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

ADF4113簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)電基站設(shè)備、無(wú)線(xiàn)手提終端和信號(hào)檢測(cè)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(hào)只有標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)和控制信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電路輸入到ADF4113后，經(jīng)14位的R分頻器得到鑒相基準(zhǔn)頻率送鑒相器。單控制信號(hào)由時(shí)鐘信號(hào)CLK、數(shù)據(jù)信號(hào)DATA和使能信號(hào)LE組成。在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，由串行口輸入24位數(shù)據(jù)信號(hào)，暫時(shí)存放在24位輸入寄存器中。在接收到使能信號(hào)后，先前輸入的24位數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達(dá)對(duì)應(yīng)的鎖存器。

當(dāng)ADF4113接收到反饋回來(lái)的輸出頻率后，首先通過(guò)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(hào)，輸入到鎖相器。與分頻以后的標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)在鑒相器中比較，輸出低頻控制信號(hào)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(guò)設(shè)置預(yù)引比例因子P和A、B分頻器實(shí)現(xiàn)，算法為N=B×P+A。參考頻率通過(guò)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(guò)寫(xiě)相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)。

ADF4113內(nèi)部有四個(gè)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(cè)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(shí)器設(shè)置位、當(dāng)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(jì)

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制部分需要的外圍電路包括時(shí)鐘復(fù)位電路、鍵盤(pán)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(pán)顯示電路設(shè)計(jì)

由于采用獨(dú)立式鍵盤(pán)I/O口資源不夠，需要用一片8255擴(kuò)展并口。可將其A、B口作鍵盤(pán)輸入，C口作LED顯示輸出。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),鍵盤(pán)采用查詢(xún)方式，電路如圖4所示。

圖4 鍵盤(pán)顯示電路

3 ADF4113接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)是通過(guò)串口向ADF4113中寫(xiě)數(shù)據(jù)的，包括時(shí)鐘線(xiàn)（DATA）、數(shù)據(jù)線(xiàn)（CLK）和控制信號(hào)LE、CE。LE、CE控制信號(hào)可由兩個(gè)I/O口提供，另外還需單片機(jī)提供一I/O口以檢測(cè)鎖定信號(hào)。接口電路如圖5所示。

圖5 ADF4113接口電路

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

軟件設(shè)計(jì)

1 鍵盤(pán)輸入

本課題使用的是16位獨(dú)立式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)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(pán)采用查詢(xún)方式，當(dāng)檢測(cè)到有鍵輸入時(shí)，查詢(xún)并保存鍵號(hào)。檢測(cè)鍵輸入程序用F0作標(biāo)志位，有鍵輸入時(shí)F0置“1”，以此標(biāo)志跳出檢測(cè)子程序，進(jìn)入查詢(xún)子程序。ResetFlag作為復(fù)位標(biāo)志，主要用在有循環(huán)的子程序（如掃頻和點(diǎn)頻）動(dòng)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(biāo)志。

2 LED顯示

顯示電路采用共陰極LED，其片選信號(hào)由P1口低四位提供，段碼數(shù)據(jù)由8255的C口輸出，采用動(dòng)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(jī)向ADF4113送控制字是通過(guò)SPI串行接口實(shí)現(xiàn)的。首先將24位控制字每個(gè)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(hào)LE一個(gè)高電平，這樣先前輸入的24位數(shù)據(jù)，根據(jù)地址位，到達(dá)相應(yīng)的寄存器。

4 點(diǎn)頻子程序

點(diǎn)頻子程序要完成的功能是由輸入頻率f計(jì)算出分頻比N，并將控制字送到ADF4113中，檢測(cè)鎖定信號(hào)，鎖定時(shí)顯示輸入頻率。

5 掃頻子程序

首先給定時(shí)器裝入初值（掃頻時(shí)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(dòng)定時(shí)器TR0=0，定時(shí)到，頻率加f0，TF0清零重新計(jì)時(shí)，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(fù)位鍵按下時(shí)停止。

6 主程序

程序執(zhí)行以功能鍵（點(diǎn)頻或掃頻）按下開(kāi)始，當(dāng)有點(diǎn)頻或掃頻鍵按下時(shí)，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(kāi)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(rèn)鍵進(jìn)入相應(yīng)子程序；按復(fù)位鍵可跳出各子程序，恢復(fù)到初始狀態(tài)。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