第4章 集成频率合成器及其微机控制.ppt

1、第四章 -集成频率合成器及其微机控制,4-1 概述,随着大规模集成电路的问世,集成频率合成器产品有各种各样.表4-1为MC145100系列频率合成器.,4-1 概述,本章将要讨论集成频率合成器,首先是以MC145100系列中的MC145156等产品为例,介绍锁相环大规模集成电路频率合成器的功能,性能及应用,然后再讨论频率合成器的微机控制系统.,4-2 锁相环大规模集成电路频率合成器,锁相环大规模集成电路配上压控振荡器,环路滤波器以及高速的前置分频器,即可构成锁相环大规模集成电路频率合成器. 优点:频率合成器的成本,体积,功耗大大下降,设计和生产调试的复杂程度也明显降低,即可靠性提高. 以下内容

2、主要介绍MC145156锁相大规模集成电路频率合成器.,4-2-1 MC145156主要特性,MC145156含有参考晶振,参考分频器,数字鉴相器,10bit N分频计数器,7bit A分频计数器,移位寄存器和闩锁电路(接受串行码输入).,4-2-1 MC145156主要特性,MC145156是一种串行输入编程的锁相环集成电路频率合成器,它是利用时钟信号和19bit 的串行码置定频率.它再配上VCO,高速双模前置分频器及环路滤波器等少量外围电路,就可以构成低功耗的高速锁相环路集成电路频率合成器.,4-2-1 MC145156主要特性,封装形式:20脚双列直插式. 参考分频比: R=8,64,1

3、28,256,640,1000,1024,2048 程序分频范围: N=31023 吞除计数范围: A=0127 鉴相器A为单端三态输出:,4-2-1 MC145156主要特性,鉴相器B为双端输出:,4-2-1 MC145156主要特性,静态电流IDD与工作温度及电源电压的关系,最高输入频率及最高参考振荡频率与电源电压及工作温度有关,4-2-1 MC145156主要特性,引脚功能: 为参考分频器地址码输入端,由这三个输入端可建立地址. 为鉴相器B双端输出. 为电源正端,+3+9V. 鉴相器A单端输出.,4-2-1 MC145156主要特性,4-2-1 MC145156主要特性,模式控制逻辑输出

4、端. 为失锁检测输出端. 当环路锁定时为高电平,失锁时为低电平. 为N分频和A分频计数器的输入端.,4-2-1 MC145156主要特性,为移位寄存器的时钟及数据输入端, 每个时钟的正跳变,将一位数据送入片内19bit移位寄存器, 数据输入端为10bit N分频计数器和7bit A分频计数器以及SW1,SW2提供程序信息.,4-2-1 MC145156主要特性,为使能端 当其为高电平时,可将移位寄存器信息送到锁存器,程序寄存器输入端和波段转换输出端SW1,SW2. 当其为低电平时,则禁止上述操作,此时可以改变移位寄存器内的数据,但不影响计数器的程序和波段转换信号输出.,4-2-1 MC1451

5、56主要特性,为波段转换输出端,提供闩锁开关信号,这些信号用于波段转换功能. 为测试端,供制造时测试用,正常工作时悬空或接Vcc. 为参考振荡器的缓冲输出端,可以外接参考输入信号,4-2-1 MC145156主要特性,为参考振荡器的输入端. 为参考振荡器的输出端.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,一.MC12015前置分频器 1.主要性能: 1)工作频率:可达225MHz. 2)功耗: Vcc=6.8V,I=7.5mA(功耗低) 3)输入输出控制为CMOS电平. 4)当2,3端并接可以驱动TTL负载.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,2.引脚功能

6、: 1)分频比控制端(1): 高电平输入为32分频 低电平输入为33分频 2)有源驱动(2端),输出(3端)为前置分频器输出端,如果2端和3端并接,可有较大的驱动能力,可以驱动TTL负载.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,3)地 (4端):为接地端. 4)信号输入端(5端)为信号输入端,信号幅度200800mV 5)信号地(6端)为信号接地端,应接地. 6)Vcc(7,8端)为电源正端, 电源为4.55.5V,接7端. 电源为5.59.5V,接8端.,二.MC145156/MC12015频率合成器组成方案,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,1.该频

7、率合成器基准信号可由外部信号源提供参考信号,也可以在MC145156的18,19端接上晶体,由内部振荡器产生基准信号. 2.双模前置分频器MC12015受MC145156换模控制信号(8端)控制. 当换模信号为低电平时,分频比为33. 当换模信号为高电平时,分频比为32. 3.根据RA2,RA1,RA0(第2,1,20端)的参考电平不同,根据表4-4得到总的参考分频比.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,例第18,19端接上10MHz晶体, RA2,RA1,RA0的逻辑电平为101,根据表4-4查得,总的参考分频比为

