馬秀飛1,，焦杰2，李海濱3,，鄒德旋1
(1.江蘇師范大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院,，江蘇 徐州 221116; 2.吉林省廣播電視研究所，吉林 長春 130041; 3.吉林省六六一臺,，吉林 長春 130119)
摘要：收測固定頻率的節(jié)目信號和全頻段頻譜掃描是無線調(diào)頻廣播監(jiān)測工作的主要內(nèi)容,，在實際工作中，這兩種功能的實現(xiàn)通常分別使用廣播接收監(jiān)測板卡和頻譜監(jiān)測板卡兩種不同的設(shè)備,。根據(jù)這兩種不同設(shè)備高頻接收混頻電路的共性與差異，介紹了一種以CPLD為核心,，具有兩種監(jiān)測功能的電路,，可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要設(shè)置成為其中任意一個工作模式。這種設(shè)計方法具有電路簡單,、成本低,、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。該電路經(jīng)過在廣播電視監(jiān)測設(shè)備中的實際應(yīng)用,，取得了良好的效果,。
關(guān)鍵詞：下變頻器；CPLD,；鎖相環(huán)
中圖分類號：TP37文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.028
引用格式：馬秀飛,，焦杰,，李海濱，等. 調(diào)頻廣播監(jiān)測設(shè)備混頻電路的CPLD設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（1）：93-96.
0引言
無線調(diào)頻廣播監(jiān)測主要在固定頻率上收測節(jié)目信號,，或者在整個頻段內(nèi)進(jìn)行頻譜掃頻。在電路設(shè)計上都是采用超外差工作原理,，用下變頻器把接收信號轉(zhuǎn)換成中頻信號［1］,。接收信號的頻率等于本振頻率減去中放電路中心頻率的差，通過改變本振頻率來改變接收頻率,。定頻收測和掃頻兩種設(shè)備的工作原理相似,，只是兩者的工作狀態(tài)不一樣。定頻收測為了便于精確改變頻率,，一般采用鎖相環(huán)［12］設(shè)計本機(jī)振蕩器,；而掃頻監(jiān)測采用較快的速度不斷變換接收頻率，測量出整個頻段內(nèi)各個頻率的信號強(qiáng)度,，常用以下兩種方法設(shè)計這種掃頻振蕩器：
(1)用鎖相環(huán)設(shè)計振蕩器,，掃頻工作就是逐一設(shè)定接收頻率，測完一個頻率信號電平之后再測下一個頻率,。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是每個測量頻率都能準(zhǔn)確設(shè)置,，頻率分辨準(zhǔn)確［1］；還可以任意跳到指定的接收頻率,，進(jìn)行隨機(jī)測量,。但是每次設(shè)頻都會導(dǎo)致鎖相環(huán)失鎖，再次重新捕獲鎖定需要一個穩(wěn)定的過程,，所以掃頻速度較慢,。
(2)用鋸齒波作為掃描電壓，加到壓控振蕩器上產(chǎn)生本振信號,。這種方法的掃頻速度快,，但是壓控振蕩器的頻率與電壓之間并不存在精準(zhǔn)的函數(shù)關(guān)系，不能直接用掃描電壓準(zhǔn)確換算出振蕩頻率,。因此,，在這種掃頻式頻譜儀上會設(shè)計一個可移動的頻標(biāo)，標(biāo)記出正測量的那個頻率值,。
另外還有一種采用快速傅里葉變換(FFT）的頻譜分析儀,，信號經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之后，通過傅里葉運(yùn)算公式計算出各個頻率分量而得到頻譜曲線,。這種方法應(yīng)用在調(diào)頻廣播頻段的高頻信號測量時,，對模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器的性能要求較高。廣播監(jiān)測設(shè)備受成本限制而基本不采用這種方法,。
本文介紹了一種應(yīng)用在調(diào)頻廣播監(jiān)測設(shè)備中的混頻電路,，采用CPLD和下變頻器芯片設(shè)計,。在定頻收測模式下，用鎖相環(huán)產(chǎn)生本振信號,；在掃頻監(jiān)測模式下,，設(shè)計了一種帶有快速頻率測量功能的掃頻本振電路。并且還設(shè)計了一種帶有超時復(fù)位功能的SPI接口電路,，用于與單片機(jī)之間的通信,。
