單工民用電臺的頻率合成器設(shè)計

宋軍華新疆油田公司采油二廠信息檔案管理站，新疆克拉瑪依 834000

單工民用電臺的頻率合成器設(shè)計

宋軍華
新疆油田公司采油二廠信息檔案管理站，新疆克拉瑪依 834000

本設(shè)計的任務(wù)是利用鎖相技術(shù)中的頻率合成技術(shù)為單工民用電臺設(shè)計一個頻率精度高，分辨率滿足電臺要求等優(yōu)良性能的鎖相頻率合成器。該頻率合成器具有較高精確度和穩(wěn)定度。采用單片機AT89C51對頻率合成器進行運算和控制，介紹了硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)方法，可以實現(xiàn)置頻、取頻、空閑頻道搜索等功能。本文在研究頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)基本原理的基礎(chǔ)上，分析了鎖相式頻率合成器組成電路中各部件對環(huán)路輸出信號的影響，設(shè)計了以一個中規(guī)模單片集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片MC145106為基礎(chǔ)的鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成的方案。

頻率合成器；鎖相環(huán)路；鑒相器；環(huán)路濾波器；壓控振蕩器； 相位噪聲；分頻器

0 引言

頻率合成器是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對頻率合成器提出了越來越高的要求。本文在研究頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以一個中規(guī)模單片集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片MC145106為基礎(chǔ)的鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成的方案。

本方案是利用鎖相技術(shù)中頻率合成技術(shù)為單工民用電臺設(shè)計一個頻率精度高，分辨率滿足電臺要求等優(yōu)良性能的鎖相頻率合成器。

1 鎖相環(huán)路的構(gòu)成及工作原理

目前頻率合成器的基本方法有三種，即直接頻率合成（DFS）、鎖相頻率合成（PLL）和直接數(shù)字頻率合成（DDS）。三種方法各有特點和適用性，其中最主要是鎖相頻率合成技術(shù)，是利用鎖相環(huán)的相位鎖定特性，獲得與基準頻率成一定倍數(shù)的新頻率，這種電路稱鎖相頻率合成器。

1.1 鎖相環(huán)路的基本構(gòu)成

鎖相環(huán)（PLL）是由鑒相器（PD），環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成自動相位控制系統(tǒng)。其中鑒相器是一個相位比較電路，實現(xiàn)相位—電壓的轉(zhuǎn)換。環(huán)路濾波器是一個低通濾波器，其作用是濾除誤差信號Ue（t）中的高頻成分及噪聲，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器是一個電壓—頻率（相位）變換電路，使振蕩頻率向參考頻率靠攏。

1.2 鎖相環(huán)路的工作原理

鎖相環(huán)路（PLL）是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號之間相位進行比較，達到同頻率,實現(xiàn)跟蹤信號頻率漂移。

鎖相就是壓控振蕩器被一個外來基準信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準信號的相位保持某種特定關(guān)系，達到相位同步或相位鎖定。

2 頻率合成器的具體設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 單片集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片MC145106

圖1

2.1.1 MC145106的引腳功能

各引出端的功能介紹如下：（如圖1）

1 ：VDD 正電源輸入端，+4.5V～+12V；

2 ：fin程序分頻器的信號輸入端；

3 、4 ：參考振蕩器的信號輸入端，接10.24MHz晶體；

5 ：/2out參考振蕩頻率二分頻輸出端；

6 ：FS參考分頻器分頻比選擇端。FS=“1” 時，鑒相頻率為10kHz，在此電路中接“0”，鑒相頻率為5kHz，故程序分頻器最小步進0.005MHz；

7 ：三態(tài)鑒相器輸出端；

8 ：鎖定指示輸出端；

9～17 ：程序分頻器二進制碼預(yù)置端，懸空為“0”。程序分頻比設(shè)置范圍3～511；

18 ：VSS 接地端。

2.1.2 MC145106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能

MC145106是CMOS、MSI電路，圖1示出MC145106的方框圖，電路圖包含有參考振蕩器，參考分頻器，程序分頻器和鑒相器。只要外接環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，就組成一個鎖相環(huán)頻率合成器。參考晶振接在3、4兩端，在民用波段收發(fā)信機中通常工作在10.24MHz上，經(jīng)÷2分頻后，得到5.12MHz信號，加到參考分頻器上，參考分頻比為2或2，由FS選擇：當FS端接“1”時，參考分頻比為2，鑒相頻率為10kHz；反之，當FS端接“0”時，參考分頻比變成2，鑒相頻率則為5kHz。程序分頻器最高工作頻率在4.5MHz左右。

