【導(dǎo)讀】頻率合成器是以一個或少量的高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率作為參考頻率，在通信、雷達、測控、儀器表等電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。一種閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率轉(zhuǎn)換時間和分辨率均不如前兩種好，但其結(jié)構(gòu)簡單，成本低。并且輸出頻率的準確度不遜色與前兩種，因此鎖相環(huán)頻率合成已獲得廣泛的應(yīng)用。而VCO作為其中一個必不可少的重要部件,其質(zhì)量可以左右整個環(huán)路的性能。點,適于作為甚高頻和特高頻VCO。

　　

【正文】 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。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(yīng)關(guān)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。 參考分頻器 247。R 鑒相器 環(huán)路 濾波器 壓控 振蕩器 晶振 可編程 分頻器 前置分頻器 247。P/P+1 fr fr247。R 21 圖 57 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(shè)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、 RA RA2 設(shè)定，將 RA0、 RA RA2 分別置不同的高低電平可得到不同的R 值，具體數(shù)值如圖 58 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。 參考地址碼 總參考 分頻比 RA2 RA1 RAD 0 0 0 8 0 0 1 64 0 1 0 128 0 1 1 256 1 0 0 512 1 0 1 1024 1 1 0 1160 1 1 1 2048 圖 58 MC145152 參考分頻器分頻系數(shù)選擇表 22 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(yù)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 59 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 59 吞咽式脈沖計數(shù)原理圖 MC12022 有四種分頻系數(shù)，如圖 510 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，輸入 MC12022 的 6 腳）。 M 為高電平時 ， MC12022 以 P＝ 64 為分頻系數(shù)， M 為低電平時則以 P＝ 65 為分頻系數(shù)。247。 N 和247。 A 是可預(yù)置數(shù)的減法計數(shù)器，由并行輸入口分別預(yù)置 6 位的 A 值和 10 位的 N 值。 PD 為數(shù)字鑒相器。 fo 為壓控振的輸出頻率（即發(fā)射頻率）。 （ a） MC12022 管腳分配 (b)MC12022 分頻功能 圖 510 MC12022 管腳分配及分頻功能 吞咽脈沖計數(shù)器開始計數(shù)時， M 的初值為 0，247。 A 和247。 N 兩個計數(shù)器被置入預(yù)SW MC 分頻比 H H 64 H L 65 L H 128 L L 129 23 置數(shù)并同時計數(shù)，當計到 A（ P+1）個輸入脈沖（ fo）時，247。 A 計數(shù)器計完 A 個預(yù)置數(shù)， M 變?yōu)?1；此時247。 A 計數(shù)器被控制信號關(guān)閉，停止計數(shù)；而247。 N 計數(shù)器中還有 N－ A 個數(shù)，它繼續(xù)計（ N－ A） P 個輸入脈沖后，輸出一個脈沖到鑒相器 PD。此時一個工作周期結(jié)束，Ａ和 N 值被重新寫入兩個減法計數(shù)器， M 又變?yōu)?1，接著重復(fù)以上過程。