一種數(shù)字式頻率合成環(huán)路的設(shè)計與應(yīng)用

【摘　要】　介紹了一種寬帶數(shù)字式頻率合成環(huán)路的設(shè)計思想，給出了原理電路。經(jīng)測試和應(yīng)用證明該電路簡單，頻帶寬，穩(wěn)定度高。
??? 關(guān)鍵詞：頻率合成，原理電路，設(shè)計

1　引　言
　　頻率合成器是現(xiàn)代通信電臺的頻率源，又稱激勵源，它能為電臺的所有工作波道提供高穩(wěn)定的工作頻率。在軍用民用通信電臺中采用了一種單片微機控制的大規(guī)模集成鎖相式數(shù)字合成器，由于采用智能化微機控制技術(shù)和數(shù)字合成技術(shù)，大大簡化了電臺的操作使用，提高了電臺的可靠性。本文介紹了一種脈沖吞除式數(shù)字頻率合成環(huán)路，其核心電路采用鎖相環(huán)數(shù)字頻率合成器專用單片大規(guī)模集成電路MC145156和雙模預(yù)分頻器集成電路SP8793。其主要特點是工作頻段較高、輸出雜波干擾及噪聲干擾小、電路簡單、工作可靠。
2　電路組成及原理
??? 數(shù)字式頻率合成環(huán)路主要由集成鎖相合成器、預(yù)分頻器、參考振蕩器、環(huán)路低通濾波器和壓控振蕩器等組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　微機將工作頻率f0所對應(yīng)的分頻數(shù)據(jù)輸入可變程序分頻器，并控制可變程序分頻器和預(yù)分頻器同時對f0進行N次分頻，fv＝f0／N＝25kHz，fv在鑒相器中與標準信號頻率fR進行相位比較，所產(chǎn)生的相位誤差電壓經(jīng)環(huán)路低通濾波器后去控制VCO，使輸出的f0頻率穩(wěn)定。當(dāng)fv信號的相位θv與fR信號的相位θR的誤差△θ在鎖相環(huán)同步帶內(nèi)時，環(huán)路瑣定，PD輸出的誤差電壓始終跟蹤θv的變化去控制VCO，使fv＝fR，f0＝N fR，即頻率瑣定，使f0與fR具有同等的頻率穩(wěn)定度。當(dāng)f0變化較大，fv偏離fR較多時，二者的相位誤差△θ超出環(huán)路捕捉帶，就會使環(huán)路失鎖，fv≠fR，f0頻率失控，這時PD輸出一個失鎖監(jiān)測信號，由失鎖監(jiān)測控制電路控制VCO停止發(fā)射激勵輸出，并通知微機發(fā)出失鎖告警。

3　電路設(shè)計
3．1　VCO電路　　
　　壓控振蕩器VCO是射頻頻率源，它是一個電壓／頻率變換部件，振蕩器頻率通過相位負反饋受鑒相器輸出的誤差電壓所控制，其輸出頻率穩(wěn)定度較高。VCO的振蕩電路由兩個場效應(yīng)管10BG7、10BG8和四只變?nèi)?a target="_blank">二極管10BG3、10BG4、10BG5、10BG6及電感10L1構(gòu)成的電調(diào)諧回路共同組成，如圖2所示。四只二極管并串聯(lián)是為了改善電壓、電容控制特性，經(jīng)穩(wěn)壓管10BG2產(chǎn)生的靜態(tài)反射偏壓和10JC1經(jīng)10BG1送來的控制電壓VC在10R5上疊加，由10R7加在了變?nèi)荻O管的負極。當(dāng)VC增大時，變?nèi)莨艿牡刃щ娙菹鄳?yīng)減小，使回路諧振頻率即VCO振蕩頻率升高，反之則使降低。10BG7為共源接法，10BG8為共柵接法，它們與振蕩回路組成了三點電感式振蕩器，10C9、10L1構(gòu)成正反饋回路。振蕩電壓由10BG7漏極經(jīng)10C11耦合輸出。

