,且SCL位為高電平時,SDA不能有上升或下降沿出現(xiàn),否則就重新開始一個字節(jié)的數(shù)據傳輸或中斷本字節(jié)傳輸。

        4 結束語

        該可編程發(fā)射機在不進行硬件改變的情況下,實現(xiàn)了輸出頻率和調制頻偏的可編程,提高了發(fā)射機的通用性。該發(fā)射機頻率覆蓋 2 200~2 300 MHz,調制響應 100 Hz~3.5 MHz,能夠滿足大部分FM體制下的遙測任務需求。

        [1]張厥盛,鄭繼禹.鎖相技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

        [2]DEAN BANERJEE.PLL Performance, Simulation, and Design[M].Handbook 4th Edition,2006.

        [3]石春燕.射頻鎖相環(huán)頻率合成器的分析與設計 [D].南京:河海大學,2006.

        [4]Thompson I V,Brennan P V.Fourth-order PLL loop filters design technique with invariant frequency and phase margin[J].IEE proc.-Circuits Devices Syst.,2005(152):2.

        [5]沙占友.數(shù)字電位器應用指南[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.

        [6]馬潮.Atmega8原理及應用手冊[M].北京:清華大學出版社,2002.

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