1基本電路
使用型號為EPM570的CPLD進(jìn)行設(shè)計，通過控制混頻芯片上的壓控振蕩器,，可以產(chǎn)生不同的振蕩頻率,。定頻收測工作模式下的電路是一個鎖相環(huán)。在掃頻模式下工作時,，CPLD用PWM方式產(chǎn)生掃頻三角波,，加在壓控振蕩器上，再由CPLD測量出瞬時頻率,。在CPLD中設(shè)計了一個SPI接口電路,，與STM32F407單片機(jī)通信。圖1是這部分的電路原理圖,。
CPLD的57,、58管腳輸出電壓控制信號，經(jīng)過R15,、R16和C17組成的RC低通濾波器,，再用Q2、Q3這兩個三極管放大,，加在LA1185接收電路的壓控振蕩器［1］VCO_IN上,。當(dāng)控制電壓較高時，變?nèi)荻O管結(jié)電容較小,，振蕩頻率較高,；而電壓較低時，變?nèi)荻O管結(jié)電容比較大,，振蕩頻率較低,。
調(diào)頻廣播信號的頻率范圍在87.5～108 MHz，中頻10.7 MHz,，所以本振的頻率范圍是98.2～118.7 MHz?？紤]實際生產(chǎn)中器件的差異,，設(shè)計加在變?nèi)荻O管上的電壓在1～6 V范圍內(nèi)，壓控振蕩器的實際輸出頻率范圍大約是80～130 MHz,。
壓控振蕩器輸出信號送入CPLD的98腳進(jìn)行鑒頻鑒相,，同時也實時測量振蕩頻率,。單片機(jī)U2使用定時器提供鎖相參考時鐘CLKREF和一個固定頻率的100 kHz時鐘。使用SPI接口控制CPLD的工作并讀取CPLD中的數(shù)據(jù),。
2工作原理
電路有兩個工作模式,，一個是用于監(jiān)測固定頻率信號的定頻收測模式，另一個是繪制整個頻段內(nèi)頻譜曲線的掃頻監(jiān)測模式,。
2.1定頻接收工作模式
利用SPI接口可以將電路設(shè)置為鎖相環(huán)工作模式,，并獲取壓控振蕩器的振蕩頻率。圖2是這個鎖相環(huán)的原理框圖,。
組成鎖相環(huán)的核心部分是壓控振蕩器,、分頻器、鑒頻鑒相器(PFD)［2］和低通濾波器,。壓控振蕩器輸出的信號經(jīng)過分頻后,，用鑒頻鑒相器與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較，把頻率相位的誤差反饋到壓控振蕩器上,。當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率f,，經(jīng)過N分頻之后恰好與基準(zhǔn)頻率F相等時，鎖相環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定的鎖定狀態(tài),。設(shè)置單片機(jī)定時器時鐘為84 MHz,，計數(shù)溢出分頻系數(shù)為M，則有f=N×84/M(MHz),。
需要設(shè)定某個振蕩頻率時,，單片機(jī)可以利用SPI接口，對CPLD中分頻器設(shè)置新的分頻系數(shù)N,，并調(diào)整定時器溢出數(shù)值M即可,。為了降低鎖相環(huán)的相位噪聲，要按照兩個頻率的最簡整數(shù)比設(shè)置N和M,。
放大之后的振蕩信號同時還送給計數(shù)器,，實時測量振蕩頻率,從而檢查鎖相環(huán)的工作狀態(tài)。這種測頻的功能主要用于掃頻監(jiān)測模式,。
2.2掃頻監(jiān)測工作模式
在固定的開門時間T之內(nèi),，用計數(shù)器累計待測振蕩脈沖數(shù)量N，關(guān)門時刻用鎖存器保存這個數(shù)值,，同時清零計數(shù)器再次啟動計數(shù),，可以測出振蕩頻率f=N/T。因為調(diào)頻廣播接收本振的頻率大約在100 MHz附近,，所以設(shè)計頻率測量的開門時間為320 μs,，用16位二進(jìn)制計數(shù)器，測量的精度可優(yōu)于10-5。測得的頻率數(shù)值利用SPI接口送給單片機(jī),，再結(jié)合檢波電路測量得到的信號強(qiáng)度瞬時值就能繪制出頻譜曲線,。圖3是掃頻振蕩電路的原理框圖?！ ?/p>
壓控振蕩器的掃頻電壓用PWM方式產(chǎn)生,。具體就是把100 kHz的基準(zhǔn)頻率送給計數(shù)器計數(shù)，并把這個計數(shù)器分成高低兩組,。用數(shù)值比較器比較這兩組計數(shù)數(shù)值,，根據(jù)比較的結(jié)果設(shè)置輸出高低電平就能產(chǎn)生占空比連續(xù)改變的PWM信號，再經(jīng)RC低通濾波器之后即可產(chǎn)生壓控振蕩器所需要的鋸齒波掃描電壓,。
