锁相环频率合成器的方案研究

D2010CH

2010-3-16 10:59:24 4583

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 10:00 编辑

锁相环频率合成器的方案研究

随着大规模集成电路的发展，各种新型的频率合成器和频率合成方案不断涌现，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。本文介绍一种以摩托罗拉公司生产的MC145152芯片的为基础的频率合成器。这种锁相环频率合成器的稳定度和准确度与基准频率一致，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，在移动通信陆地电台等领域有着广泛的应用。

1 MC145152芯片的特点及功能

MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，是16比特并行输入并行输入数据编程的双模锁相环频率合成器，该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(分频比为8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048)，双端输出的数字鉴相器、控制逻辑、10比特可编程的÷N计数器(分频比为3～1 023)、6比特可编程÷A计数器(计数范围为0～63)和锁定检测等部分。其中，10比特÷N计数器、6比特÷A计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：N总=NP+A，其内部组成框图如图1所示。

(1)他与双模(P／(P+1))分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用(P+1)去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。

(2)他有A计数器和N计数器两个计数器。他们与双模(P／(P+1))分频器提供了总分频值(NP+A)。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为3～1 023，A的取值范围为0～63。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数(N-A)期间，MC为高电平。

(3)他有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。

(4)他有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1 024，1 160，2 048。

(5)他有两路鉴相信号输出，其中，φR，φV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。

MC145152的工作原理；参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。压控振荡器信号经双模(P／(P+1))分频器分频，再经A，N计数器分频器后形成fv信号，fv=fvco／(NP+A)。fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号(φR，φV)经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。

当整个环路锁定后，fO=fR且同相，fVCO=(NP+A)fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。

2 909～915 MHz数字锁相环频率合成器的设计

图2为移动通信909～915 MHz频率合成器的设计电路，其中压控振荡器输出的频率通过双模预分频器MC12054A预分频，再输出到可编程并行输入锁相环MC145152中，单片机AT89C51通过I／O口对MC145152进行编程，以改变其计数器的计数初值，从而改变分频比，鉴相器双输出端输出的误差信号φV和φR输入到双端输入的有源低通滤波器，输出信号直接对压控振荡器进行控制，构成了一个完整的数控锁相环。单片机接收人工调整、设置的数值，并对MC145152的计数器计数初值进行不同的预置，以锁定不同的频率，达到改变不同频点信号的目的。

2.1 909～915 MHz频率合成器元件的选取

锁相环频率合成器选用芯片MC145152。晶振选用12.8 MHz的温补晶体，他的频率稳定度较高，可达10-8。低通滤波器选用运放芯片MC33171；双模分频器选用MC12011与MC10154串联组成÷64／65双模前置分频器，环路总分频比N总=N×64+A=36 360～36 600，N=568～571，A=0～63。

2.2 909～915 MHz频率合成器电路的设计

(1)MC145152芯片参数的设计

909～915 MHz频率合成器电路图如图2所示。

fVCO=909～915 MHz，P=64，晶体振荡器的频率为12.8 MHz，参考分频器R取512，RA2～RA0为100，则：

因此，N的取值范围为568～571，A的取值范围为0～63，对应分频比36 360，N计数器二进制为1000111011，A计数器二进制为111000，对应分频比36 600，N计数器二进制为1000111011，A计数器二进制为111000，其余类推。R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。

2.3外围电路参数设计

假设压控振荡器控制电压△Vd=10 V，鉴相灵敏度Kd=9／2πV／rad，ζ值的大小直接影响环路的瞬态特性，ζ值大，环路的低通特性性能变差，对输入频率成分滤出能力降低；ζ值太小，瞬态特性有较大的过冲，捕捉时间加长，故需折衷考虑ζ的取值，通常比较合适的数值为ζ=0.5～1.5，通常选择最佳值1。

ωn为环路自然谐振角频率，ωn值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，ωn应该远小于鉴相频率ωd，通常可按下式选择ωn=ωd／(30～1 000)，当噪声来源于参考频率和分频器时，ωn可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，ωn可选择得大些，这里参数选10，因此叫ωn为2 500 rad／s。

有源比例积分滤波器由运放芯片MC33171构成，根据前面确定的参数K0，Kd和ωn可以确定R1和R2。

取电容标称值C为0.015μF，则R1为1 574 Ω，取电阻标称值1.6 kΩ，R2为53 333 Ω，取标称值5.4 kΩ。