鎖相環(huán)頻率合成器的方案研究

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各種新型的頻率合成器和頻率合成方案不斷涌現(xiàn)，利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)研制出了很多頻率合成集成電路。本文介紹一種以摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC145152芯片的為基礎(chǔ)的頻率合成器。這種鎖相環(huán)頻率合成器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率一致，從總體結(jié)構(gòu)上看由單片機(jī)、鎖相環(huán)及可編程分頻器三部分組成。其中可編程分頻器是單片微機(jī)與鎖相環(huán)之間的接口，同時(shí)也是組成數(shù)字鎖相頻率合成器的關(guān)鍵部件，在移動(dòng)通信陸地電臺(tái)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1 MC145152芯片的特點(diǎn)及功能

MC145152是MOTOROLA公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，是16比特并行輸入并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模鎖相環(huán)頻率合成器，該芯片內(nèi)含參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器(分頻比為8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048)，雙端輸出的數(shù)字鑒相器、控制邏輯、10比特可編程的÷N計(jì)數(shù)器(分頻比為3～1 023)、6比特可編程÷A計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)范圍為0～63)和鎖定檢測(cè)等部分。其中，10比特÷N計(jì)數(shù)器、6比特÷A計(jì)數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞脈沖程序分頻器，吞脈沖程序分頻器的總分頻比為：N總=NP+A，其內(nèi)部組成框圖如圖1所示。

(1)他與雙模(P／(P+1))分頻器同時(shí)使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時(shí)，雙模分頻器用(P+1)去除；當(dāng)MC為高電平時(shí)，雙模分頻器用模數(shù)P去除。

(2)他有A計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器兩個(gè)計(jì)數(shù)器。他們與雙模(P／(P+1))分頻器提供了總分頻值(NP+A)。其中，A、N計(jì)數(shù)器可預(yù)置。N的取值范圍為3～1 023，A的取值范圍為0～63。A計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，MC為低電平；N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)(N-A)期間，MC為高電平。

(3)他有一個(gè)參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。

(4)他有一個(gè)R計(jì)數(shù)器，用來(lái)給參考振蕩器分頻，R計(jì)數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048。

(5)他有兩路鑒相信號(hào)輸出，其中，φR，φV用來(lái)輸出鑒相誤差信號(hào)，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號(hào)。

MC145152的工作原理；參考振蕩器信號(hào)經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號(hào)。壓控振蕩器信號(hào)經(jīng)雙模(P／(P+1))分頻器分頻，再經(jīng)A，N計(jì)數(shù)器分頻器后形成fv信號(hào)，fv=fvco／(NP+A)。fR信號(hào)和fV信號(hào)在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(hào)(φR，φV)經(jīng)低通濾波器形成直流信號(hào)，直流信號(hào)再去控制壓控振蕩器的頻率。

當(dāng)整個(gè)環(huán)路鎖定后，fO=fR且同相，fVCO=(NP+A)fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。

2 909～915 MHz數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計(jì)

圖2為移動(dòng)通信909～915 MHz頻率合成器的設(shè)計(jì)電路，其中壓控振蕩器輸出的頻率通過(guò)雙模預(yù)分頻器MC12054A預(yù)分頻，再輸出到可編程并行輸入鎖相環(huán)MC145152中，單片機(jī)AT89C51通過(guò)I／O口對(duì)MC145152進(jìn)行編程，以改變其計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值，從而改變分頻比，鑒相器雙輸出端輸出的誤差信號(hào)φV和φR輸入到雙端輸入的有源低通濾波器，輸出信號(hào)直接對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行控制，構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)控鎖相環(huán)。單片機(jī)接收人工調(diào)整、設(shè)置的數(shù)值，并對(duì)MC145152的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值進(jìn)行不同的預(yù)置，以鎖定不同的頻率，達(dá)到改變不同頻點(diǎn)信號(hào)的目的。

2.1 909～915 MHz頻率合成器元件的選取

鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC145152。晶振選用12.8 MHz的溫補(bǔ)晶體，他的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)10-8。低通濾波器選用運(yùn)放芯片MC33171；雙模分頻器選用MC12011與MC10154串聯(lián)組成÷64／65雙模前置分頻器，環(huán)路總分頻比N總=N×64+A=36 360～36 600，N=568～571，A=0～63。

2.2 909～915 MHz頻率合成器電路的設(shè)計(jì)

(1)MC145152芯片參數(shù)的設(shè)計(jì)

909～915 MHz頻率合成器電路圖如圖2所示。

fVCO=909～915 MHz，P=64，晶體振蕩器的頻率為12.8 MHz，參考分頻器R取512，RA2～RA0為100，則：

因此，N的取值范圍為568～571，A的取值范圍為0～63，對(duì)應(yīng)分頻比36 360，N計(jì)數(shù)器二進(jìn)制為1000111011，A計(jì)數(shù)器二進(jìn)制為111000，對(duì)應(yīng)分頻比36 600，N計(jì)數(shù)器二進(jìn)制為1000111011，A計(jì)數(shù)器二進(jìn)制為111000，其余類推。R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器、A計(jì)數(shù)器可預(yù)置，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯1。

2.3外圍電路參數(shù)設(shè)計(jì)

假設(shè)壓控振蕩器控制電壓△Vd=10 V，鑒相靈敏度Kd=9／2πV／rad，ζ值的大小直接影響環(huán)路的瞬態(tài)特性，ζ值大，環(huán)路的低通特性性能變差，對(duì)輸入頻率成分濾出能力降低；ζ值太小，瞬態(tài)特性有較大的過(guò)沖，捕捉時(shí)間加長(zhǎng)，故需折衷考慮ζ的取值，通常比較合適的數(shù)值為ζ=0.5～1.5，通常選擇最佳值1。

ωn為環(huán)路自然諧振角頻率，ωn值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制，ωn應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率ωd，通常可按下式選擇ωn=ωd／(30～1 000)，當(dāng)噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，ωn可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，ωn可選擇得大些，這里參數(shù)選10，因此叫ωn為2 500 rad／s。


有源比例積分濾波器由運(yùn)放芯片MC33171構(gòu)成，根據(jù)前面確定的參數(shù)K0，Kd和ωn可以確定R1和R2。

取電容標(biāo)稱值C為0.015μF，則R1為1 574 Ω，取電阻標(biāo)稱值1.6 kΩ，R2為53 333 Ω，取標(biāo)稱值5.4 kΩ。

當(dāng)ζ選定和快捕時(shí)間ωn選定以后，自然角頻率ts由下式?jīng)Q定：

，轉(zhuǎn)換時(shí)間快，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

如還有其他技術(shù)指標(biāo)要求，還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)整，使之達(dá)到指標(biāo)要求并留有余量，最后再?zèng)Q定頻率合成器環(huán)路參數(shù)。

3結(jié) 語(yǔ)

本文用鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片MC145152及其外圍電路設(shè)計(jì)了909～915 MHz步進(jìn)25 kHz的頻率合成器，該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩(wěn)定度，大大促進(jìn)了數(shù)字鎖相頻率合成器集成化程度的提高和體積的縮小，滿足了通信設(shè)備的高集成度和超小型化的要求，特別適合某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。