3CPLD設(shè)計
CPLD選用了ALTERA公司的EPM570T100C5N設(shè)計同步時序邏輯電路,。
3.1分頻器的邏輯
設(shè)計一種可設(shè)置溢出上限的累加器作為鎖相環(huán)的分頻器，它主要由帶有同步清零端的同步二進(jìn)制累加計數(shù)器U23,、上限數(shù)據(jù)鎖存器U24以及全等數(shù)值比較器U26組成,。圖4是這個分頻器的邏輯圖。
同步二進(jìn)制累加計數(shù)器U23由12位觸發(fā)器組成,，在壓控本振脈沖XCLK的上升沿到達(dá)時刻同時翻轉(zhuǎn),，累加計數(shù)脈沖數(shù)量。12位的上限數(shù)據(jù)鎖存器U24由12個D觸發(fā)器組成,，在SPI_LATCH的上升沿,，把從SPI接口收到的D［11..0］的數(shù)據(jù)值保存起來作為計數(shù)上限。全等數(shù)值比較器U26把上限鎖存器U24和計數(shù)器U23的12個數(shù)據(jù)位逐位進(jìn)行異或運(yùn)算之后,，再進(jìn)行12位的或非運(yùn)算,，只有當(dāng)鎖存器與計數(shù)器兩者數(shù)值相同時，比較結(jié)果才輸出1,，下一個時鐘邊沿將清零計數(shù)器,。為了防止因各門電路速度差異，導(dǎo)致電路發(fā)生部分清零,，計數(shù)器U23設(shè)計了同步清零端SYNC_RESET,，所有觸發(fā)器只在XCLK上升沿同時翻轉(zhuǎn)，保證可靠清零,。因為鑒頻鑒相器對脈沖邊沿特別敏感, 所以用觸發(fā)器U30鎖存數(shù)值比較結(jié)果,，每次溢出，都能產(chǎn)生一個OVERFLOW信號送入鑒頻鑒相器,。
3.2掃頻發(fā)生器
把100 kHz的固定頻率送給一個17位的計數(shù)器進(jìn)行計數(shù),，同時用一個8位數(shù)值比較器比較其最高8位和最低8位的數(shù)據(jù)值，根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置PWM輸出信號的高低電平,。如果低位數(shù)值小就輸出低電平,，低位數(shù)值大就輸出高電平,。再經(jīng)過低通濾波器就形成了掃頻用鋸齒波電壓。圖5所示為這個掃頻發(fā)生器的邏輯圖,。
圖5掃頻發(fā)生器邏輯圖因為這個低位計數(shù)器總是從零累加到255，然后溢出歸零,，所以設(shè)計在它與高位數(shù)值相等時把輸出置1,，它歸零時輸出也跟著清零。利用這個規(guī)律采用全等數(shù)值比較器進(jìn)行設(shè)計,，既可以簡化電路邏輯,，又能保證輸出端不會因門電路速度差異產(chǎn)生“競爭”與“冒險”。
在17位計數(shù)器中,，設(shè)計8位同步計數(shù)器U36作為低8位,，9位同步計數(shù)器U37作為高9位，并把U37的最高8位與U36的數(shù)值送給全等數(shù)據(jù)比較器U38,，兩計數(shù)值相等時輸出高電平脈沖信號,，置位觸發(fā)器U42，然后一直保持1狀態(tài)直到低位計數(shù)器溢出,。在U47輸出掃頻用的PWM信號,，再經(jīng)過外部的RC低通濾波器產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓。
頻譜儀通常使用鋸齒波作為掃頻波形,，從最低頻率逐漸到達(dá)最高頻,，然后再快速返回最低頻開始下一輪掃頻。因為PWM輸出之后的低通濾波器時間常數(shù)較大,，如果從最高頻率直接返回到最低頻率,，掃頻電壓會跟不上變化，產(chǎn)生較大的失真,。所以最終采用的是三角波而不是鋸齒波,。
在三角波掃頻情況下，掃頻從最低頻率逐漸到達(dá)最高頻率,，利用高位計數(shù)器U37的溢出信號翻轉(zhuǎn)T觸發(fā)器U44,，選擇輸出反相信號，使掃頻從最高端逐漸返回最低,，明顯改善了電壓頻率的跟蹤性能,。
3.3快速測頻邏輯
在CPLD中，用固定開門時間320 μs計數(shù)壓控本振的脈沖數(shù)量,，在關(guān)門時刻用數(shù)據(jù)鎖存器保存,，同時清零計數(shù)器，然后再次開門計數(shù),。圖6是測頻電路邏輯圖,。
