Design and Implication of a PLL Frequency Synthesizer
摘要：本文介紹鎖相頻率合成器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并用Motorola公司的 MC145152實(shí)現(xiàn)了一種鎖相頻率合成器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、精度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵字：頻率合成；鎖相環(huán)；鑒相
Abstract: The paper is introduced PLL frequency synthesizer’s structure and operating principle, and applicated a PLL frequency synthesizer useing MC145152 of Motorola.The frequency synthesizer has the structure simplicity , stability regards , accuracy characteristics such as high , easy to come true.
Key word: Frequency synthesizer; PPL; PD
1．引言
近幾年出現(xiàn)的中、大規(guī)模集成鎖相頻率合成器電路產(chǎn)品，把頻率合成器參考頻率振蕩器和參考分頻器組成的參考頻率源，可變程序分頻器以及鑒相器等主要部件，還有雙�？刂齐娐贰㈡i存器、解碼器、移位寄存器等輔助部件全部集成在一個(gè)芯片上；只要外接環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、雙模前置分頻器等少量部件即可構(gòu)成一個(gè)完整的頻率合成器，并且逐漸發(fā)展成能與計(jì)算機(jī)接口。它的高可靠性、低成本、控制靈活等優(yōu)良性能大大促進(jìn)了它的應(yīng)用普及。本文提出一種基于MC145152鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
頻率合成器有多種方法實(shí)現(xiàn)，其中利用鎖相環(huán)的相位鎖定特性，獲得與基準(zhǔn)頻率成一定倍數(shù)的新頻率的電路，稱為鎖相頻率合成器。由于鎖相環(huán)具有良好的窄帶濾波特性，輸出的波形純凈，并且在環(huán)路鎖定后輸出頻率的溫度穩(wěn)定度和時(shí)間穩(wěn)定度與基準(zhǔn)頻率相同。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)前最主要的頻率合成器，尤其是把大規(guī)模數(shù)字鎖相集成電路和微處理器結(jié)合起來，使頻率合成器實(shí)現(xiàn)更方便，性能更好。鎖相頻率合成器的原理框圖如圖1所示。
由晶振和固定分頻器組成的參考頻率源提供一個(gè)參考（基準(zhǔn)）頻率fR ,壓控振蕩器VCO的頻率fV被可變程序分頻器N分頻，得到fV∕N，近似等于fR，并與fR在鑒相器PD中進(jìn)行相位比較，比較后輸出直流電壓，通過環(huán)路濾波器LP送給壓控振蕩器VCO，調(diào)整壓控振蕩器，使fV∕N=fR，即使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。壓控振蕩器VCO的輸出頻率就鎖定在參考頻率fR的N次倍頻上，即fV=NfR。要更換新的頻率fV可通過改變分頻器上的分頻比N來實(shí)現(xiàn)，如增加一個(gè)單位，fV就增加一個(gè)fR，也就是說fR是壓控振蕩器VCO所能改變的步進(jìn)頻率值，該fR值就是頻率合成器的頻率間隔F(=fR)。因?yàn)閒R是固定的，因此環(huán)路輸出頻率(VCO的輸出) fV是隨N變化的一組不連續(xù)的頻率，其值是fR的整數(shù)倍。可以看出，鎖相頻率合成器實(shí)際就是一個(gè)反饋系數(shù)可變的鎖相環(huán)，是一個(gè)相位誤差反饋控制系統(tǒng)。
圖1鎖相頻率合成器原理框圖
2．鎖相環(huán)的基本原理
鎖相環(huán)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)鎖定的控制系統(tǒng)，可分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)，它們都包括三個(gè)基本的組成部分：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。它們可和÷N電路構(gòu)成一個(gè)閉合的相位反饋控制電路，這里以模擬鎖相環(huán)例，簡要介紹其工作原理。
