通用數(shù)字式頻率合成集成電路TSA5526的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：TSA5526；頻率合成器；分頻器；電荷泵
１ 概述
頻率合成技術(shù)是近代無線電技術(shù)發(fā)展中的一門新技術(shù)，也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通常利用一塊晶體或少量晶體組成標(biāo)準(zhǔn)頻率源，然后通過合成方法產(chǎn)生各種所需的頻率信號。這些頻率信號與標(biāo)準(zhǔn)頻率源具有相同的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。使用該技術(shù)構(gòu)成的電路在通信設(shè)備中稱為頻率合成器。頻率合成器的種類很多，目前普遍采用的是數(shù)字式頻率合成器。數(shù)字式頻率合成器由晶體振蕩器、固定分頻器、鑒相器、濾波器和ＶＣＯ等組成，晶體振蕩器輸出的頻率信號經(jīng)固定分頻器后得到標(biāo)準(zhǔn)頻率，而ＶＣＯ輸出的頻率信號經(jīng)可變分頻器分頻后得到實(shí)際頻率信號，兩信號在鑒相器中經(jīng)相位比較產(chǎn)生的環(huán)路鎖定控制電壓將通過濾波器加到ＶＣＯ上，以對實(shí)際頻率信號進(jìn)行控制和校正，直到環(huán)路鎖定。當(dāng)所需信號頻率較高時，該電路的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試難度較大，通常只能依靠專業(yè)廠家來完成，不僅成本高，而且生產(chǎn)周期長。ＴＳＡ５５２６芯片是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的通用數(shù)字頻率合成集成電路，它將晶體振蕩器、固定分頻器、鑒相器、濾波器等電路集成在一塊芯片上，其主要特性參數(shù)如下：
●輸入射頻信號的頻率為：６４～１３００ＭＨｚ；
●輸入射頻信號的電平為：－２８～３ｄＢｍ；
●輸出誤差調(diào)整電壓為：４．５～３３Ｖ；
●具有鎖定檢測功能；
●內(nèi)置可編程的１５ｂｉｔ分頻器；
●通過程序控制可在５１２、６４０和１０２４中選擇基準(zhǔn)信號分頻比，在外接４ＭＨｚ晶振時，則可獲得３．９０６２５ｋＨｚ、６．２５ｋＨｚ和７．８１２５ｋＨｚ的頻率精度；
●可選擇Ｉ２Ｃ總線和３總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
●采用單電源供電，電源電壓為４．５～５．５Ｖ。
２ 引腳功能
ＴＳＡ５５２６有ＳＳＯＰ１６和ＳＯ１６兩種封裝，引腳排列如圖１所示，各引腳功能見表１所列。
表1 TSA5526的引腳功能
| 引 腳 | 名 稱 | 功 能 |
應(yīng) 用 說 明 |
| 1 | RF | 射頻信號RF輸入 | 通常接本振輸出 |
| 2 | VEE | 地 | |
| 3 | VCC1 | 電源電壓1 | 芯片電源，接+5V |
| 4 | VCC2 | 電源電壓2 | 開關(guān)控制電源，通常接+12V |
| 5 | BS4 | 電子開關(guān)BS4輸出 | PNP三極管OC輸出 |
| 6 | BS3 | 電子開關(guān)BS3輸出 | PNP三極管OC輸出 |
| 7 | BS2 | 電子開關(guān)BS2輸出 | PNP三極管OC輸出 |
| 8 | VS1 | 電子開關(guān)BS1輸出 | PNP三極管OC輸出 |
| 9 | CP | 環(huán)路濾波器 | 外接RC濾波網(wǎng)絡(luò) |
| 10 | Vtune | 誤差控制電壓輸出 | 通過上拉電阻輸出直流電壓并加到VCO |
| 11 | SW | 總線選擇開關(guān) | 接地時選擇I2C總線方式；懸空時選擇3總線方式 |
| 12 | LOCK/ADC | 鎖定標(biāo)志/ADC輸入 | 3總線方式時為鎖定標(biāo)志，低電平有效；I2C總線方式時5為電平ADC輸入端 |
| 13 | SCL | 串行時鐘 | 下降沿時將SDA輸出的數(shù)據(jù)鎖存 |
| 14 | SDA | 串行數(shù)據(jù) | 在3總線方式時， 18bit、19bit和27bit三種數(shù)據(jù)可供選擇 |
| 15 | CE | 片選信號 | 高電平有效 |
| 16 | XTAL | 基準(zhǔn)振蕩輸入 | 通常外接4MHz晶體 |
表2 寫狀態(tài)數(shù)據(jù)格式
| 字 節(jié) | MSB | 數(shù)據(jù)字節(jié) | LSB | |||||
| 地址字節(jié)（ADB） | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | MA1 | MA0 | |