8、1000. 4.VCO输出经双模前置分频器后,输出的脉冲同时被送到A分频吞除计数器,它们分别从预置初始值A和N开始减法计数.(从10端输入),4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,从A分频吞除计数器计到0时,由控制逻辑检出,并输出高电平换模信号,使双模前置分频器分频比改为32,同时A分频计数器停止计数,而N分频程序计数器继续由(N-A)作减法计数. 当N分频计数器计到“0”时,输出一个脉冲信号,直接加入鉴相器,一方面使控制逻辑产生一个低电平的换模信号,控制双模前置分频比恢复为33,另一方面,产生一个预置信号,使A分频计数

9、器和N分频计数器,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,重新置为A和N.于是可变程序分频计数器的一个周期结束,开始另一个周期.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,图4-6为2728MHz频段MC145156/MC12015频率合成器的电路图,它的工作频率为2728MHz,频率间隔为10KHz. 图中,10MHz晶体接于MC145156的端18,19,利用其内部振荡电路作为参考信号. MC145156的参考地址码RA2,RA1,RA0,按逻辑“101”分别接上相应的,4-2-2 MC145156/MC

10、12015频率合成器,电平,根据表1-4得到总参考分频比为1000,因而的到基准频率为10KHz. 根据fo的频率范围2728MHz,而基准频率为10KHz,得到总的分频比N总的范围27002800. LD(9)为失锁检测输出端, 当环路锁定时LD=1,BG1导通,发光二极管D不亮. 当环路失锁时LD=0,BG1截止,发光二极管D亮.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,MC145156的鉴相器输出(3,4端)经LM324(一种运放)放大以及滤波后加至VCO,压控振荡器E1648输出信号(3端输出)一路经BG2放大后,送至双模前置分频器MC12015(5脚输入);另一路经B

11、G3(射极跟随器)和BG4(共射)放大后输出.,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,具体实现预置码时,可以根据要求的环路的总分频比N总,求出对应的N,A的值.然后转化为二进制编码,送入19bit串行移位寄存器 举例: N总=2750=32N+A =32*85+30 可以得到N=85,A=30,对应的19比特二进制编码可以得到:,4-2-2 MC145156/MC12015频率合成器,共5位,高位空2位,共7位,高位空3位,一.MC145146频率合成器的应用举例.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,1.MC145146频率合成器的内部电路结构

12、.,(1)参考振荡器OSCin及12bit可编程参考分频器(分频比R为34095)以产生基准信号fR由18输出供测试用,另一路送至A鉴相器. (2)数字鉴相器(A鉴相器单端输出,B鉴相器双端输出) (3)10bit N程序分频器(N=31023)和7bit A吞除计数器(A=0127) (4)地址输入A0A2以及4bit数据线,及相应的闩锁07锁存器(其选通关系见表4-5),4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,表中D0D3栏的0,1,2,11表示响应数据输入端D0D3上所输入的二进制数据的数值,4-

13、2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,ST(12端),当ST=1时,允许D0D3数据信息送入锁存器,当ST=0时,将锁住这些信息. (5)MC(14脚)为模式控制输出端(前置分频器换模控制端) (6)LD(13脚)为锁定指示输出端. (7)fin(3脚)计数信号输入端.,2.应用举例 FM/AM广播接收机频率合成器. 此合成器为4bit 数据总线输入方式的双模频率频率合成器. 调频方式,信号间隔f =25KHz,参考分频比R=160. 调幅方式,信号间隔f =1KHz,参考分频比R=4000.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,4-2-3

14、 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,电路工作原理: 4MHz晶体及其附属电路,产生的参考(基准)信号经过12bit R计数器分频形式的基准参考信号,送入A鉴相器(18脚)fR可用来监视此频率,或用于外部鉴相器.同时,4MHz信号还作为微机控制器的时钟信号. 由键盘送入的D0D3数据及地址码A0A2,在ST闩锁信号控制下,决定各锁存器的送,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,数状态,对各个分频器进行预置. 来自FM或AM振荡器(VCO)的信号计数脉冲,经过N和A分频形成fV比较信号(第15脚为fV监视信号,或用于外部监视)送入A鉴相器,与fR进行

15、比相后,由B鉴相器输出(A鉴相器5脚为鉴相误差信号监视),经过放大和环路滤波后,再送到FM/AM的VCO,以改善VCO的调谐频率.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,800MHz蜂窝状无线电话系统频率合成器.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,MC145156具有两种供选择的鉴相器输出形式.由于它增加了独立的fV输出端,还可以外接鉴相器,而不用内部鉴相器. 系统在收,发状态时,由频率合成器产生45MHz收发频差,满足系统接收/发送的双工功能.,4-2-3 MC145