⑴ 壓控振蕩器
3．鎖相頻率合成器組成框圖
本設(shè)計(jì)采用大規(guī)模集成電路MC145152為核心器件，外接的環(huán)路濾波器采用MC1458，壓控振蕩器采用XR2206，控制和更換頻道由一個(gè)十位機(jī)械開關(guān)完成。其原理框圖如圖2。
XR2206單片集成函數(shù)發(fā)生器能產(chǎn)生高質(zhì)量、高穩(wěn)定、高精度的正弦波、方波、三角波、斜波及脈沖波形�？蓪�(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)幅。適用于波形產(chǎn)生；掃描產(chǎn)生；AM/FM產(chǎn)生；FSK產(chǎn)生；鎖相環(huán)等。
4．整機(jī)電路及其工作原理
整機(jī)電路如圖3所示。用穩(wěn)壓電源向XR2206和MC1458提供15V電壓，經(jīng)過7805后輸出5V電壓供給MC145152，這樣整個(gè)電路就可以工作了。
將RA2～RA0置空（即RA2=1,RA1=1,RA0=1）,所以10.24MHz晶體產(chǎn)生的晶振信號(hào)，經(jīng)2048分頻后就產(chǎn)生參考頻率信號(hào)fR=5kHz。由十位機(jī)械開關(guān)控制十位÷N分頻器，每位開關(guān)合上對(duì)應(yīng)的Ni為“0”，斷開為“1”。當(dāng)十位機(jī)械開關(guān)確定一個(gè)狀態(tài)，即將一個(gè)十位二進(jìn)制數(shù)送入計(jì)數(shù)器N。壓控振蕩器輸出的高頻信號(hào)fV送至計(jì)數(shù)器N進(jìn)行減法計(jì)數(shù)（假設(shè)計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)為N），直至計(jì)數(shù)器N減至為零，然后輸出一脈沖信號(hào)PE（即分頻器輸出），該信號(hào)PE同時(shí)使計(jì)數(shù)器N重新置數(shù)，為下一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)做好準(zhǔn)備。計(jì)數(shù)器輸出的頻率信號(hào)fV´（即PE）與參考信號(hào)fR通過鑒相器PD鑒相后輸出一個(gè)誤差電壓Vd，通過環(huán)路濾波器LP輸出電壓VC，使壓控振蕩器VCO鎖定，此時(shí)輸出頻率fV為
fV = N•fR
由于N的范圍為1～1023，所以本電路可提供的頻率范圍為5～5115kHz。
5．總結(jié)
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率合成器的應(yīng)用也越來越廣泛。雖然該設(shè)計(jì)的頻率合成器是簡單的跳頻電臺(tái)使用的鎖相頻率合成器，但是它在很多方面都可以進(jìn)一步改進(jìn)并加以完善，可以說它是一個(gè)基礎(chǔ)。下面提出幾點(diǎn)改進(jìn)的建議：
(1) 可以與計(jì)算機(jī)接口，代替機(jī)械開關(guān)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列來控制分頻比。
圖3整機(jī)電路圖
(2) 將吞除計(jì)數(shù)器A接入電路中，并在外部電路中加上雙模前置分頻器，實(shí)現(xiàn)雙模方案的鎖相頻率合成器，擴(kuò)大頻率合成器的輸出頻率范圍。
(3) 可以將直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)應(yīng)用于鎖相式頻率合成中，用DDS激勵(lì)鎖相環(huán)，這樣能輸出高的鑒相頻率，同時(shí)還能提高鎖相環(huán)的換頻速度。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文用MC145152實(shí)現(xiàn)了跳頻電臺(tái)使用的結(jié)構(gòu)最簡單的鎖相頻率合成器，穩(wěn)定性好、精度高、易實(shí)現(xiàn)、輸出頻率范圍大，是其他頻率合成器的基礎(chǔ)。
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作者簡介：薛茹 (1974-),女（漢族）， 陜西，西藏民族學(xué)院信息工程學(xué)院，講師， 碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)通信
通信地址：陜西咸陽 西藏民族學(xué)院信息工程學(xué)院 郵編：712082 E-mail: joywinjam@yahoo.com.cn