| 分頻字節(jié)（DI1） | 0 | N14 | N13 | N12 | N11 | N10 | N9 | N8 |
| 分頻字節(jié)2（DB2） | N7 | N6 | N5 | N4 | N3 | N2 | N1 | N0 |
| 控制字節(jié)（CB） | 1 | CP | T2 | T1 | T0 | RSA | RSB | 0S |
| 電子開字節(jié)（BB） | 空 | 空 | 空 | 空 | BS4 | BS3 | BS2 | BS1 |
３ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
ＴＳＡ５５２６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示，它包括射頻信號處理單元、基準(zhǔn)信號處理單元、相位比較和輸出單元以及接口控制單元等四部分。射頻信號處理單元對輸入的射頻小信號進(jìn)行放大和８分頻，再送到１５ｂｉｔ可編程分頻器，分頻比的大小可根據(jù)輸入射頻信號的頻率來確定?；鶞?zhǔn)信號處理單元中的基準(zhǔn)振蕩器通過外接晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)信號，同時經(jīng)基準(zhǔn)分頻器產(chǎn)生基準(zhǔn)信號?；鶞?zhǔn)分頻器通過編程可選５１２、６４０和１０２４三種分頻比。經(jīng)過分頻處理后的兩路信號同時加到數(shù)字式相位比較器，然后經(jīng)電荷泵、放大器和驅(qū)動三極管后得到誤差控制電壓輸出。接口控制單元用于實(shí)現(xiàn)微處理器與該器件的通信，它一方面接收微處理器送來的數(shù)據(jù)并在內(nèi)部處理以形成各種控制指令；另一方面將本器件的狀態(tài)送往微處理器。通過ＳＷ端信號的不同連接，可選擇兩種串行通信方式：Ｉ２Ｃ總線方式和３總線方式。
圖2
３．１ Ｉ２Ｃ總線方式
ａ． 寫狀態(tài)?Ｒ／Ｗ＝０?
在寫狀態(tài)時，對ＴＳＡ５５２６編程需要四個數(shù)據(jù)字節(jié)，并應(yīng)在地址字節(jié)傳輸后將數(shù)據(jù)字節(jié)送入芯片。當(dāng)?shù)刂纷止?jié)?第一字節(jié)?傳輸后，Ｉ２Ｃ總線的收發(fā)會使地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)連在一起，并在一個傳輸過程中傳輸完畢。如果地址字節(jié)后的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)為分頻字節(jié)或控制字節(jié)，則芯片將被部分編程。表２是其數(shù)據(jù)字節(jié)定義。表中，ＭＡ１和ＭＡ０是可編程地址位，用于控制加到片選端的電壓。Ｎ１４～Ｎ０為可編程分頻比，其分頻比為：
Ｎ＝Ｎ１４×２１４＋Ｎ１３×２１３＋…＋Ｎ１×２＋Ｎ０
ＣＰ為控制電荷泵電流大小位，ＣＰ為０，對應(yīng)電流為６０μＡ，ＣＰ為１時，電流為２８０μＡ?缺省值?。Ｔ２～Ｔ０代表測試位。ＲＳＡ和ＲＳＢ為基準(zhǔn)分頻比選擇位。０Ｓ為可調(diào)放大器控制位，０Ｓ位為０時，可調(diào)放大器接通?缺省值?，０Ｓ位為１時斷開。ＢＳ４～ＢＳ１是ＰＮＰ電子開關(guān)控制位，其對應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)ＢＳｎ為０時，電子開關(guān)ｎ接通；當(dāng)ＢＳｎ為１時，電子開關(guān)ｎ斷開。
表3 讀狀態(tài)數(shù)據(jù)格式
| 字節(jié) | MSB | 數(shù) 據(jù) 字 節(jié) | LSB | |||||
| 地址字節(jié) | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | MA1 | MA2 | R/W=1 |
| 狀態(tài)字節(jié) | POR | FL | ACPS | 1 | 1 | A2 | A1 | A0 |
表4 3總線方式數(shù)據(jù)格式
| 數(shù)據(jù)形式 | D0D3 | D4D17 | D18 | D19 | D20 | D21 | D22 | D23 | D24 | D25 | D26 |
| 18位 | BS4BS1 | N13N0 | |||||||||
| 19位 | BS4BS1 | N14N1 | N0 | ||||||||
| 27位 | BS4BS1 | N14N1 | N0 | - | CP | T2 | T1 | T0 | RSA | RSB | 0S |
ｂ．讀狀態(tài)?Ｒ／Ｗ＝１?