16、146和MC145152频率合成器应用举例,MC145146和MC12018的实际应用图.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,图4-10中,来自压控振荡器的射频信号经过MC12018双模前置分频器后,传送至MC145146中的端口3. 参考晶体振荡器产生10MHz的标准频率信号. MC145146中的鉴相器的输出通过滤波后控制压控振荡器的振荡频率,数据地址以预置该频率合成器输出信号的频率(450MHz频段).,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,二.MC145152频率合成器实例 1.MC145152内部电路结构图.,4-2-3 M

17、C145146和MC145152频率合成器应用举例,MC145152含有参考振荡器,参考分频器(分频比为8,64,128,256,512,1024,1160,2048) 双端输出前置分频器. 10bit N程序计数器(分频比为31023) 6bit A计数器(计数范围为063) 还含有模式控制逻辑电路.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,2.应用举例.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,1.MC145152/MC3393P组成的频率合成器.,(1)MC145152/MC3393P组成的频率合成器. 参考OSC频率为3.2MHz,R

18、A0RA2按值 RA2=RA1=0,RA0=1(即001),参照表4-6可以得到:,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,(2)MC3393P是双模前置分频器,按p或是p+1模式工作,其中p=16. (3)由于10,25端接地,即吞食计数器A的最高两位接地,所以A的计数范围是00001111(015) (4)由于N计数器的最高三位接地(20,19,18端)接地,而其次三位计数器接VDD,所以N分频器的计数范围是11100001111111(112127),4-2-3 MC145146和MC145152

19、频率合成器应用举例,所以,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,2.应用MC145152的UHF陆地移动电台频率合成器.,4-2-3 MC145146和MC145152频率合成器应用举例,3.MC145152和MC12015实际应用图,4-3 单片微机控制的频率合成器,4-3 单片微机控制的频率合成器,由于单片机具有可靠性高,体积小,价格低因此在控制应用领域得到了广泛的应用. 将单片机与锁相环大规模集成电路频率合成器组合的系统,具有频率稳定度高,频谱纯净,成本低,体积小等特点,故此方向具有广泛的应用前

20、景.,4-3-1 8031单片机对MC145156的控制原理,图4-15为8031单片机控制900MHz频段的MC145156频率合成器的电路图,4-3-1 8031单片机对MC145156的控制原理,1.基准信号源TCXO输出12.8MHz信号(经19端输入),经MC145156内部进行1024分频,得到参考频率fr (fr =12.5KHz) 此时RA1=RA2=1,RA0=0,查表4-4可以得到分频比为1024. 2. PB566为1000MHz双模前置分频器,其分频比为128/129(即p=128)根据脉冲吞除技术原理 -N总=Np+A,4-3-1 8031单片机对MC145156的控

21、制原理,A为吞除计数器预置值,N为程序分频器的预置值. 所以8031单片机只需要预置N,A,即可控制MC145156频率合成器的输出频率. 图中8282锁存器和2764 EPROM组成8031的程序存储器.,4-3-1 8031单片机对MC145156的控制原理,设,4-3-1 8031单片机对MC145156的控制原理,8031单片机需要送出19 bit数据至MC145156,4-3-2 8031单片机控制MC145156的软件程序,为控制MC145156双模频率合成器的输出频率,8031需要下列三路控制线.,P1,6-Data 控制线输送数据位 P3,2-Clock 控制线将向频率合成器传

22、送数据位信号存入移位寄存器. P3,1-STB 控制线控制所有数据传送至频率合成器.,4-3-2 8031单片机控制MC145156的软件程序,数据位发送时必须从最高位开始,当相邻19 bit数据均传送至频率合成器后, P3,1-STB控制线应该从逻辑低电平跳变至逻辑高电平.如图4-16所示.,4-3-2 8031单片机控制MC145156的软件程序,MC145156双模频率合成器在P3,2-Clock端时钟脉冲的上升沿,接收8031在P1,6-Data输出的1 bit 移位寄存器,存入MC145156中的19 bit 移位寄存器中. 当8031输出19 bit数据后,在P3,1-STB端输出

23、一个闩锁脉冲,MC145156在该闩锁脉冲作用下,将第1,第2比特(即SW1,SW2)的数据置入接收/发射转换锁存器中.将第3 bit至第12 bit 置入10 bit N分频计数器中,4-3-2 8031单片机控制MC145156的软件程序,将第13 bit 至第19 bit 的数据置入7 bit A吞除计数器中. 当MC145156双模频率合成器频率变化范围在II区变化时,第311bit 固定不变,为常数,即N=100101100* ,考虑到第1219bit 的可变性,结合图4-17可以得到软件流程.,4-3-2 8031单片机控制MC145156的软件程序,什么是跳频(Frequency