整個過程中輸入的脈沖數(shù)共有 APNPANPAQ ?????? )()1( ，也就是說，該吞咽脈沖計數(shù)器的總分頻系數(shù)為 APN? 。可見，采用吞咽脈沖計數(shù)方式，只要適當選取 N 值與 A 值，就能得到任意的分頻比。為實現(xiàn)鎖相，必須有rfAPNf ?? )(0 。反過來，由于 )(0 APNff r ??? ，改變 N 和 A 的值，也能改變 0f ，這就是輸出頻率數(shù)字化控制的原理。 247。 A 計數(shù)器為 8 位，因此 A 值最大為 63， MC12022 的 P 值為 64。如果參考頻率 rf ＝ 10kHz，則輸出頻率 )(0 APNf ?? 10kHz (52) 需要得到某個輸出頻率時，利用單片機計算得到 N 和 A 的值 ，分別送至MC145152 的 N9～ N0 和 A5～ A0 口，這就實現(xiàn)了對發(fā)射頻率的控制。 模擬鑒相器對輸入其中的兩個信號進行相位比較，一個是由穩(wěn)定度很高的標準晶振經(jīng)過分頻得到的，另一個是由壓控振輸出頻率經(jīng)分頻反饋回來的，這兩個信號通過鑒相器，也就是經(jīng)過一個模擬乘法器后得到一個相位誤差信號。設(shè)兩個輸入信號分別為： ]s i n []s i n [ )(1)()( trrmtrrmtr tutuu ???? ???? (53) ]s i n []s i n [ )(2)()( trymtrrymty tutuu ???? ???? (54) 其中 )()(2 )( tyryt t ???? ??? 將兩個信號相乘得到： ]}s i n []2{ s i n [ )(2)(1)(2)(1 ttttrymrmyr tuuuu ????? ?????? (55)再經(jīng)過一個低通濾波器，取出其中的誤差信號 ]s in [ )(2)(1)( ttctc Au ?? ?? (56) 濾去其高頻成分，將其直流成分用來調(diào)整壓控振的輸出頻率。 本設(shè)計采用的鑒相器集成在 MC145152 中，它是一種新型數(shù)字式鑒頻 /鑒相集成電路，具有鑒頻和鑒相功能，不需要輔助捕捉電路就能實現(xiàn)寬帶捕捉和保持。數(shù)字鑒相器有如下特性： 24 設(shè) R 為參考頻率信號， V為壓控振分頻信號， f、 g 為數(shù)字鑒相器兩個輸出信號。根據(jù) R 和 V的不同可以分四種情況，如圖 511 所示。 圖 511 數(shù)字鑒相器輸入輸出關(guān)系 （ 1） fRfV時， f 端輸出恒為高電平， g 端輸出負脈沖。 （ 2） fRfV時， f 端輸出負脈沖， g 端輸出恒為高電平。 以上兩種情況下數(shù)字鑒相器實際工作在鑒頻模式下，兩個頻率相差越大，輸出的負脈沖寬度越大。 （ 3） fR＝ fV， R 的相位超前 V時， f 端 輸出負脈沖， g 端輸出恒為高電平。設(shè) θ e 為負脈沖的寬度， Vm 為脈沖幅度。 （ 4） fR＝ fV， R 的相位滯后 V時， f 端輸出恒為高電平， g 端輸出負脈沖。 以上兩種情況中，鑒相器輸出的負脈沖寬度隨著 R 和 V之間的相位差θ變化而變化，θ越大，輸出的負脈沖寬度越大。 根據(jù)數(shù)字鑒相器的這種特性，在其后加一級差分放大器，取出 f 和 g 電壓的差信號 Vg－ Vf，再通過積分取出其中的有效電壓，此電壓就反映了 fR和 fV之間的關(guān)系。環(huán)路濾波器前級的有源網(wǎng)絡(luò)就起到這個作用。 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器的作用是取出鑒相器輸出的誤差信號中的直 流成分，以用于調(diào)節(jié)壓控振蕩器的輸出頻率。同時，壓控振蕩器還有調(diào)頻的作用，調(diào)頻使得輸出頻率隨調(diào)制信號產(chǎn)生偏移。因此，鎖相和調(diào)頻是相互矛盾的：鎖相的目的是使輸出頻率穩(wěn)定，而調(diào)頻則要求輸出頻率隨著調(diào)制信號的變化而變化。環(huán)路濾波器正是解決這一矛盾的關(guān)鍵。由于振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起， 25 其變化是緩慢的；而音頻調(diào)制信號幅度的變化相對來說是一種快變化。