摘 要： 設計基于MCl45163P的智能鎖相頻率合成器，此系統是在經典頻率鎖相合成器電路的基礎上，加入單片機控制環節，實現頻率輸出的自動控制、預置頻率值、顯示頻率等功能。對系統的實現作了詳細描述，最后對系統作了實驗驗證及分析。
關鍵詞： 鎖相環；鎖相頻率合成器；壓控振蕩器（VCO）；計數器
1 基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統設計
基于MCl45163P的鎖相頻率合成器系統框圖如圖1所示。環中的÷N分頻器采用可編程的程序分頻器，fr=fv時，環路鎖定，頻率合成器輸出頻率為fo=Nfr=Nfs/R。式中fr為參考頻率，通常是用高穩定度的晶體振蕩器產生，經過固定分頻比的參考分頻之后獲得，此處fr=fs/R；因N、R均可調，輸出頻率源的頻率點較豐富,較容易滿足各種場合的要求。
MCl45163P是Motolora公司的CMOS大規模集成鎖相頻率合成器，其內部功能塊包括圖1中虛線部分，MCl45163P內部結構框如圖2所示。主要集成了參考分頻器、兩個相位比較器和4位BCD/N分頻器，配合環路濾波和壓控振蕩器可以得到一個完整、實用的鎖相頻率合成器。
輸出頻率間隔和13位/R計數器：引腳RA0和RAl用來決定MCl45163P內部參考分頻器的分頻比,RA0、RA1有四種組合決定參考分頻器(R計數器)的分頻比的情況：RA1、RA0=00分頻比512；RA1、RA0=01分頻比1 024；RA1、RA0=10分頻比2 048；RA1、RA0=11分頻比4 096。選擇合適的分頻比，可以得到對晶振頻率fs的分頻，進而得到參考頻率fr=fs/R。因為頻率合成器的輸出頻率fo=Nfr，因此，fr也是輸出頻率的間隔(步進頻率)。
輸出頻率和4位BCD/N計數器：MCl45163P內部帶有4位BCD/N計數器，通過設定4位BCD的數值，可以得到N計數器(分頻)值。例如：4位BCD數值設置為1 000，則環路中N計數器(分頻)的N值為1000(引腳24～9為0001 0000 0000 0000)；4位BCD數值設置為0750，則環路中N計數器(分頻)的N值為0750(引腳24～9為0000 0111 0101 0000)。頻率合成器的輸出頻率fo=Nfr。
2 MCl45163P的應用設計
2.1頻率范圍和頻率步進設計
只從N分頻的設置范圍3～9 999來看，如果頻率步進fr設定為1 kHz，那么f0輸出頻率為3 kHz～9 999 kHz，但要受到VCO輸出頻率覆蓋范圍的限制。實際選用的VCO器件74LS628,環路處于鎖定狀態的測量頻率范圍在0.7 MHz～9.999 MHz。另外，考慮到最后輸出波形達到占空比為50％的方波，因此可以在VCO輸出信號后加一個1/2分頻器進行整形、分頻，這樣輸出波形質量較好。于是這里將頻率步進fr先設定為2 kHz，fo=Nfr= 1.4 MHz～19.998 MHz，即fo的頻率步進是2 kHz；經過1/2分頻器件得到的fo’=fo/2= 0.7 MHz～9.999 MHz，即最后輸出信號fo’的頻率步進為1 kHz，輸出波形和步進同時達到要求，實際相當于雙環鎖相頻率合成器。
2.2 BCD編碼接口設計
用10個按鍵S0~S9產生十進制0～9的BCD編碼，4個按鍵S10-S13用來切換不同位數，并用數碼管實時顯示當前BCD編碼所對應的十進制數。電路框圖如圖3所示，其中以單片機AT89C2051為核心，編寫4×4矩陣鍵盤的掃描控制處理程序，可以實現上述按鍵功能。采用該電路得到BCD編碼，優點為可靠、方便，每次只需按下對應的位控制按鍵(S10~S13)和對應的BCD編碼按鍵(S0~S9)。由上述可知,輸出信號fo的頻率步進為1 kHz，所以數碼管顯示BCD編碼對應的十進制數就是當前PLL頻率合成器的輸出頻率。