3．2　參考振蕩器及參考分頻器
　　參考振蕩器是以外部的晶體振蕩器11JST1產(chǎn)生的6．4MHz頻率作為基準頻率，其電路如圖3中所示，從11JC6第19腳輸入，經(jīng)一個非門加到參考分頻器。11JST1的電位器11W2可微調(diào)振蕩器的頻率。同時，6．4MHz的晶體信號由11JC6第18腳輸出，送往單片機11JC8的時鐘電路。
　　按照國際航空通用標準，電臺頻率合成器輸出射頻的最小頻率間隔一般為25kHz，因此，參考基準頻率fR也應(yīng)為25kHz，參考振蕩器信號頻率為6．4MHz，參考分頻比R＝6．4MHz／25kHz＝256次。與其對應(yīng)的地址碼為011，故11JC6之RA2（2）端接地，RA2（1）和RA0（20）端都接＋5V。25kHz的參考頻率fR信號送到片內(nèi)A鑒相器的一個輸入端。
3．3　集成鎖相環(huán)電路
　　本合成器所使用的是一種雙模鎖相環(huán)CMOS集成電路（MC145156），如圖4所示為MC145156的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，它含有參考振蕩分頻器、A和B數(shù)字鑒相器、10位÷M計數(shù)器、7位÷A計數(shù)器、19位串行碼輸入的移位寄存器和鎖存器、預(yù)分頻變模邏輯控制及鎖定檢測等，它與雙模預(yù)分頻器配合使用。其主要特性是：20腳雙列直插式封裝；參考分頻比R＝8，64，128，256，540，1000，1024，2048；程序分頻器計數(shù)范圍為M＝3～1023，A＝0～127；鑒相器A為單端三態(tài)輸出：Kd＝VDD／4π（V／rod）；鑒相器B為雙端輸出：Kd＝VDD／2π（V／rod）。其電路連接關(guān)系如圖3所示。
3．4　預(yù)分頻器和程序分頻器
　　雙模預(yù)分頻器是脈沖吞除可變分頻器的組成部分，其電路構(gòu)成如圖3所示。雙模預(yù)分頻器是專用集成電路SP8793（英國Plessey公司產(chǎn)品），它是采用ECL工藝的高速低功率數(shù)字集成電路。其主要性能為：225MHz的最高工作頻率；÷40／41的雙模分頻比，模式控制MC為低電頻時為41，MC為高電平時分頻比為40。來自VCO的f0電壓SP8793由第5腳輸入，經(jīng)÷40／41分頻后，從3腳輸出，由MC145156的10腳輸入程序分頻器，來自程序分頻器的MC信號從MC145156的8腳輸出到SP8793的1腳控制其分頻模式。

　　程序分頻器集成在MC145156內(nèi)部，由10位M計數(shù)器和7位A計數(shù)器組成，分別由10位二進制和7位二進制碼編程，與M＝3～1023和A＝0～127對應(yīng)，M、A值的預(yù)置由微機控制完成，其分頻過程是，當(dāng)VCO輸出的f0輸入雙模預(yù)分頻器后，在MC145156控制邏輯輸出的MC145156內(nèi)部電路MC信號控制下，經(jīng)÷40／41預(yù)分頻并輸入程序分頻器進行÷A、÷M分頻計數(shù)，所產(chǎn)生的N次分頻信號fV送到片內(nèi)A鑒相器與參考頻率fR進行比較，產(chǎn)生誤差控制信號，以跟蹤f0的變化，環(huán)路鎖定時，fV＝fR，f0＝NfR。可見只要改變脈沖吞除可變分頻器的M、A值就可改變VCO的輸出頻率。

3．5　環(huán)路濾波器
　　環(huán)路濾波器電路由集成運放11JC5和一些電阻、電容組成有源二階比例積分濾波器，如圖3中所示，運放接成差動工作方式，鑒相器輸出的ФV、ФR誤差電壓分別經(jīng)過對稱的兩路RC比例積分濾波電路，加到運放的同相和反向輸入端，電容11C51是穩(wěn)定運放工作的補償電容，11W5是運放的調(diào)零電阻。濾波后的控制電壓VC由11JC5的6腳輸出，送往VCO。
3．6　失鎖檢測控制電路
　　失鎖檢測控制電路的功用是，當(dāng)頻合鎖相失鎖時，向微機發(fā)出失鎖信息，并使顯示電路告警；如果電臺處于發(fā)射狀態(tài)，還要使VCO的射頻寬放不工作，停止射頻激勵的輸出，失鎖監(jiān)控信息的檢測，在MC145156片內(nèi)完成。
4　結(jié)束語
　　該合成環(huán)路的電路技術(shù)基本實現(xiàn)了集成化、數(shù)字化，技術(shù)水平先進，經(jīng)多次測試和實際應(yīng)用證明，該電路具有頻帶寬、穩(wěn)定度高、電路簡單造價低廉、操作使用方便等特點，該合成器既可作為通信電臺的頻率源，又可作為測量儀器的頻率源，具有一定的推廣和使用價值。

1　萬心平等編著．鎖相技術(shù)．西安：西安科技大學(xué)出版社，1993
2　及燕麗，王友村等編著．現(xiàn)代通信系統(tǒng)．北京：電子工業(yè)出版社，2001
3　周杰等編著．超短波對空通信設(shè)備．海軍航空技術(shù)學(xué)院出版，1996