基于數(shù)字式頻率合成器實現(xiàn)可控頻率源的設(shè)計

作者：倪淑艷;張寶玲;李曉波

頻率合成技術(shù)

數(shù)字鎖相式頻率合成器的基本原理是：應(yīng)用數(shù)字邏輯電路把VCO頻率一次或多次分頻至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中比較，所產(chǎn)生的誤差信號用來控制VCO頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。上述原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字鎖相式頻率合成器工作原理圖

其中N分頻器是由單片機編程控制的，因此這種合成器又體現(xiàn)了程序設(shè)計和鎖相技術(shù)的結(jié)合。從總體結(jié)構(gòu)看，它由單片機、鎖相環(huán)和可編程分頻器三部分組成。

ADF4113簡介

ADF4113是一種直接數(shù)字式頻率合成器，它的最高工作頻率為3.0GHz，工作電壓為2.7～5.5V，可用于無線電基站設(shè)備、無線手提終端和信號檢測設(shè)備等，它的外部引腳如圖2所示。

圖2 ADF4113的外部引腳

1 工作原理

ADF4113從外部輸入的信號只有標準頻率源信號和控制信號。標準頻率源信號經(jīng)過耦合電路輸入到ADF4113后，經(jīng)14位的R分頻器得到鑒相基準頻率送鑒相器。單控制信號由時鐘信號CLK、數(shù)據(jù)信號DATA和使能信號LE組成。在時鐘信號的控制下，由串行口輸入24位數(shù)據(jù)信號，暫時存放在24位輸入寄存器中。在接收到使能信號后，先前輸入的24位數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達對應(yīng)的鎖存器。

當ADF4113接收到反饋回來的輸出頻率后，首先通過預(yù)引比例因子P，經(jīng)A、B分頻器，得到分頻以后的反饋信號，輸入到鎖相器。與分頻以后的標準頻率源信號在鑒相器中比較，輸出低頻控制信號以控制外部VCO的頻率，使其鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。

2 控制字

ADF4113的分頻比N通過設(shè)置預(yù)引比例因子P和A、B分頻器實現(xiàn)，算法為N=B×P+A。參考頻率通過R分頻器分頻得到適合鑒相器的輸入，因此有fVCO＝［P×B+A］×fREFIN／R。A分頻器、B分頻器和R分頻器分別為6位、13位和14位，其數(shù)值通過寫相應(yīng)的控制寄存器實現(xiàn)。

ADF4113內(nèi)部有四個24位控制字寄存器， 分別為R分頻器控制字、N分頻器、初始化寄存器和功能寄存器。R控制字包括地址控制位、14位R分頻器的數(shù)值設(shè)置位、脈沖寬度控制位、模式測試位、鎖定精度選擇位、方式選擇位和保留位。N分頻器控制字包括地址控制位、6位A分頻器的數(shù)值設(shè)置位、13位B分頻器的數(shù)值設(shè)置位、輸出位增益控制位和保留位。初始化寄存器控制字包括地址控制位、分頻器設(shè)置位、電源設(shè)置位、MUXOUT輸出端控制位、PD極性設(shè)置位、輸出端是否為三態(tài)輸出設(shè)置位、快速鎖定設(shè)置位、定時器設(shè)置位、當前狀態(tài)選定設(shè)置位，以及預(yù)引比例因子設(shè)置位。功能寄存器與初始化寄存器控制字基本相同，只是低兩位地址控制位不同。

硬件設(shè)計

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制部分需要的外圍電路包括時鐘復位電路、鍵盤顯示電路和與ADF4113的接口電路，控制電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)

2 鍵盤顯示電路設(shè)計

由于采用獨立式鍵盤I/O口資源不夠，需要用一片8255擴展并口?？蓪⑵銩、B口作鍵盤輸入，C口作LED顯示輸出。為簡化設(shè)計，鍵盤采用查詢方式，電路如圖4所示。

圖4 鍵盤顯示電路

3 ADF4113接口電路設(shè)計

單片機是通過串口向ADF4113中寫數(shù)據(jù)的，包括時鐘線（DATA）、數(shù)據(jù)線（CLK）和控制信號LE、CE。LE、CE控制信號可由兩個I/O口提供，另外還需單片機提供一I/O口以檢測鎖定信號。接口電路如圖5所示。

圖5 ADF4113接口電路

初始化時，將LE設(shè)為低電平。當24位數(shù)據(jù)由單片機經(jīng)串口送入ADF4113后，給LE一高電平時，這樣輸入鎖存器中的24位數(shù)據(jù)在CLK的上升沿鎖進相應(yīng)的寄存器， 三個字節(jié)數(shù)據(jù)送完后，LE應(yīng)恢復到低電平。其中，CE是片選信號，低電平選通；MUXOUT可通過軟件設(shè)置為ADF4113鎖定信號輸出端，高電平表示鎖定。

軟件設(shè)計

1 鍵盤輸入

本課題使用的是16位獨立式鍵盤，鍵盤經(jīng)8255的A、B口輸入，故8255的工作方式設(shè)置為A、B口入，C口出，且A、B口都工作于方式0，得出控制字為92H。

鍵盤采用查詢方式，當檢測到有鍵輸入時，查詢并保存鍵號。檢測鍵輸入程序用F0作標志位，有鍵輸入時F0置“1”，以此標志跳出檢測子程序，進入查詢子程序。ResetFlag作為復位標志，主要用在有循環(huán)的子程序（如掃頻和點頻）動態(tài)顯示中，以其值為“1”作為跳出循環(huán)結(jié)束子程序的標志。

2 LED顯示

顯示電路采用共陰極LED，其片選信號由P1口低四位提供，段碼數(shù)據(jù)由8255的C口輸出，采用動態(tài)掃描方式，顯示數(shù)據(jù)存于顯示緩沖區(qū)內(nèi)。

3 控制字

根據(jù)ADF4113功能控制字結(jié)構(gòu)，功能控制字可設(shè)為8D9112h。單片機向ADF4113送控制字是通過SPI串行接口實現(xiàn)的。首先將24位控制字每個字節(jié)按從高位到低位的順序，移入ADF4113的輸入寄存器，24位移完后，給使能信號LE一個高電平，這樣先前輸入的24位數(shù)據(jù)，根據(jù)地址位，到達相應(yīng)的寄存器。

4 點頻子程序

點頻子程序要完成的功能是由輸入頻率f計算出分頻比N，并將控制字送到ADF4113中，檢測鎖定信號，鎖定時顯示輸入頻率。

5 掃頻子程序

首先給定時器裝入初值（掃頻時間間隔）；再設(shè)置起始頻率fb、掃頻頻率間隔f0和最高頻率fe；然后啟動定時器TR0=0，定時到，頻率加f0，TF0清零重新計時，直到設(shè)置的最大頻率后再回到初始頻率，如此循環(huán)至復位鍵按下時停止。

6 主程序

程序執(zhí)行以功能鍵（點頻或掃頻）按下開始，當有點頻或掃頻鍵按下時，在最高位的LED顯示“-”以提示輸入數(shù)字，按下數(shù)字鍵“-”消失，開始顯示輸入的數(shù)字。刪除鍵可以刪除已輸入的數(shù)字，回到“-”提示狀態(tài)。按下確認鍵進入相應(yīng)子程序；按復位鍵可跳出各子程序，恢復到初始狀態(tài)。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

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