鎖相環頻率合成器的方案研究

摘 要：頻率合成技術是現代通信的重要組成部分，在無線電技術與電子系統的各個領域中均得到廣泛的應用。分析了MC145152芯片的特點和功能，結合外圍電路設計了909～915 MHz步進25 kHz的“吞除脈沖”式數字鎖相頻率合成器，該頻率合成器具有結構簡單、性能穩定、精度高、易實現等特點。并且滿足了通信設備的高集成度和超小型化的要求，特別適合某些特殊場合的應用。

關鍵詞：頻率合成器;MC145152;數字鎖相環

中圖分類號： 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0508202

Research of a DPLL Frequency Synthesizer

LI Tingjun，ZHAO Yuanli，REN Jiancun，LI Zheng

(Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai，264001，China)

Abstract：The frequency synthesis technology is the important part of modern communication，it is used in many fields of wireless technology and electronic systems.The characteristics and performance of MC145152 are introduced in this paper，DPLL frequency synthesizer of 909 to 915MHz and stepped frequency 25KHz is designed with peripheral circuit.The characteristics of the frequency synthesizer are simple in structure，excellent in stability，high in accuracy and easy in implementation，and can meet the needs of high integrated level and miniaturized system in communication equipment，and canbe used in some special occation.

Keywords：frequency synthesizer;MC145152;DPLL

隨著大規模集成電路的發展，各種新型的頻率合成器和頻率合成方案不斷涌現，利用鎖相環頻率合成技術研制出了很多頻率合成集成電路。本文介紹一種以摩托羅拉公司生產的MC145152芯片的為基礎的頻率合成器。這種鎖相環頻率合成器的穩定度和準確度與基準頻率一致，從總體結構上看由單片機、鎖相環及可編程分頻器三部分組成。其中可編程分頻器是單片微機與鎖相環之間的接口，同時也是組成數字鎖相頻率合成器的關鍵部件，在移動通信陸地電臺等領域有著廣泛的應用。

1 MC145152芯片的特點及功能

MC145152是MOTOROLA公司生產的大規模集成電路，是16比特并行輸入并行輸入數據編程的雙模鎖相環頻率合成器，該芯片內含參考頻率振蕩器、可供用戶選擇的參考分頻器(分頻比為8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048)，雙端輸出的數字鑒相器、控制邏輯、10比特可編程的÷N計數器(分頻比為3～1 023)、6比特可編程÷A計數器(計數范圍為0～63)和鎖定檢測等部分。其中，10比特÷N計數器、6比特÷A計數器、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：N總=NP＋A，其內部組成框圖如圖1所示。

(1) 他與雙模(P/(P+1))分頻器同時使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當MC為低電平時，雙模分頻器用(P+1)去除；當MC為高電平時，雙模分頻器用模數P去除。

(2) 他有A計數器和N計數器兩個計數器。他們與雙模(P/(P+1))分頻器提供了總分頻值(NP+A)。其中，A、N計數器可預置。N的取值范圍為3～1 023，A的取值范圍為0～63。A計數器計數期間，MC為低電平；N計數器計數(N-A)期間，MC為高電平。

(3) 他有一個參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。

(4) 他有一個R計數器，用來給參考振蕩器分頻，R計數器可預置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048。

(5)他有兩路鑒相信號輸出，其中，ФR，ФV用來輸出鑒相誤差信號，LD用來輸出相位鎖定信號。

MC145152的工作原理：參考振蕩器信號經R分頻器分頻后形成fR信號。壓控振蕩器信號經雙模(P/(P+1))分頻器分頻，再經A，N計數器分頻器后形成fV信號，fV＝fVCO/(NP+A)。fR信號和fV信號在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(ΦR，ΦV)經低通濾波器形成直流信號，直流信號再去控制壓控振蕩器的頻率。

當整個環路鎖定后，fO＝fR且同相，fVCO＝(NP+A)fR，便可產生和基準頻率同樣穩定度和準確度的任意頻率。

2 909～915 MHz數字鎖相環頻率合成器的設計

[JP2]圖2為移動通信909～915 MHz頻率合成器的設計電路，其中壓控振蕩器輸出的頻率通過雙模預分頻器MC12054A預分頻，再輸出到可編程并行輸入鎖相環MC145152中，單片機AT89C51通過I/O口對MC145152進行編程，以改變其計數器的計數初值，從而改變分頻比，鑒相器雙輸出端輸出的誤差信號ΦV和ΦR輸入到雙端輸入的有源低通濾波器，輸出信號直接對壓控振蕩器進行控制，構成了一個完整的數控鎖相環。單片機接收人工調整、設置的數值，并對MC145152的計數器計數初值進行不同的預置，以鎖定不同的頻率，達到改變不同頻點信號的目的。

[BT3]2.1 909～915 MHz頻率合成器元件的選取

鎖相環頻率合成器選用芯片MC145152。晶振選用12.8 MHz的溫補晶體，他的頻率穩定度較高，可達10-8。低通濾波器選用運放芯片MC33171；雙模分頻器選用MC12011與MC10154串聯組成÷64/65雙模前置分頻器，環路總分頻比N總＝N×64+A＝36 360～36 600，N＝568～571，A＝0～63。

[BT3]2.2 909～915 MHz頻率合成器電路的設計

(1) MC145152芯片參數的設計

909～915 MHz頻率合成器電路圖如圖2所示。

fVCO=909~915 MHz，P=64，晶體振蕩器的頻率為12.8 MHz，參考分頻器R取512，

假設壓控振蕩器控制電壓ΔVd=10 V，鑒相靈敏度Kd=9/2π V/rad，ζ 值的大小直接影響環路的瞬態特性，ζ 值大，環路的低通特性性能變差，對輸入頻率成分濾出能力降低;ζ 值太小，瞬態特性有較大的過沖，捕捉時間加長，故需折衷考慮ζ 的取值，通常比較合適的數值為ζ =0.5～1.5，通常選擇最佳值1。

ωn為環路自然諧振角頻率，ωn值的選擇將直接影響環路濾波特性和捕捉時間，為了保證環路對噪聲有較好的抑制，ωn應該遠小于鑒相頻率ωd，通常可按下式選擇ωn＝ωd/(30～1 000)，當噪聲來源于參考頻率和分頻器時，ωn可以選擇得小些；當噪聲來源于壓控振蕩器時，ωn可選擇得大些，這里參數選10，因此

取電容標稱值C為0.015 μF，則R1為1 574 Ω，取電阻標稱值1.6 kΩ，R2為53 333 Ω，取標稱值5.4 kΩ。

當ζ選定和快捕時間ωn選定以后，自然角頻率ts由下式決定:ts=4ξωn=1.6 ms，轉換時間快，滿足技術指標要求。

如還有其他技術指標要求，還需進行實驗調整，使之達到指標要求并留有余量，最后再決定頻率合成器環路參數。

3 結 語

本文用鎖相環頻率合成器專用芯片MC145152及其外圍電路設計了909～915 MHz步進25 kHz的頻率合成器，該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩定度，大大促進了數字鎖相頻率合成器集成化程度的提高和體積的縮小，滿足了通信設備的高集成度和超小型化的要求，特別適合某些特殊場合的應用。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”