串行数字锁相频率合成器的设计

winnie

摘 要
以MB1501为例介绍了“吞除脉冲”式串行数字锁相频率合成器的设计，它具有结构简单、稳定性好、精度高、易实现等特点。

关键词
串行数字锁相频率合成器    “吞除脉冲”     压控振荡器（VCO）
    当前，随着数字技术的发展及微控制器在电子系统中的广泛应用，在很大程度上改变了传统的设计方法，数字频率合成技术的应用也日益广泛。数字频率合成器应用于通信设备中，使得工作频率的选择变得极为简单而又精确。并且随着大规模集成电路（LSI）技术和单片微机技术的迅速发展，大大促进了数字锁相频率合成器集成化程度的提高和体积的缩小，满足了通信设备的高集成度和超小型化的要求。特别适合某些特殊场合的应用。
    串行数字锁相频率合成器体现了程序设计和锁相技术的结合。这种合成器从总体结构上看由单片机、锁相环及可编程分频器三部分组成。其中可编程分频器是单片微机与锁相环之间的接口，同时也是组成数字锁相频率合成器的关键部件。
1 “吞除脉冲”式数字锁相频率合成器的构成
    锁相环路是一个负反馈相位控制系统。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和可编程分频器(÷NP)四个基本部件组成。为保证足够小的信道间隔和高的工作频率，可采用吞除脉冲式数字锁相频率合成器。所谓“吞除脉冲”技术，就是采用高速双模前置分频器，根据模式控制电平的高低，来控制它的分频比为P 或P +1。此类数字锁相频率合成器的结构框图如图1所示。图中，fr为参考频率；fP为反馈频率；NP，A为分频比系数；fO为压控振荡器输出频率。工作时，前置分频器先按除“P + 1”方式工作，当吞除计数器计到预置状态后，转换成除“P”方式工作。当前置分频器完成一个工作周期后，又回到除“P + 1”工作状态。
    具有吞除脉冲计数功能的可编程分频器的总分频比M有如下关系

M =P × NP＋A

（1）

式中P为前置分频器的分频比。

2 MB1501芯片介绍     MB1501系列为日本富士通公司的大规模集成数字锁相频率合成器，采用CMOS工艺，是一种具有吞除脉冲功能的单片串行集成锁相频率合成器芯片。 2.1 MB1501的结构     MB1501系列包含内部振荡器，参考分频器，可编程分频器，相位检波器，锁存器，移位寄存器，双模高速前置分频器和一位控制锁存器等主要部件。只需外接环路滤波器、压控振荡器、单片微处理器等电路即可构成一个完整的全程扫描频率合成器。该系列芯片具有如下特点： 最高工作频率1.1GHz，输入信号的幅度不低于200mVp-p；工作电压为2.7～5.5V，典型值为3V；功耗低，在工作电压为3V，工作频率为1.1GHz时仅为45mW。        MB1501系列的封装有两种：直插式和贴片式。其引脚布置如图2所示。图中：     1、2脚为振荡器OSC的接入端，可接振荡晶体或作外标频信号输入端；     3脚VP为充电泵电源工作电压输入端；     4脚VCC为芯片工作电源端；     5脚DO为充电泵源输出端；     6脚GND为芯片地；

图1 “ 吞除脉冲”式锁相频率合成器组成框图 图2 MB1501引脚顶视图

7脚LD为锁定指示端，环路锁定时，LD为高电平，失锁时，LD为低电平；     8脚fin为前置分频器输入端，也就是环路VCO信号输出端；     9脚Clock为时钟输入端，上升沿有效；     10脚Data为串行编程数据入口；     11脚LE为负载使能输入端（内置上拉电阻），当LE为高时,数据被传送到相应的锁存器；     12脚FC为充电泵源输出特性设置端，当FC为低时，可倒置充电泵源及相位比较器的特性；     13脚fr为参考分频器输出信号端；     14脚fP为可编程分频器输出信号端，环路锁定时，fP应与fr相等；     15脚φP和16脚φr为鉴相器输出。

2.2 MB1501分频器的编程置数
    由于MB1501芯片内设置了移位寄存器，所以该芯片必须采用串行输入方式实现分频比的设置。为了使载波频率的变化有较高的精度，若取参考频率fr为5kHz，在外接6MHz晶体使内部振荡器频率为6MHz的情况下，参考分频比为6MHZ / 5kHZ =1200。因此仅需改变MB1501可编程分频器的吞除脉冲计数器分频比A和可编程计数器分频比NP即可控制锁相环的输出频率fO，使其工作在相应的工作频率上。当环路锁定时，振荡器的输出频率为

fO =（P´ NP + A）× fr

（2）

    可编程参考分频器的数据格式及设置程序如下：
    1.可编程参考分频器数据格式
    可编程参考分频器的数据格式如图3、图4所示。

图3 参考分频器的数据格式

　图4 可编程分频器的数据格式

    其中“C”为目标锁存器控制位，“SW”为前置分频器计数模式控制位。对参考分频器“C”、“SW”均置“1”,对可编程分频器“C”置“0”。S1~ S14为参考分频器的分频比。可编程分频器中S1～S7为吞除脉冲分频比,即A=0～127;S8 ～S18为可编程分频比,即NP=16～2047，数据从最高位送入。当使能LE（11脚）有效时，在时钟信号Clock（9脚）的控制下,数据根据“C”位的值以串行方式通过引脚10被送入MB1501中相应的移位寄存器。据此,可编程分频器的分频比设置程序如下。
    2.可编程分频器分频比设置程序

_SetFreq:
	CLR	PE ；送参考分频器分频比
	CLR	CK
	MOV	A ,R7
	MOV	R0 ,A
	MOV	A ,@R0
	MOV	R5 ,A
	CALL	SetByte ；送8比特数据
	INC	R0
	MOV	A ,@R0
	MOV	R5 ,A
	CALL	SetByte
	SETB	PE
	CLR	PE ；送可编程分频器分频比
	INC	R0
	MOV	A ,@R0
	MOV	R5 ,A
	CALL	SetByte ；送8比特数据
	INC	R0
	MOV	A ,@R0
	MOV	R5 ,A
	CALL	SetByte
	INC	R0
	MOV	A ,@R0
	MOV	R5 ,A
	CALL	SetByte
	SETB	PE
	RET

3 应用实例
    利用“吞除脉冲”式串行数字锁相频率合成器MB1501，在MCU和C51编程语言的支持下，成功地构成了智能型全程扫描调频接收机。其控制电路见图5（a），锁相电路见图5（b），相应的主程序框图如图6所示。

图5 智能全程扫描调频接收机锁相电路

具体功能如下： （1）上电显示前次扫描锁定的第一个频率值。 （2）全频段自动搜索模式。自动搜索并存储全频段内的所有电台信号，按相应键可暂停搜索。 （3）特殊频段自动搜索模式，完成特殊设置频段的扫描任务。 （4）手动搜索模式。人工搜索全频段信号，并在需要时存储信号频率。 （5）确定搜索信号的准确频点。从所存储的电台频率中选出目标信号，利用微调键进行调整(步进5kHz)，直到信号效果满意为止。并可将该准确频率重新存储。

图6 智能全程扫描调频接收机

    智能型全程扫描调频接收机较好地解决了频率稳定与全程快速扫描之间的矛盾，样机达到设计指标要求，较好的满足了用户的需求。该智能全程扫描调频接收机具有工作频率范围宽，稳定度好，精度高，信道间隔小，工作状态稳定等优点，因而有广泛的应用前景。