基于單片機控制的ADF4106鎖相頻率合成器設(shè)計
[導(dǎo)讀]文中介紹了利用單片機AT89C2051控制頻率合成器芯片AD4106來實現(xiàn)頻率合成器的設(shè)計方法，其電路結(jié)構(gòu)精簡，性能可靠，而且可以通過改變系統(tǒng)軟件編程來獲得一系列高性能的頻率信號。
0 引言
在現(xiàn)代電子技術(shù)的設(shè)計與開發(fā)過程中，特別是在通信、雷達、航空、航天以及儀器儀表等領(lǐng)域，都需要進一步提高一系列高精度、高穩(wěn)定度的頻率源的頻率精度。這樣，一般的振蕩器已經(jīng)無法滿足各種應(yīng)用的發(fā)展要求，而晶體振蕩器的性能雖然比較好，但其頻率單一，或只能在極小的范圍內(nèi)進行微調(diào)。因此，本文提出了一種基于單片機AT89C2051控制的、利用鎖相技術(shù)、以ADI公司生產(chǎn)的頻率合成器芯片AD4106為核心，來實現(xiàn)鎖相頻率合成器的設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
該鎖相頻率合成器的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由頻率合成器AD4106、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、晶體振蕩器以及參考分頻器和程序分頻器共同構(gòu)成鎖相環(huán)路(PLL)。該環(huán)路輸入端由高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的晶體振蕩器經(jīng)參考分頻器分頻后，輸出基準(zhǔn)頻率，然后利用鎖相環(huán)路良好的窄帶跟蹤特性，使壓控振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確地穩(wěn)定在參考頻率或某次諧波上。環(huán)路芯片ADF4106中設(shè)有程序分頻器和參考分頻器，可由單片機AT89C2051來編程控制，并可通過改變單片機程序，利用所提供適當(dāng)?shù)腘、R值，來求高性能的輸出頻率f0。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出頻率f0可由正式計算出：
式中：N為程序分頻比，R為參考分頻比，fr為晶體振蕩器固定頻率，f0為輸出頻率。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
下面以410 MHz鎖相頻率合成器為例來說明系統(tǒng)實現(xiàn)過程。
2.1 ADF4106的結(jié)構(gòu)特性
ADF4106是美國ADI公司生產(chǎn)的集成數(shù)字鎖相頻率合成芯片。它集成有一個低噪音的數(shù)字鑒相器、可編程的分頻器、可編程A／B計數(shù)器、雙模前置分頻(P／P+1)、精確的電荷泵以及其它模塊。ADF4106最大特點就是具有極高的工作頻率，因此可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低功耗和設(shè)備成本。此外還可以通過簡單的3線接口控制片內(nèi)的寄存器，方便地控制芯片工作狀態(tài)。其ADF4106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
ADF4106的技術(shù)參數(shù)有：可輸出頻率為小于550 MHz；雙模因子為8／9(P=8)；參考頻率為5M＜fr＜100 M；鎖定頻率f0=Nfr／R，其中N=(BP+A)；A、B、R為內(nèi)部可編程計數(shù)器，A為5位，B、R為14位。
2.2 系統(tǒng)硬件電路
系統(tǒng)硬件電路連接圖如圖3所示。圖中ADF4106的CP腳外接電容390 pF、2700 pF和39pF以及電阻10 kΩ、27 kΩ構(gòu)成環(huán)路濾波器，本系統(tǒng)中采用三階環(huán)路濾波器，主要用于衰減誤差電壓中的高頻分量，提高系統(tǒng)抗干擾能力。其環(huán)路帶寬為20 kHz。另外，由于壓控振蕩器的輸入端電壓較大，而頻率合成器的輸出電壓小，所以設(shè)計中選擇了運算放大器芯片AD820來放大誤差電壓信號。
基于頻率合成器在滿足其它技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，還要實現(xiàn)電路的小型化，因此設(shè)計中選擇Mini-Circuit公司生產(chǎn)的POS-535、體積小、可靠性高的壓控振蕩器。
本設(shè)計中的單片機選用的是Atmel公司的AT89C2051芯片，該單片機可用以對ADF4106進行控制。AT89C2051是一個8位單片機，其內(nèi)部含有2 KB的可編程可擦除閃爍存儲器和15個I／O編程口。另外，在設(shè)計時，還應(yīng)該在單片機與ADF4106之間接入一片74L373芯片，以緩沖單片機中的雜散干擾。
3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
ADF4106的控制位為24位，其中低兩位為地址位，00表示“R counter”，01表示“N counter”，10表示“Function Latch”，11表示“InitializationLatch”。其晶體振蕩器頻率為10 MHz，輸出頻率為410 MHz。圖4為系統(tǒng)CLK、DATA與LE之間的控制關(guān)系時序圖。其單片機AT89C2051的配置程序如下：
4 仿真測試
該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出頻率410 MHz，相位裕量為45°，幅值裕量為-10 dB，調(diào)諧靈敏度為20 MHz／V，頻率穩(wěn)定度為±1×10-6。利用ADI公司的ADIsimPLL軟件對系統(tǒng)仿真，其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，完全符合設(shè)計要求。
5 結(jié)束語
文中介紹了利用單片機AT89C2051控制頻率合成器芯片AD4106來實現(xiàn)頻率合成器的設(shè)計方法，其電路結(jié)構(gòu)精簡，性能可靠，而且可以通過改變系統(tǒng)軟件編程來獲得一系列高性能的頻率信號。
