摘   要： 設(shè)計(jì)基于MCl45163P的智能鎖相頻率合成器,，此系統(tǒng)是在經(jīng)典頻率鎖相合成器電路的基礎(chǔ)上，加入單片機(jī)控制環(huán)節(jié),，實(shí)現(xiàn)頻率輸出的自動(dòng)控制,、預(yù)置頻率值、顯示頻率等功能,。對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)描述,，最后對(duì)系統(tǒng)作了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析。
關(guān)鍵詞： 鎖相環(huán),；鎖相頻率合成器,；壓控振蕩器（VCO）；計(jì)數(shù)器

1 基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　 基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統(tǒng)框圖如圖1所示,。環(huán)中的÷N分頻器采用可編程的程序分頻器,，fr=fv時(shí)，環(huán)路鎖定,，頻率合成器輸出頻率為fo=Nfr=Nfs/R,。式中fr為參考頻率，通常是用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生,，經(jīng)過固定分頻比的參考分頻之后獲得,，此處fr=fs/R；因N,、R均可調(diào),，輸出頻率源的頻率點(diǎn)較豐富,較容易滿足各種場合的要求。

　 MCl45163P是Motolora公司的CMOS大規(guī)模集成鎖相頻率合成器,，其內(nèi)部功能塊包括圖1中虛線部分,，MCl45163P內(nèi)部結(jié)構(gòu)框如圖2所示。主要集成了參考分頻器,、兩個(gè)相位比較器和4位BCD/N分頻器,，配合環(huán)路濾波和壓控振蕩器可以得到一個(gè)完整、實(shí)用的鎖相頻率合成器,。

    輸出頻率間隔和13位/R計(jì)數(shù)器：引腳RA0和RAl用來決定MCl45163P內(nèi)部參考分頻器的分頻比,RA0,、RA1有四種組合決定參考分頻器(R計(jì)數(shù)器)的分頻比的情況：RA1、RA0=00分頻比512,；RA1,、RA0=01分頻比1 024；RA1,、RA0=10分頻比2 048,；RA1,、RA0=11分頻比4 096。選擇合適的分頻比,，可以得到對(duì)晶振頻率fs的分頻,，進(jìn)而得到參考頻率fr=fs/R。因?yàn)轭l率合成器的輸出頻率fo=Nfr,，因此,，fr也是輸出頻率的間隔(步進(jìn)頻率)。
    輸出頻率和4位BCD/N計(jì)數(shù)器：MCl45163P內(nèi)部帶有4位BCD/N計(jì)數(shù)器,，通過設(shè)定4位BCD的數(shù)值,，可以得到N計(jì)數(shù)器(分頻)值。例如：4位BCD數(shù)值設(shè)置為1 000,，則環(huán)路中N計(jì)數(shù)器(分頻)的N值為1000(引腳24～9為0001 0000 0000 0000),；4位BCD數(shù)值設(shè)置為0750，則環(huán)路中N計(jì)數(shù)器(分頻)的N值為0750(引腳24～9為0000 0111 0101 0000),。頻率合成器的輸出頻率fo=Nfr,。
2 MCl45163P的應(yīng)用設(shè)計(jì)
2.1頻率范圍和頻率步進(jìn)設(shè)計(jì)
    只從N分頻的設(shè)置范圍3～9 999來看，如果頻率步進(jìn)fr設(shè)定為1 kHz,，那么f0輸出頻率為3 kHz～9 999 kHz,，但要受到VCO輸出頻率覆蓋范圍的限制。實(shí)際選用的VCO器件74LS628,環(huán)路處于鎖定狀態(tài)的測量頻率范圍在0.7 MHz～9.999 MHz,。另外,，考慮到最后輸出波形達(dá)到占空比為50％的方波，因此可以在VCO輸出信號(hào)后加一個(gè)1/2分頻器進(jìn)行整形,、分頻，這樣輸出波形質(zhì)量較好,。于是這里將頻率步進(jìn)fr先設(shè)定為2 kHz,，fo=Nfr= 1.4 MHz～19.998 MHz，即fo的頻率步進(jìn)是2 kHz,；經(jīng)過1/2分頻器件得到的fo’=fo/2= 0.7 MHz～9.999 MHz,，即最后輸出信號(hào)fo’的頻率步進(jìn)為1 kHz，輸出波形和步進(jìn)同時(shí)達(dá)到要求,，實(shí)際相當(dāng)于雙環(huán)鎖相頻率合成器,。
2.2 BCD編碼接口設(shè)計(jì)
　 用10個(gè)按鍵S0~S9產(chǎn)生十進(jìn)制0～9的BCD編碼，4個(gè)按鍵S10-S13用來切換不同位數(shù),，并用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前BCD編碼所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),。電路框圖如圖3所示，其中以單片機(jī)AT89C2051為核心,，編寫4×4矩陣鍵盤的掃描控制處理程序,，可以實(shí)現(xiàn)上述按鍵功能,。采用該電路得到BCD編碼，優(yōu)點(diǎn)為可靠,、方便,，每次只需按下對(duì)應(yīng)的位控制按鍵(S10~S13)和對(duì)應(yīng)的BCD編碼按鍵(S0~S9)。由上述可知,輸出信號(hào)fo的頻率步進(jìn)為1 kHz,，所以數(shù)碼管顯示BCD編碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率,。