表３所列為讀狀態(tài)數(shù)據(jù)格式。當(dāng)輔助地址位被識別之后，將自動產(chǎn)生一個響應(yīng)脈沖到ＳＤＡ線上。ＳＤＡ線上的數(shù)據(jù)在ＳＣＬ時鐘信號為高電平時有效，數(shù)據(jù)字節(jié)在ＳＤＡ線上產(chǎn)生應(yīng)答信號之后從器件中讀出；如果沒有主應(yīng)答信號產(chǎn)生，傳輸過程就會結(jié)束，此時芯片將釋放數(shù)據(jù)線從而使微控制器產(chǎn)生終止條件。當(dāng)上電時，ＰＯＲ標(biāo)志被置為１，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志時，ＰＯＲ標(biāo)志被復(fù)位?讀周期的結(jié)束。ＦＬ為進(jìn)入鎖存標(biāo)志，用于表示何時循環(huán)建立起來。通過對ＦＬ置１或清零可對循環(huán)進(jìn)行控制。ＡＣＰＳ為自動充電電流轉(zhuǎn)換標(biāo)志，當(dāng)自動充電電流轉(zhuǎn)換打開且循環(huán)鎖定時，此標(biāo)志為０，此時充電電流被強(qiáng)制為低。在其它條件下，ＡＣＰＳ為邏輯１。在Ｉ２Ｃ總線狀態(tài)下，內(nèi)置的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器可將自動頻率微調(diào)模擬電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送往微控制器。
３．２ ３總線方式
在３總線方式下，該器件接收的數(shù)據(jù)有１８位、１９位和２７位三種，參見表４。在該方式下，當(dāng)片選引腳ＣＥ由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，ＳＣＬ引腳輸入時鐘脈沖的下降沿會將ＳＤＡ引腳上的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)的前四位用來控制電子開關(guān)的通斷，在第五個時鐘脈沖的上升沿，這四位數(shù)據(jù)被送入內(nèi)部電子開關(guān)控制寄存器。如果傳輸?shù)氖牵保富颍保刮粩?shù)據(jù)字，那么，在片選線上電平由高向低轉(zhuǎn)換時，頻率位將被送入頻率寄存器。在上電復(fù)位狀態(tài)下，電荷泵電流為２８０μＡ，調(diào)諧電壓輸出被關(guān)斷；而在標(biāo)準(zhǔn)模式下，當(dāng)ＡＣＰＳ標(biāo)志為高電位時，測試位Ｔ２～Ｔ０被置為００１，此時將禁止ＴＳＡ５５２６輸出。當(dāng)傳輸?shù)氖牵玻肺粩?shù)據(jù)字時，在時鐘脈沖的第２０個上升沿到來時，頻率位將被送入頻率寄存器，而控制位則在片選引腳ＣＥ從高電平向低電平轉(zhuǎn)換時送入控制寄存器。在這種方式下，基準(zhǔn)分頻比由ＲＳＡ和ＲＳＢ位確定，測試位（Ｔ２、Ｔ１、Ｔ０）、電荷泵控制位ＣＰ、分頻比選擇位（ＲＳＡ、ＲＳＢ）以及０Ｓ位只能進(jìn)行２７位的傳輸。圖３所示是３總線方式時的時序圖。