程序分頻比為3～（2-1），用二進制碼置定，加在預(yù)置端P0～P8 上的二進制碼與分頻比N的關(guān)系如3-1所示。壓控振蕩器輸出的信號加在2端。7端為鑒相器輸出端。當反饋信號頻率高于參考鑒相頻率時，7端輸出為高電平；當反饋信號頻率低于參考鑒相頻率時，7端輸出為低電平。8端為鎖定檢測指示端，當環(huán)路失鎖時8端輸出低電平。5端輸出經(jīng)過÷2的參考晶振頻率，供產(chǎn)生收發(fā)信機其它所需頻率之用。上述電路非常適合在民用波段應(yīng)用，一般單環(huán)頻率合成可得到頻率間隔=25kHz或50kHz的數(shù)十至二、三百個波道。

2.2 壓控振蕩器的設(shè)計

2.2.1 壓控振蕩器的特性

壓控振蕩器是一個電壓—頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器。它具有線性控制特性，基本要求：頻率穩(wěn)定度好；控制靈敏度高；控制特性的線性度好；線性區(qū)域?qū)挼取＿x用的MC1648為單片集成壓控振蕩器芯片，可以實現(xiàn)輸出頻率穩(wěn)幅。

2.2.2 方案論證與比較

壓控振蕩器的形式有多種，以下有三個方案：方案一采用變?nèi)荻O管的傳輸特性來實現(xiàn)，應(yīng)用中非線性的控制特性會使控制靈敏度下降。在方案二中通過增加一個電容與振蕩回路并聯(lián)來實現(xiàn)，但工作的線性區(qū)域較小。而方案三采用一對串聯(lián)變?nèi)荻O管背靠背與該諧振回路相連來提高壓控線性，使VCO的壓控靈敏度在波段內(nèi)比較均勻。本設(shè)計采用方案三。

這次設(shè)計的壓控振蕩器主要由壓控振蕩器芯片MC1648、變?nèi)荻O管1SV149以及LC諧振回路構(gòu)成。為達到最佳性能，要求并聯(lián)諧振回路的QL≥100。電源采用+5V的電壓，一對串聯(lián)變?nèi)荻O管背靠背與該諧振回路相連，調(diào)整加在變?nèi)荻O管上的電壓大小，使振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定在10.24MHz。

2.3 有源低通濾波器的設(shè)計

有源濾波器采用運算放大器LM324，同樣為間隔5kHz的89個頻率。而發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間頻率間隔為0.015MHz(15kHz)為2個頻率。則加起來一共有180個頻率。

3 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理：單片機AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程度存儲器，能重復(fù)寫入/擦除解1 000次；8155為集成擴展I/O，用其擴展端口與顯示器、鍵盤進行接口；7404、7407為集成顯示驅(qū)動器，用以驅(qū)動數(shù)碼管顯示正確的字符；單片機由鍵盤接收頻率值并由數(shù)碼管顯示信息，通過P1口把控制代碼送到MC145106中，從而調(diào)節(jié)頻率合成器的輸出頻率，將參數(shù)用LED顯示出來。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計本著面向使用、控制原則，其主要目標是：1）使用十進制數(shù)字控制，能以直接鍵入目標頻率的方式控制；2）能以步進方式控制頻率的增減。

4 結(jié)論

1 ）通過了解鎖相技術(shù)中的頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ)知識，選擇最適合于本設(shè)計電路的集成鎖相環(huán)路芯片；

2 ）為提高壓控振蕩器的線性性能，對壓控振蕩器選擇出最佳方案；

3 ）通過掌握單片機的知識，了解芯片特性和工作原理，合理地選擇單片機。

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1674-6708（2012）59-0135-02