基于锁相环的频率合成器的设计

2021-01-22黄丽薇徐玉菁

数字技术与应用 2020年12期

关键词：分频器压控锁相环

黄丽薇徐玉菁

(东南大学成贤学院，江苏南京 210088)

0 引言

无线电通信系统需要多个能任意切换的频率源，系统对频率源的稳定度、准确度有一定的要求。频率源可以采用频率合成技术来实现。频率合成技术利用标准参考频率源，合成出多个频率。

图1 频率合成器框图

1 频率合成器

1.1 锁相环路的组成

锁相环路是频率合成器的核心。锁相环路由鉴相器、滤波器和压控振荡器组成，计算输入输出量之间的相位差，以获得输出频率对输入频率的锁定，是相位负反馈控制。图1为本次设计中的频率合成器框图，频率合成核心部分采用集成锁相环芯片MC145146、RC有源比例积分滤波器、变容二极管压控振荡器、前置分频器MB540L，输出级采用共源放大电路，单片机设置频率合成芯片的分频系数、根据按键输入控制频率在数码管上显示。

图2 LC正弦波振荡器电路

1.2 锁相环频率合成器的工作原理

1.2.1 压控振荡器

变容二极管压控振荡器电路如图2所示。可变电压VVCO通过L32加到二极管两端，二极管的结电容随着电压发生变化，从而引起振荡器的输出频率发生改变，实现电压控制频率。L32为扼流圈。在本电路中，采用分压偏置共射极电路。为了防止交流电流流过电源，需要滤波。振荡频率计算式，C为C34、CV31和4个变容二极管的等效电容值Cj并联的总电容值。振荡回路特性阻抗选取值时需要考虑合适的值，以顺利振荡及频率稳定。电感的取值为L=0.22H，C1为360pF。调整电感或电容参数，可以解決理论值与实际值的误差问题。电感选高频固定电感，旁路或耦合电容选陶瓷电容，电阻可以选用金属膜电阻[1]。

图3 锁相环频率合成核心电路

图4 RC有源比例积分滤波器

表1 MB504L功能表

1.2.2 锁相环频率合成核心电路

锁相环频率合成核心电路由如图锁相环集成芯片MC145146和前置分频器MB540L组成，如图3所示。双模前置分频芯片MB504L根据SW和MC引脚取值不同，将输入频率进行32、33、64、65分频，表1为功能表。MC145146包含三个计数器，12位的R计数器是参考分频器，10位的N计数器和7位的A计数器组成程序分频器，其中，N的取值为3～1023，A的取值为3～127，R的取值为3～4095[2]。地址码与锁存器的选通关系如表2。

如图3所示，在MC145146的晶振引脚接标准晶体产生参考信号，输出到参考分频器。来自前置分频器MB504L的信号送入计数器A、N，以实现分频。设置地址码A2A1A0的值，从而选通145146芯片内的不同锁存器，得到数据D0D1D2D3，设置计数器A和N的分频比。由于计数器N的分频比大于计数器A，所以A计数器先计满，MC变为1；计数器N继续计数，直到N计数器计满，MC重置为0，N和A计数器清零。N计数器的输出送入鉴相器，以进行相位比较，检测锁相状态。

1.2.3 环路滤波器

鉴相器输出的信号中，有部分高频分量和干扰分量，所以需要一个低通滤波器滤除这些成分，以得到控制电压。这个滤波器称为环路滤波器，如图4所示，图中选用RC有源比例积分滤波器。

1.2.4 频率设置显示电路

在频率设置显示部分，单片机通过开关接收变量的值，通过地址码与锁存器的选通关系，把改变值写入145146的N和A分频器，修改分频器N和A的分频比，从而控制鉴相器两个比较相位信号的频率。通过按键设置频率，设置三个按键S1、S2、S3，当分别按下其中某一个时，频率分别加10KHz、100KHz、1MHz。图5为频率设置显示电路。

1.2.5 输出部分电路

输出模块电路如图6所示。输出缓冲级电路采用3SK122场效应管为核心搭建，输出级电路采用分压偏置共集电极电路构成。