【文章內(nèi)容簡介】 152是MO TOROLA 公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路,它是一塊采用半行碼輸入方式置定、由14 根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模CMOS L SI 鎖相環(huán)頻率合成器,其內(nèi)部組成框圖如圖1 示。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(12 8ROM 參考譯碼器和12bit 247。R 計數(shù)器) 、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10 位可編程的10bit 247。N 計數(shù)器、6 可編程的6bit 247。A 計數(shù)器和鎖定檢測等部分。其中,10bit 247。N 計數(shù)器、6bit 247。A 計數(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: D =VN + A 。 管腳排列及功能如下圖32 圖32 MC145152 的管腳排列采用28 腳DIP 封裝,各管腳功能如下:引腳6 (RA0 、RA1 、RA2 ) 為參考地址碼輸入端, 用于選擇參考分頻器的分頻比。通過12 8ROM 參考譯碼器和12bit 247。R 計數(shù)器進行編程。分頻比有8 種選擇, 其參考地址碼與分頻比的關系見表1 所列引腳227 (OSCIN 、OSCOU T ) 為參考振蕩端,當兩引腳接上一個并聯(lián)諧振晶體時, 便組成一個參考頻率振蕩器。但在OSCIN 到地和OSCOU T 到地之間一般應接上頻率置定電容(一般為15p F 左右) 。OSCIN也可作為外部參考信號的輸入端。引腳1 (VCO) 為輸入信號端,將輸入信號交流耦合到本引腳,其輸入信號頻率應小于30MHz 。引腳21～25 (A5～A0 ) 為6bit A 計數(shù)器的分頻端。其預置數(shù)決定了247。V/ (V + 1) 雙模前置分頻器的247。V/ (V + 1) 的次數(shù)。引腳11～20 (N9～N0 ) 為10bit 247。N 計數(shù)器的分頻端。引腳8 ( V 、r ) 為鑒相器雙輸出端,用于輸出環(huán)路誤差信號。如果f v f r 或f v 的相位超前f r ,則v 變?yōu)榈碗娖蕉鴕 仍為高。如果f v f r 或者f v 的相位滯后f r ,則r 跳為低電平而v 保持高。如果f v = f r 并f v 與f r 同相,則v 和r 保持高電平,僅在一個很短的時間內(nèi)二者同時為低電平。引腳9 (MC) 為模式控制端,輸出的模式控制信號加到雙模分頻器即可實現(xiàn)模式變換。在一個計數(shù)周期開始時,“MC”處于低電平,一直到A 下行計滿它的編程值為止, 然后,“MC”跳為高電平, 并一直維持到247。N 計數(shù)器下行計滿編程的剩余值(N A) 。N 計數(shù)器計滿量后,“MC”復位為低,兩個計數(shù)器重新預置到各自的編程值上,再重復述過程。引腳28 (LD) 為鎖定檢測端, 用于鎖定輸出信號。當環(huán)路鎖定時(即v 與r 同頻同相) ,該信號為高電平。當環(huán)路失鎖時,LD 為低電平。MC12022：隨著通信事業(yè)的發(fā)展, 有線通信和無線移動通信在社會各界得到了廣泛應用, 特別是移動通訊,由于不受地域環(huán)境條件的限制,隨時隨地均可自由通訊, 因而得以迅速發(fā)展。近來,在移動通信系統(tǒng)中,廣泛使用鎖相環(huán)(PLL )和雙模預置分頻器來對調(diào)諧電路的高頻信號進行合成和控制。在鎖相環(huán)中, 通常采用吞除脈沖的PLL 技術, 其中, 雙模預置分頻器是吞除脈沖PLL 的關鍵組成部分。為了降低整機功耗,減小體積,實現(xiàn)小型化, 要求雙模預置分頻器能夠在低功耗下超高速工作, 這就導致了近年來人們對低功耗的超高速雙模預置分頻器的研究。本文介紹了Motorola 公司研制的MC12022 低功耗雙模預置分頻器。MC12022 電路具有64/ 6128/ 129四種分頻功能,在 55～85 ℃溫度范圍內(nèi),最高工作頻率大于1100MHz , 工作電流小于10mA 。電路在5. 0V 電源電壓下工作,輸出為ECL 電平。MC12022 電路具有分頻功能多工作頻率高,功耗低,溫度性能好等特點,可廣泛用于通訊、儀器儀表、雷達、導航等領域。MC12022 的特點是功耗低(工作電流的典型值為715mA ) 。溫度范圍寬( 55～85 ℃) 。分頻功能多(247。64/ 65 , 247。128/ 129 ) 。使用方便,應用電路的外圍元件少。工作頻率高(典型值1600MHz )。管腳排列如圖33:圖33 MC12022引腳排列圖MC12022 低功耗雙模預置分頻器電路具有247。64/ 6247。128/ 129 四種分頻功能,由八級ECL D 型主從觸發(fā)器構(gòu)成。前三級觸發(fā)器為同步時鐘輸入控制, 在模數(shù)控制端MC 的控制下實現(xiàn)247。4/ 5 功能, 第四級和第五級觸發(fā)器、第六級和第七級觸發(fā)器分別實MC12022 低功耗雙模預置分頻器。MC1648芯片管腳圖如34,。