摘 要： 鎖相頻率合成技術(shù)以其突出的優(yōu)勢在信號發(fā)生器、變頻器等設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。介紹了鎖相芯片CDCE913的工作特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計算方法，給出了以CDCE913為核心的頻率合成器的設(shè)計方案、硬件原理圖和軟件程序設(shè)計。利用 CDCE913的鎖相環(huán)和分頻倍頻器產(chǎn)生較寬頻帶的頻率源，通過對實際電路調(diào)試和控制芯片程序的編寫，實現(xiàn)了輸出頻率可調(diào)。

關(guān)鍵詞： 鎖相環(huán)； 頻率合成器； CDCE913； 頻率源

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0089?03

Abstract： The phase?locked frequency synthesis technology with prominent advantages is widely used in the design of signal generator and frequency converter. The working characteristic， internal structure and parameter calculation method of the phase?locked chip CDCE913 are introduced. The design scheme， hardware principle diagram and software program design of the frequency synthesizer are given， which takes CDCE913 as the core. The phase?locked loop and frequency division multiplier of CDCE913 are used to generate the wideband frequency source. The adjustable output frequency was realized by means of the actual circuit debugging and control chips programming.

Keywords： phase?locked loop； frequency synthesizer； CDCE913； frequency source

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為確保通信的穩(wěn)定與可靠，對通信設(shè)備的頻率準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度提出了極高的要求。一般的振蕩器生成的信號頻率已很難滿足通信、雷達(dá)、測控、儀器儀表等電子系統(tǒng)的需求。而頻率合成技術(shù)可為通信設(shè)備提供大量精確且能迅速轉(zhuǎn)換的載波信號和本振信號。頻率合成技術(shù)中的鎖相式頻率合成技術(shù)具有穩(wěn)頻、雜散抑制好和調(diào)試簡便等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。本文以鎖相環(huán)芯片CDCE913為核心，設(shè)計了一種具有體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、性能良好的頻率合成器。

1 鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理

鎖相環(huán)路主要由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LP）、壓控振蕩器（VCO）和可變程序分頻器組成，如圖1所示。

高穩(wěn)定度的參考振蕩信號[fR]經(jīng)過[R]次分頻后，得到頻率為[fr]的參考脈沖信號。同時，壓控振蕩器的輸出經(jīng)[N]次分頻后，得到頻率為[fv]的脈沖信號，兩個脈沖信號在鑒相器進(jìn)行頻率或相位比較。當(dāng)輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相位差不再隨時間變化，這時環(huán)路就會進(jìn)入鎖定狀態(tài)[2?4]。

2 基于CDCE913的鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計

與實現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計

根據(jù)鎖相環(huán)的基本原理，對幾種鎖相環(huán)芯片的參數(shù)和指標(biāo)分析比較后，選用具有單個鎖相環(huán)的芯片CDCE913，同時選用具有開漏模式的單片機(jī)STC15W4K58S4作為主控芯片，實現(xiàn)頻率合成器的設(shè)計。設(shè)計整體框圖如圖2所示[6?8]。

系統(tǒng)采用外部時鐘晶振作為CDCE913的參考頻率，同時通過STC15W4K58S4芯片驅(qū)動鎖相環(huán)芯片CDCE913，可通過按鍵進(jìn)行手動和自動掃描的選擇，從而改變CDCE913的內(nèi)部參數(shù)，輸出所需的頻率。

2.2 CDCE913芯片介紹

CDCE913芯片是美國德州儀器公司生產(chǎn)的基于鎖相環(huán)的可編程時鐘合成器。其特點有：單一的輸入頻率可以產(chǎn)生三個輸出時鐘頻率；每一個輸出頻率通過系統(tǒng)編程配置鎖相環(huán)，從而可以達(dá)到230 MHz；支持非易失性E2PROM編程，容易定制設(shè)備的應(yīng)用程序。相比于其他的鎖相環(huán)芯片，CDCE913具有低成本、高性能、體積小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍電路簡單的優(yōu)點[9]。CDCE913的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

2.3 STC15W4K58S4主控芯片介紹

STC15W4K58S4單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時鐘、寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。內(nèi)部集成高精度R/C時鐘（±0.3%）和高可靠復(fù)位電路， 8路10位PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（30萬次/s），內(nèi)置4 KB大容量SRAM。其所有I/O口均可由軟件配置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽輸出/強(qiáng)上拉、高阻輸入或者開漏輸出功能。

因為CDCE913的SDA/SCL需要3.3 V的電壓驅(qū)動，可將相應(yīng)的5 V單片機(jī)I/O口先串一個[330 Ω]的限流電阻到3.3 V的CDCE913 I/O口，程序初始化時將5 V單片機(jī)的I/O口設(shè)置成開漏配置，斷開內(nèi)部電阻，相應(yīng)地CDCE913的I/O口外部加10 kΩ上拉電阻到3.3 V電壓上，此時高電平為3.3 V，低電平為0 V，輸入輸出一切正常[10]。電路連接如圖5所示。

2.4 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計主要由芯片STC15W4K58S4、鎖相環(huán)芯片CDCE913、外部晶振和掃描方式選擇按鍵構(gòu)成。當(dāng)STC15W4K58S4接收到外部按鍵的操作命令時，STC15W4K58S4將通過SDA/SCL改變寫入CDCE913的參數(shù)，從而改變頻率輸出。硬件電路圖設(shè)計如圖6所示。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路設(shè)計完成之后，就要進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。主控芯片STC15W4K58S4要控制CDCE913，需先將其I/O口設(shè)置成開漏模式，通過I2C總線對CDCE913內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行配置，也可由按鍵進(jìn)行手動和自動掃描的方式選擇輸出所需的頻率。具體流程圖如圖7所示。

4 結(jié) 論

基于CDCE913鎖相芯片和主控芯片STC15W4K58S4的鎖相頻率合成器設(shè)計方案，可以產(chǎn)生80～230 MHz頻率范圍的周期信號。此合成器可實現(xiàn)在頻率范圍內(nèi)的自動、手動掃描，并且功耗低、體積小、電路簡單，能用于產(chǎn)生射頻通信系統(tǒng)中的本振信號和電子對抗中的干擾信號，在通信、雷達(dá)和儀器儀表等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

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