因此，將環(huán)路濾波器的通帶上限頻率限制在幾 Hz 內(nèi)，只有慢變化因素引起的誤差信號可以通過，而調(diào)制信號引起頻偏時，它產(chǎn)生的誤差信號被濾除，不作用于 鎖相環(huán)，這樣就既可以保證中心頻率的穩(wěn)定度，又不影響調(diào)頻。根據(jù)前面的公式可計算出低通濾波器的截止頻率 f0，一般情況下該截止頻率值小于 10Hz。 MC145152 中的鑒相器輸出的兩個誤差信號分別是一個與參考頻率同頻的方波信號和一個固定電平。為取出其直流成分，可以先用一級有源積分網(wǎng)絡(luò)將方波信號轉(zhuǎn)化為直流，此直流中含有較多交流成分，再用 一級無源低通網(wǎng)絡(luò)濾除，然后加到壓控振 蕩器 上。 環(huán)路濾波器采用有源比例積分濾波器，如圖 512 所示。輸入信號 ui 來自MC145152 芯片的 8 腳，輸出信號 uo 連至壓控振蕩器，控制其變?nèi)荻?極管兩端電壓變化。本次設(shè)計使用到了多個集成芯片，這些芯片都有著自己的工作電壓，每種芯片的工作電壓并不一樣，不過通過比較后發(fā)現(xiàn)芯片都能在 5V 電壓源下正常工作，為使電路簡介，并節(jié)約資源，決定統(tǒng)一用 +5V的電壓源，經(jīng)測試，各電路模塊均能正常工作。 R71 0 0 kR 1 32kR3 3 .3 kR4 3 .3 kR51 0 kR61 8 kC 1 11 0 p FC 1 21 0 P FC 1 30 .1 u FB A T 11 2 V32184U 5 A L M 3 5 8 DL M 3 9 2+v i n0R0V 圖 512 環(huán)路濾波電路圖 控制電路設(shè)計和頻率計算 頻率合成器的控制通過單片機來實現(xiàn)，由于電路中 MC145152 接口較多，因此使用了串并轉(zhuǎn)換芯片 74LS595,如圖 513 所示。 由式 fo＝（ PN＋ A） fr知道，輸出頻率可 以通過 A 和 N 來控制， 使用了串并轉(zhuǎn)換芯片后 ， A 和 N 的值分別 從 74LS595 26 的 Q0— Q7 的八位并行輸出端 向 MC145152 發(fā)送。 C91 0 p FC 1 01 0 p FV CCU3M C1 4 5 1 5 2N011N112N213N314N415N516N617N718N819N920A023A121A222A324A425A510RA 04RA 15RA 26G ND2V D D3O S CO260V70R9M D C NT L9L D E28F RE Q I1O S CI27Y1X T A L1 2Q1 8Q1 7Q1 6Q1 5Q1 4Q1 3Q1 2Q1 1Q1 0Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0Q015Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q 7 39。9S H_ C P11S T _ CP12DS14MR10OE13U67 4 L S 5 9 5Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q015Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q 7 39。9S H_ C P11S T _ CP12DS14MR10OE13U77 4 L S 5 9 5Q9Q 1 0Q 1 1Q 1 2Q 1 3Q 1 4Q 1 5Q015Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q 7 39。9S H_ C P11S T _ CP12DS14MR10OE13U87 4 L S 5 9 5Q 1 7Q 1 8Q 1 9Q 2 0Q 2 1Q 2 2Q 2 3Q0 Q8 Q 1 6G NDV C CDA T ACL KCL K CL K 圖 513頻率合成控制電路 控制電路的作用是有：響應(yīng)按鍵的輸入并控制液晶的顯示，計算并向 MC145152輸出控制信號。核心是使用單片機 AT89C52，單片機以最小系統(tǒng)工作即可，使用 晶振，從 X1， X2 口接入，晶振的兩個引腳分別接 30pF 的負載電容到地。外加復(fù)位電路。由于 AT89S52 芯片在原件庫中沒有，所以用 89C52 的芯片代替其控制功能?？刂齐娐啡鐖D 514 所示。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A