在現(xiàn)代電子技術(shù)的設(shè)計與開發(fā)過程中，特別是在通信、雷達、航空、航天以及儀器儀表等領(lǐng)域，都需要進一步提高一系列高精度、高穩(wěn)定度的頻率源的頻率精度。這樣，一般的振蕩器已經(jīng)無法滿足各種應(yīng)用的發(fā)展要求，而晶體振蕩器的性能雖然比較好，但其頻率單一，或只能在極小的范圍內(nèi)進行微調(diào)。因此，本文提出了一種基于單片機AT89C2051控制的、利用鎖相技術(shù)、以ADI公司生產(chǎn)的頻率合成器芯片AD4106為核心，來實現(xiàn)鎖相頻率合成器的設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
該鎖相頻率合成器的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由頻率合成器AD4106、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、晶體振蕩器以及參考分頻器和程序分頻器共同構(gòu)成鎖相環(huán)路(PLL)。該環(huán)路輸入端由高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的晶體振蕩器經(jīng)參考分頻器分頻后，輸出基準(zhǔn)頻率，然后利用鎖相環(huán)路良好的窄帶跟蹤特性，使壓控振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確地穩(wěn)定在參考頻率或某次諧波上。環(huán)路芯片ADF4106中設(shè)有程序分頻器和參考分頻器，可由單片機AT89C2051來編程控制，并可通過改變單片機程序，利用所提供適當(dāng)?shù)腘、R值，來求高性能的輸出頻率f0。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出頻率f0可由正式計算出：
式中：N為程序分頻比，R為參考分頻比，fr為晶體振蕩器固定頻率，f0為輸出頻率。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
下面以410 MHz鎖相頻率合成器為例來說明系統(tǒng)實現(xiàn)過程。
2.1 ADF4106的結(jié)構(gòu)特性
ADF4106是美國ADI公司生產(chǎn)的集成數(shù)字鎖相頻率合成芯片。它集成有一個低噪音的數(shù)字鑒相器、可編程的分頻器、可編程A／B計數(shù)器、雙模前置分頻(P／P+1)、精確的電荷泵以及其它模塊。ADF4106最大特點就是具有極高的工作頻率，因此可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低功耗和設(shè)備成本。此外還可以通過簡單的3線接口控制片內(nèi)的寄存器，方便地控制芯片工作狀態(tài)。其ADF4106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
ADF4106的技術(shù)參數(shù)有：可輸出頻率為小于550 MHz；雙模因子為8／9(P=8)；參考頻率為5M＜fr＜100 M；鎖定頻率f0=Nfr／R，其中N=(BP+A)；A、B、R為內(nèi)部可編程計數(shù)器，A為5位，B、R為14位。
2.2 系統(tǒng)硬件電路
系統(tǒng)硬件電路連接圖如圖3所示。圖中ADF4106的CP腳外接電容390 pF、2700 pF和39pF以及電阻10 kΩ、27 kΩ構(gòu)成環(huán)路濾波器，本系統(tǒng)中采用三階環(huán)路濾波器，主要用于衰減誤差電壓中的高頻分量，提高系統(tǒng)抗干擾能力。其環(huán)路帶寬為20 kHz。另外，由于壓控振蕩器的輸入端電壓較大，而頻率合成器的輸出電壓小，所以設(shè)計中選擇了運算放大器芯片AD820來放大誤差電壓信號。
基于頻率合成器在滿足其它技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，還要實現(xiàn)電路的小型化，因此設(shè)計中選擇Mini-Circuit公司生產(chǎn)的POS-535、體積小、可靠性高的壓控振蕩器。
本設(shè)計中的單片機選用的是Atmel公司的AT89C2051芯片，該單片機可用以對ADF4106進行控制。AT89C2051是一個8位單片機，其內(nèi)部含有2 KB的可編程可擦除閃爍存儲器和15個I／O編程口。另外，在設(shè)計時，還應(yīng)該在單片機與ADF4106之間接入一片74L373芯片，以緩沖單片機中的雜散干擾。
3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
ADF4106的控制位為24位，其中低兩位為地址位，00表示“R counter”，01表示“N counter”，10表示“Function Latch”，11表示“InitializationLatch”。其晶體振蕩器頻率為10 MHz，輸出頻率為410 MHz。圖4為系統(tǒng)CLK、DATA與LE之間的控制關(guān)系時序圖。其單片機AT89C2051的配置程序如下：
4 仿真測試
該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出頻率410 MHz，相位裕量為45°，幅值裕量為-10 dB，調(diào)諧靈敏度為20 MHz／V，頻率穩(wěn)定度為±1×10-6。利用ADI公司的ADIsimPLL軟件對系統(tǒng)仿真，其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，完全符合設(shè)計要求。
5 結(jié)束語
文中介紹了利用單片機AT89C2051控制頻率合成器芯片AD4106來實現(xiàn)頻率合成器的設(shè)計方法，其電路結(jié)構(gòu)精簡，性能可靠，而且可以通過改變系統(tǒng)軟件編程來獲得一系列高性能的頻率信號。
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