2.3 VCO選擇
TTL系列中的74LS624~74LS629是6種比較常用的VCO集成電路。該系統選用壓控振蕩器74LS628，器件內含1個VCO、有雙向輸出（除Y輸出引腳,有帶Z輸出引腳）、使能端、頻段轉換、可外接Rext作溫度補償。
使用74LS628壓控振蕩器時應注意如下特性：
(1)2腳頻段轉換控制電位VRNG、13腳電位VFC不變時，3、4腳外接電容器Cext越大，輸出信號頻率越低，有利于達到頻率范圍的下限fmin，但不利于頻率范圍的上限fmax。反之，結論相反。因此必須選擇合適的Cext，且需與VRNG配合好，才可得到所要的輸出頻率。
(2)2腳頻段轉換控制電位VRNG、3、4腳外接電容Cext都不變時，13腳電位VFC越高，輸出信號頻率越高。13腳電位VFC來自于MCl45163P與LF的控制信號動態控制VCO而達到鎖定狀態的輸出PDout；3、4腳外接電容器Cext應取合適的電容值：這樣利用2腳頻段轉換控制電位VRNG的高低，就可以比較容易地實現輸出頻率fo的頻率覆蓋范圍。
3 整體電路設計
整體電路設計如圖4所示。
圖4中,接入MCl45163P的晶振為2.048 MHz，若RAl、RA0=01即分頻比為1 024，則可設定為2 kHz。經4位BCD編碼可方便地設定N值，并可以由數碼管顯示當前BCD編碼的十進制數,也即為當前PLL頻率合成器的輸出頻率。VCO的Y輸出端通過電容交流耦合到MCl45163P的1腳，經過其內部N分頻后與fr比較，并由4腳PDout輸出，再經3.3 kΩ電阻和4.7 μF電容組成的積分型低通濾波器得到控制電壓Vc最后接在VC0的13腳。VCO的8腳輸出的信號送至l/2分頻器分頻并整形，輸出信號頻率fo’。
對于VCO頻段控制引腳RNG（2腳）這樣處理：通過集成數值比較器對BCD/N分頻的最高位D3進行分檔，例如可以通過DIP開關設定數值比較器基準BCD(B3～B0)為0100或0011，當D3小于或超過基準后分別得到高或低電位VRNG信號。VRNG接入VCO的2腳，實現整個頻率范圍的覆蓋。否則固定VRNG不變的前提下，VCO無法實現頻率范圍的覆蓋。
4 實驗及結果分析
系統主要參數選擇及實驗結果如表1。
實驗結果分析：4位BCD設置后，數碼管顯示的十進制數值和用頻率計測量的信號頻率相一致，驗證了電路處于鎖定狀態，同時滿足前面提到的數碼管顯示BCD編碼對應的十進制數就是當前PLL頻率合成器的輸出頻率。系統達到了鎖相頻率合成，輸出頻率源在R為1 024時，輸出頻率范圍：0.7 MHz~10 MHz，輸出頻率步進1 kHz；鎖相環中的頻率步進2 kHz，信號源波形質量較好，頻率實測值與理論計算值誤差較小，相對誤差在0.8%以內。改變R時，輸出頻率范圍可方便改變；改變N，得到不同輸出頻率點。
本文設計的基于MCl45163P智能鎖相頻率合成器系統，加入了單片機控制環節，容易實現頻率輸出的自動控制，增加了頻率步進搜索、預置頻率值、顯示頻率等功能，能得到輸出頻率覆蓋范圍較大、輸出頻率步進較小1 kHz（保證輸出頻率分辯率高）、鎖相環頻率步進較大2 kHz（保證頻率轉換時間較?。?、波形質量較好（雜波較少）高頻頻率源。本設計具有一定的創新性，利于對鎖相頻率合成芯片的應用研究和鎖相頻率合成技術的研究。
參考文獻
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