圖34 MC1648管腳圖第四章 系統(tǒng)電路設計 系統(tǒng)總體設計本次設計采用變模鎖相頻率合成技術產(chǎn)生所需要的頻率信號，利用單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)輸出頻率的控制，系統(tǒng)框圖如圖41所示。由MC14515MC164MC12022系列集成電路芯片組成數(shù)字鎖相頻率合成器，通過LM358來構(gòu)成PLL電路中的環(huán)路濾波器，通過單片機AT89S52控制分頻數(shù)，同時通過液晶顯示器向用戶反饋信息。實現(xiàn)可控可調(diào)的功能【1】。圖41 高頻信號源系統(tǒng)框圖 單元電路設計圖42為MC1648引腳圖。圖42 MC1648的引腳圖壓控振蕩器是頻率合成電路的關鍵部分，能實現(xiàn)壓控振蕩功能的電路有很多，常用的有分立器件構(gòu)成的振蕩器和集成壓控振蕩器，如串聯(lián)諧振電容三點式電路、壓控晶體振蕩器、積分——施密特電路、射極耦合多諧振蕩器、變?nèi)荻O管調(diào)諧LC振蕩器和數(shù)字門電路等幾種。從電路結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、頻率上限、調(diào)試難易程度、構(gòu)建系統(tǒng)的費用等方面比較，LC負阻型壓控振蕩器有明顯優(yōu)勢。本設計采用Motorola公司生產(chǎn)的MC1648 LC負阻型壓控振蕩器MC164。MC1648的工作電源為5V，輸出頻率最高可達225MHz，輸出頻譜純度高。采用雙管背對背連接變?nèi)莨芎碗姼薪M成的并聯(lián)LC諧振槽路，振蕩頻率將受變?nèi)荻O管的偏置電壓控制。圖43 壓控振蕩器圖43為壓控振蕩器的圖。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩個變?nèi)荻O管是背靠背連接的，這樣做的特點是：對于直流和調(diào)制信號而言，它們相當于并聯(lián)，所處的偏置點和受調(diào)制狀態(tài)一樣；而對于高頻信號而言，它們相當于串聯(lián)，使得每個變?nèi)荻O管兩端的電壓幅度下降了，這就減弱了高頻電壓的作用， 起到了調(diào)控的作用。變?nèi)荻O管是同極性端對接的，這中連接可以使得它們對于高頻電壓的相位剛好相反，防止高頻電壓幅度過大時，變?nèi)荻O管導通對諧振回路的影響。在單個變?nèi)荻O管電路中，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象將導致回路Q值大大下降，此外，還會削弱高頻振蕩電壓的諧振成分。由于變?nèi)荻O管是非線性器件，高頻信號的輸入必然會產(chǎn)生諧波分量，這可能會產(chǎn)生交叉調(diào)制干擾。對接之后，兩二極管的高頻信號反相，可抵消部分諧波成分。集成壓控振蕩器芯片MC1648，其工作電壓5V，~150MHz，其槽路由變?nèi)荻O管和電感并聯(lián)組成，通過改變變?nèi)荻O管的反偏電壓來改變振蕩頻率。在變?nèi)荻O管的偏置電壓相同的情況下，MC1648的輸出頻率可由下式計算： （4－1）變?nèi)荻壒懿捎玫氖翸otorola公司生產(chǎn)的MV2109。圖44 變?nèi)荻O管特性曲線【5】由上圖中的MV2109的電壓電容曲線，可根據(jù)式（4－1）算出電路元件的參數(shù)值，如下所示：C max＝38pF，f o＝68MHz，得L= C max＝29pF，f o＝88MHz，得L=因而理論上取L=。MC1648內(nèi)部電路就含有放大電路和自動增益控制電路，因此它可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度。使用該電路可以使用比較少的外圍器件，并且調(diào)試也很方便。其內(nèi)部電路如圖45所示。圖45 MC1648內(nèi)部電路圖，可作為變?nèi)荻O管的一個偏壓。諧振槽路從10腳和12腳接入，與內(nèi)部的Q7，Q4，Q5，D1，Q8組成一個移相720176。的正反饋正弦振蕩電路，Q6的基極連接Q7的集電極，也形成正反饋。另外，MC1648內(nèi)部有放大電路和自動增益控制電路（D1，Q8，Q6，Q7），可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度，輸出信號經(jīng)AGC電路采樣后從5腳接入。當振蕩幅度增大時，Q8的基極電壓增大，集電極電流增大，Q7的Ube減小從而放大倍數(shù)減小，輸出幅度將減小；反之，如果振蕩幅度減小，則恒流源Q8的電流減小，QQ7的放大倍數(shù)將增大，輸出幅度也因此增大。Q3，Q2和射極跟隨器Q1為輸出緩沖級，有隔離作用，可減小負載對振蕩器工作狀態(tài)的影響。由變?nèi)荻O管的特性曲線可以知道，其電容量是其偏壓的函數(shù)，并且在一定范圍內(nèi)近似線性，因此該槽路還可作調(diào)頻調(diào)制用，即將調(diào)制信號疊加到變?nèi)荻O管的偏置端上，調(diào)制信號的變化必然引起變?nèi)荻O管容量的變化，從而必將引起振蕩頻率的變化，即其也可以實現(xiàn)調(diào)頻。由MC1648組成的壓控振蕩器如下圖所示。