24、-Hopping Spread Spectrum)? 与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化

25、码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,一.8031单片机控制的“乒乓式”跳频频率合成器原理图. 所谓“乒乓式”频率合成器,即:应用两个相同的频率合成器轮流工作,使频率合成器的转换时间减少一半.如图4-18所示.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,4-3-3 8031单片机控制MC1451

26、52跳频频率合成器的实例,图中,每个频率合成器的锁相环路结构基本相同,参考晶振OSC产生的fs经过R参考分频后分别送至两个锁相环路的鉴相器的输入端(即fr1, fr2 ) 两个频率合成器的可变程序分频器由8031 CPU控制,由最后电子开关,使两个合成器轮流输出,得到所需的信号.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,二.3036.4MHz单片机控制的“乒乓式”跳频频率合成器的电路分析. 8031单片机主要有下列功能: (1)产生伪随即码 (2)预置频率码输出到锁相环的码输入端. (3)开关控制两个锁相环路的轮流工作.,4-3-3 8031单片机控制MC14515

27、2跳频频率合成器的实例,1.伪随机码的产生 由于8031内部没有ROM,所以它外接了一个2732(4K8)的EPROM作为外部程序存储器. 然后从30MHz36.4MHz频段的256个频率点中任选64个频率点,组成一个频率码表转换为十六进制存入EPROM中,再以输出伪随机状态序列码(即伪随机码)作为地址,在EPROM中寻址,找出一个与地址码相对,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,应的频率码作为输出(由于有两个锁相环路,该频率码在8031控制下轮流传送至两个锁相环路的输入端) 下面以产生本原多项式 的M序列为例,其可设计控制程序框图如图4-20所示.,4-3-3

28、 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,在单片机的控制下,可以产生63个不同状态(除去全零状态)的反复循环码,每次输出的状态序列作为地址码在EPROM中寻找对应的分频比码,存入8031内部的累加器A中,再通过数据传送指令送给外部扩展接口,频率码通过接口电路输入到可变程序分频器的码输入端,频率合成器将锁定在相应的频率值上. 下一次状态序列码在EPROM中寻出另一,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,个频率码输入到频率合成器,使另一个频率合成器也锁定在该频率值上,以实现调频通信.,

29、4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,二.频率输送到锁相环路的控制过程. 如图4-21所示,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,在8031的P0口外接一个地址锁存器(74LS373),8031访问外部存储器时,低8位地址由P0口输出,并由ALE信号锁存到地址锁存器中,地址锁存器输出地址信息AB07与2732的地址线A0A7相连. 高8位地址由P2口输出,P2.02.2输出接2732 EPROM的A8A11. 由于锁相环频率码输入一共有16位,所以每一个锁相环路需要2个8位的并行接口,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频

30、频率合成器的实例,接受数据线上的数据.对于两个锁相环路,则需要四个锁存器.由P2.4,P2.5和P3.6(WR)的输出接译码器译出片选信号,确定锁存器送至锁相环路的数据. 译码器采用74LS138,锁存器采用74LS373,8031访问接口与访问外部存储器的接口相同.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,图4-22为外部存储器写周期的时序图.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,8031执行外部数

31、据存储器写周期时,WR有个负跳变,选通外部数据锁存器和它交换数据.由于锁存器的片选信号WR和二个高位地址共同产生,从时序图可知:当WR发生负跳变的时候,高位地址处于地址线,上,但尚未完全稳定,如立即将数据进行交换,可能会发生数据信息,所以考虑利用WR的下一个正跳变传输数据,这时数据已经完全稳定的出现在数据线上. 图4-23为74LS373锁存器.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,当E为低电平,三态门处于导通状态,8D锁存器中1Q8Q输出到OUT18; 当E为高电平,锁存器输出1Q8Q状态输入端1D8D状态相同.,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,当G端(ALE)从高电平返回低电平时,1D8D信息打入1Q8Q的8位锁存器中. 译码器74LS138的三个输入端A,B,C分别接至8031的P2.4,P2.3和WR(P3.6)端,将G2A,G2B接地,G1接高电平. 当高位地址位0FH时(即P2.4=P2.5=0时),WR处于高电平,当执行写操作 MOVXDRTR,A,4-3-3 8031单片机控制MC145152跳频频率合成器的实例,WR具有负跳变,从表4-7(P141)中可知:Y0 具有负跳变.为了在WR正跳变时输出数据,在Y0输出端加一个与非门,那么在W