外部壓控本振信號從XCLK輸入16位同步二進(jìn)制計數(shù)器U14,，CPLD內(nèi)部對100 kHz時鐘64分頻得到的1.562 5 kHz信號從U12送到鎖存器U16、U17的時鐘端和計數(shù)器的異步復(fù)位端RESET,，在上升沿鎖定數(shù)據(jù)并復(fù)位計數(shù)器,。計數(shù)值從U18送到SPI輸出電路。
3.4鑒頻鑒相器,、電荷泵與PWM輸出
無論是定頻接收模式,，還是掃頻監(jiān)測模式，都是對壓控振蕩器進(jìn)行控制,。在定頻接收模式下,，利用鑒頻鑒相器和電荷泵控制壓控振蕩器。而在掃頻模式下,，直接輸出PWM,。圖7所示為這部分的邏輯圖。
設(shè)置PWMEN為低電平時,，電路工作在定頻接收模式下,。觸發(fā)器U54、U55和與門U56組成鑒頻鑒相器,，兩個觸發(fā)器的輸出端經(jīng)三態(tài)門U62,、U63接到外部的RC電路組成了電荷泵。OP和ON分別是充電與放電引腳,。在鎖圖7鑒頻鑒相器,、電荷泵與PWM輸出邏輯圖
定狀態(tài)，OP和ON都是高阻狀態(tài),。一旦出現(xiàn)了頻率差或相位差,，則從OP或ON輸出誤差脈沖，自動修正本振頻率,。
設(shè)置PWMEN為高電平時,，電路工作在掃頻模式下，PWM引腳的信號經(jīng)過三態(tài)門控制邏輯在OP和ON輸出,。
3.5帶有超時復(fù)位功能的SPI接口
設(shè)計SPI接口實現(xiàn)CPU與CPLD通信,。圖8為SPI接口的邏輯圖。
圖8具有超時功能的SPI接口邏輯圖SPI輸入電路就是一個16位的串入并出移位計數(shù)器,，由U4和U25組成,，SPI_CLK上升沿鎖存SPI_MOSI數(shù)據(jù)。SPI輸出電路是由U66和U67組成的并入串出移位計數(shù)器,，對每幀SPI數(shù)據(jù)都從第二個SPI_CLK下降沿移出一位數(shù)據(jù)到SPI_MISO,。4位二進(jìn)制計數(shù)器U7累加SPI_CLK時鐘個數(shù)，每計滿16個時,，產(chǎn)生信號SPI_LATCH通知分頻器鎖存輸入數(shù)據(jù),。在計數(shù)器U7為零時,，如果單片機(jī)發(fā)起SPI數(shù)據(jù)幀讀取，那么U66和U67在SPI_CLK的第一個下降沿鎖存并行的SPIDO［15..0］,，保存最新一次測頻結(jié)果,，經(jīng)SPI送給單片機(jī)。
因為SPI接口是一種同步串行工作接口,，如果發(fā)生干擾使SPI_CLK上意外多收或少收到一個脈沖,，將導(dǎo)致之后的所有數(shù)據(jù)都發(fā)生串位。主要有3種解決方法：(1)多接一條引線,，引入外部片選功能，可以復(fù)位意外錯誤,；(2)用特殊的數(shù)值作為復(fù)位命令,，例如用實際應(yīng)用中本不應(yīng)該出現(xiàn)的0x0000觸發(fā)復(fù)位；(3)用超時檢測方法,，對未完成的通信數(shù)據(jù),，超時自動復(fù)位。這里采用第3種方法,。
在SPI總線空閑時,，SPI_CLK為1。超時計數(shù)器U3在100 kHz的時鐘驅(qū)動下,，若SPI時鐘計數(shù)器非零,，則累加計數(shù)。如果計數(shù)期間發(fā)生了SPI總線活動,，SPI_CLK的低電平可以清零計數(shù)器U3,，使之不能溢出。如果計數(shù)期間SPI總線一直空閑,，那么在1.638 4 s后計數(shù)器U3溢出,，清零SPI時鐘計數(shù)器U7，從而復(fù)位整個SPI接口,。
4結(jié)束語
如果用幾個不同的專用集成電路分別來設(shè)計鎖相環(huán),、掃頻電路以及快速測頻功能，則需要元件較多,。若用單片機(jī)來設(shè)計這些功能電路,，則鎖相環(huán)功能和快速測頻功能都受到單片機(jī)IO速度的限制，必須外擴(kuò)芯片,。用CPLD結(jié)合單片機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單,、性價比較高的設(shè)計方案。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 曾興雯,劉乃安,陳健.高頻電子線路［M］.北京：高等教育出版社,，2003.
?。?］ 冠先果，高博,，龔敏. 用于鎖相環(huán)快速鎖定的鑒頻鑒相器設(shè)計［J］.電子與封裝,，2014（5）：23-24.