表5 AT89C51內(nèi)RAM中20H、21H、22H、23H的定義
| 字節(jié)地址 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
| 20H | BS4 | BS3 | BS2 | BS1 | N14 | N13 | N12 | N11 |
| 21H | N10 | N9 | N8 | N7 | N6 | N5 | N4 | N3 |
| 22H | N2 | N1 | N0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 23H | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
4 應(yīng)用
ＴＳＡ５５２６在某航空電子設(shè)備檢查儀中的應(yīng)用電路如圖４所示，圖中，單片機(jī)與ＴＳＡ５５２６采用３總線方式進(jìn)行通信。Ｐ１．０與ＳＣＬ引腳相連，用于串行時鐘輸出。Ｐ１．１與ＳＤＡ引腳相連，用于串行數(shù)據(jù)輸出。Ｐ１．２與ＣＥ引腳相連以進(jìn)行片選控制；電子開關(guān)ＢＳ１～ＢＳ４用于通過ＶＣＯ產(chǎn)生４種不同頻率信號，ＶＣＯ的輸出將通過Ｃ６送到ＴＳＡ５５２６的ＲＦ引腳，并經(jīng)分頻后與基準(zhǔn)信號進(jìn)行相位比較。Ｖｔｕｎｅ輸出的誤差控制電壓經(jīng)電阻Ｒ３、電容Ｃ５加到ＶＣＯ。Ｒ１、Ｃ４的數(shù)值可用于決定微調(diào)的快慢。當(dāng)頻率鎖定后，ＬＯＣＫ引腳將變?yōu)榈碗娖剑⒃撾娖酵ㄟ^ＡＴ８９Ｃ５１的Ｐ１．３引腳送入單片機(jī)進(jìn)行檢測。本電路采用２７位數(shù)據(jù)格式，發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５１中ＲＡＭ的２０Ｈ、２１Ｈ、２２Ｈ、２３Ｈ四個單元中，各位定義見表５所列。其具體程序清單如下：
Ｒｆｅｇａｄｊ: ＣＬＲ Ｐ１．０
ＳＥＴＢ Ｐ１．２
ＭＯＶ Ｒ０，＃０８Ｈ
Ｆｒｅｇａｄｊ１: ＭＯＶ Ａ,２０Ｈ
ＣＬＲ Ｃ
ＲＲＣ Ａ
ＭＯＶ Ｐ１．１，Ｃ
ＳＥＴＢ Ｐ１．０
ＮＯＰ
ＣＬＲ Ｐ１．０
ＤＪＮＺ Ｒ０，Ｆｒｅｇａｄｊ１
ＭＯＶ Ｒ０?＃０８Ｈ
Ｆｒｅｇａｄｊ２: ＭＯＶ Ａ,２１Ｈ
ＣＬＲ Ｃ
ＲＲＣ Ａ
ＭＯＶ Ｐ１．１，Ｃ
ＳＥＴＢ Ｐ１．０
ＮＯＰ
ＣＬＲ Ｐ１．０
ＤＪＮＺ Ｒ０，Ｆｒｅｇａｄｊ２
ＭＯＶ Ｒ０,＃０８Ｈ
Ｆｒｅｇａｄｊ３：ＭＯＶ Ａ，２２Ｈ
ＣＬＲ Ｃ
ＲＲＣ Ａ
ＭＯＶ Ｐ１．１，Ｃ
ＳＥＴＢ Ｐ１．０
ＮＯＰ
ＣＬＲ Ｐ１．０
ＤＪＮＺ Ｒ０，Ｆｒｅｇａｄｊ３
ＭＯＶ Ｒ０，＃０３Ｈ
Ｆｒｅｇａｄｊ４： ＭＯＶ Ａ，２３Ｈ
ＣＬＲ Ｃ
ＲＲＣ Ａ
ＭＯＶ Ｐ１．１，Ｃ
ＳＥＴＢ Ｐ１．０
ＮＯＰ
ＣＬＲ Ｐ１．０
ＤＪＮＺ Ｒ０，Ｆｒｅｇａｄｊ４
ＲＥＴ
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