圖46 壓控振蕩器電路圖頻率合成器的設計采用MC145152和MC12022預置雙模分頻器集成芯片。這兩種芯片均是Motorola公司的產(chǎn)品。MC145152內(nèi)部由三部分組成：一是有放大器、12bit247。R計數(shù)器和參考譯碼器組成的產(chǎn)生參考頻率fr電路；二是由6bit247。A計數(shù)器、10bit247。N計數(shù)器和控制邏輯組成的吞脈沖式計數(shù)器；三是鑒相器。由MC14515MC12022組成的頻率合成系統(tǒng)如下圖所示。圖47 頻率合成系統(tǒng)電路實現(xiàn)鎖相環(huán)分頻電路的系統(tǒng)框圖如圖48所示。鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器、鑒頻/鑒相器、低通濾波器、可編程分頻器組成。它是應用數(shù)字邏輯電路將壓控振蕩器頻率一次或多次降低至鑒相器頻率上，再同參考頻率通過鑒相電路并進行比較，通過低通濾波器取出鑒相器輸出的誤差信號來控制壓控振蕩器的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。由于在電路中采用了大規(guī)模集成電路芯片MC145152，因此框圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器、可編程分頻器都集成在一個芯片中，不需要再單獨設計，這可以減少外圍的電路器件。同時利用單片機來控制MC145152，確定分頻系數(shù)A、N和發(fā)射頻率的對應關系。圖48 鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖鎖相環(huán)頻率合成器是以大規(guī)模集成PLL芯片MC145152為核心設計的。MC145152是MOTOROLA公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式置定、由14根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模CMOS－LSI鎖相環(huán)頻率合成器。圖49為其內(nèi)部組成框圖。MC145152內(nèi)含參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器(128 ROM參考譯碼器和12bit247。R計數(shù)器)、雙端輸出的鑒相器、控制邏輯、10位可編程的10bit247。N計數(shù)器、6位可編程的6bit247。A計數(shù)器和鎖定檢測等部分。其中，10bit247。N計數(shù)器、6bit247。A計數(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【6】。整個過程中輸入的脈沖數(shù)共有Q＝A（P＋1）+(NA)P=PN+A，即吞脈沖程序分頻器的總分頻比為：D=PN+A。（A的范圍0～63，N的范圍0～1023）。由此可以計算出頻率和A、N值的對應關系，利用單片機控制器改變其值，便可達到改變輸出頻率的目的。圖49 MC145152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖參考分頻器是為了得到所需的頻率間隔而設定的。頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個相鄰頻率之間的最小間隔就是頻率間隔。在MC145152中，外部穩(wěn)定參考源由OSCin輸入，經(jīng)12位分頻將輸入頻率247。R，然后送入FD/PD中。R值由RA0、RARA2設定，將RA0、RARA2分別置不同的高低電平可得到不同的R值，具體數(shù)值如下圖所示。例如，當RA0RA1RA2＝101時，R＝1024，即對晶振產(chǎn)生的頻率進行1024分頻。 圖410 MC145152參考分頻器分頻系數(shù)選擇表MC145152內(nèi)部存在著鑒相器，鑒相器起到了模擬乘法器的作用。鑒相器將參考分頻器出來的很穩(wěn)定的步長信號和壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率經(jīng)可編程分頻之后得到的不穩(wěn)定的頻率信號進行比較，輸出為兩者之間的相位差，這個差值就可以作為壓控振蕩器的控制電壓。中間需加一個低通濾波器將相位差值中的高頻分量濾掉。由于發(fā)射機的頻率高達幾十MHz以上，而 MC145152工作頻率只有十幾MHz,因此直接用MC145152無法對其分頻，必須先用高速分頻器對這么高的頻率進行預分頻，把頻率降低，然后由MC145152繼續(xù)分頻，得到一個參考頻率相等的頻率，并進行鑒相。為使分頻系數(shù)連續(xù)可調(diào)，可編程分頻電路采用的是吞咽脈沖計數(shù)法，如圖411所示。它由ECL（非飽和型邏輯電路）的高速分頻器MC12022及MC145152內(nèi)部的247。A減法計數(shù)器，247。N減法計數(shù)器構(gòu)成。 (a)P/P+1前置分頻器方框圖 (b)吞咽脈沖計數(shù)示意圖圖411 吞咽式脈沖計數(shù)原理圖MC12022有四種分頻系數(shù)，如圖410所示。但為了運算簡潔我們只取64/65分頻。M為其控制端（從MC145152的9腳輸出，輸