2.3 VCO選擇
　 TTL系列中的74LS624~74LS629是6種比較常用的VCO集成電路。該系統(tǒng)選用壓控振蕩器74LS628,，器件內(nèi)含1個(gè)VCO,、有雙向輸出（除Y輸出引腳,有帶Z輸出引腳）、使能端,、頻段轉(zhuǎn)換,、可外接Rext作溫度補(bǔ)償。
    使用74LS628壓控振蕩器時(shí)應(yīng)注意如下特性：
    (1)2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG,、13腳電位VFC不變時(shí),，3、4腳外接電容器Cext越大,，輸出信號(hào)頻率越低,，有利于達(dá)到頻率范圍的下限fmin，但不利于頻率范圍的上限fmax,。反之,，結(jié)論相反。因此必須選擇合適的Cext,，且需與VRNG配合好,，才可得到所要的輸出頻率。
    (2)2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG,、3,、4腳外接電容Cext都不變時(shí)，13腳電位VFC越高,，輸出信號(hào)頻率越高,。13腳電位VFC來自于MCl45163P與LF的控制信號(hào)動(dòng)態(tài)控制VCO而達(dá)到鎖定狀態(tài)的輸出PDout；3,、4腳外接電容器Cext應(yīng)取合適的電容值：這樣利用2腳頻段轉(zhuǎn)換控制電位VRNG的高低,，就可以比較容易地實(shí)現(xiàn)輸出頻率fo的頻率覆蓋范圍。
3 整體電路設(shè)計(jì)
    整體電路設(shè)計(jì)如圖4所示,。

    圖4中,接入MCl45163P的晶振為2.048 MHz,，若RAl、RA0=01即分頻比為1 024,，則可設(shè)定為2 kHz,。經(jīng)4位BCD編碼可方便地設(shè)定N值,，并可以由數(shù)碼管顯示當(dāng)前BCD編碼的十進(jìn)制數(shù),也即為當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率。VCO的Y輸出端通過電容交流耦合到MCl45163P的1腳,，經(jīng)過其內(nèi)部N分頻后與fr比較,，并由4腳PDout輸出，再經(jīng)3.3 kΩ電阻和4.7 μF電容組成的積分型低通濾波器得到控制電壓Vc最后接在VC0的13腳,。VCO的8腳輸出的信號(hào)送至l/2分頻器分頻并整形,，輸出信號(hào)頻率fo’。
    對(duì)于VCO頻段控制引腳RNG（2腳）這樣處理：通過集成數(shù)值比較器對(duì)BCD/N分頻的最高位D3進(jìn)行分檔,，例如可以通過DIP開關(guān)設(shè)定數(shù)值比較器基準(zhǔn)BCD(B3～B0)為0100或0011,，當(dāng)D3小于或超過基準(zhǔn)后分別得到高或低電位VRNG信號(hào)。VRNG接入VCO的2腳,，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率范圍的覆蓋,。否則固定VRNG不變的前提下，VCO無法實(shí)現(xiàn)頻率范圍的覆蓋,。
4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
    系統(tǒng)主要參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：4位BCD設(shè)置后，數(shù)碼管顯示的十進(jìn)制數(shù)值和用頻率計(jì)測量的信號(hào)頻率相一致,，驗(yàn)證了電路處于鎖定狀態(tài),，同時(shí)滿足前面提到的數(shù)碼管顯示BCD編碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是當(dāng)前PLL頻率合成器的輸出頻率。系統(tǒng)達(dá)到了鎖相頻率合成,，輸出頻率源在R為1 024時(shí),，輸出頻率范圍：0.7 MHz~10 MHz，輸出頻率步進(jìn)1 kHz,；鎖相環(huán)中的頻率步進(jìn)2 kHz,，信號(hào)源波形質(zhì)量較好，頻率實(shí)測值與理論計(jì)算值誤差較小,，相對(duì)誤差在0.8%以內(nèi),。改變R時(shí)，輸出頻率范圍可方便改變,；改變N,，得到不同輸出頻率點(diǎn),。
    本文設(shè)計(jì)的基于MCl45163P智能鎖相頻率合成器系統(tǒng),，加入了單片機(jī)控制環(huán)節(jié)，容易實(shí)現(xiàn)頻率輸出的自動(dòng)控制,，增加了頻率步進(jìn)搜索,、預(yù)置頻率值、顯示頻率等功能,，能得到輸出頻率覆蓋范圍較大,、輸出頻率步進(jìn)較小1 kHz（保證輸出頻率分辯率高）,、鎖相環(huán)頻率步進(jìn)較大2 kHz（保證頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較小）,、波形質(zhì)量較好（雜波較少）高頻頻率源,。本設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新性，利于對(duì)鎖相頻率合成芯片的應(yīng)用研究和鎖相頻率合成技術(shù)的研究,。
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