0 引言

　　由鎖相環(huán)構(gòu)成的間接式頻率合成器在無線通信領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。通常采用鎖相頻率合成器的輸出信號來作為無線接收機中的本振信號，以使直接頻率調(diào)制器、頻率解調(diào)器能夠從輸入信號中再生載波。

　　傳統(tǒng)的頻率合成一般通過混頻、倍頻、分頻、濾波等方式進(jìn)行頻率變換和組合，從而產(chǎn)生大量離散的穩(wěn)定頻率信號。這不僅使頻率合成器具有龐大的體積和重量，其輸出信號中的諧波、噪聲及寄生頻率均難以抑制，同時頻率范圍也將受到限制。而鎖相頻率合成主要是通過晶體振蕩器提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率，在給定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生與該晶體振蕩器穩(wěn)定度相同的大量離散頻率信號。 本文介紹用集成電路MAX2620和集總LC元件構(gòu)成窄帶VCO電路模塊，然后同集成鎖相頻率合成器芯片MB1504一起構(gòu)成鎖相環(huán)式低噪聲、高穩(wěn)定性的鎖相頻率源電路的設(shè)計方法。

　　1 整體設(shè)計方案

　　圖1所示是一個鎖相環(huán)(PLL)的基本電路組成。其中REF代表參考晶體振蕩器，÷R為參考分頻器，PFD為鑒頻鑒相器，LPF為環(huán)路濾波器，VCO為壓控振蕩器，÷N為前置分頻器。

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　　無線接收機中的本地振蕩信號通常需要特定的頻點，這往往需要設(shè)計一個窄帶且相位噪聲性能優(yōu)越的VCO。雖然用分立晶體管、諧振回路以及緩沖放大器也可以構(gòu)成VCO電路，但穩(wěn)定性差、受電源及分布參數(shù)影響大、調(diào)試不方便。而MAXIM公司的MAX2620是一款較寬頻率范圍(10～1 050 MHz)的集成振蕩器芯片，它具有高頻雙極工藝所特有的低閃爍噪聲、低噪聲系數(shù)和低寄生特點。用戶可以根據(jù)自己的需要并配以適當(dāng)?shù)恼袷幓芈?，從而設(shè)計出所需中心頻率的壓控振蕩器電路。MAX2620內(nèi)部的有源器件對諧振回路的負(fù)載極輕。因而可使振蕩回路具有較高的有載Q值，以用來設(shè)計窄帶壓控振蕩器電路。 MR1504是具有吞脈沖功能的串行輸入鎖相環(huán)頻率合成芯片，該芯片內(nèi)部采用吞脈沖計數(shù)技術(shù)和鑒頻鑒相技術(shù)，其工作頻率可達(dá)520 MHz，因而速度快，性能穩(wěn)定，與單片機接口簡單，可用來實現(xiàn)對接收機本振信號進(jìn)行方便地設(shè)置。

　　2 窄帶VCO的設(shè)計

　　MAXIM公司的MAX2620是一種使用極其方便的振蕩器芯片，它的內(nèi)部組成原理示意圖如圖2所示。

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　　MAX2620提供有一個緩沖放大輸出級，能夠減少負(fù)載變化對振蕩器頻率的影響。該芯片的供電電壓范圍在+2.7～+5.25 V之間。由于芯片內(nèi)部設(shè)有偏置電路以穩(wěn)定其工作點。因而受電源波動的影響較小。MAX2620內(nèi)部所并具有的電源關(guān)斷能力可由SHDN端控制。兩個互補輸出(即OUT和OUT)可構(gòu)成兩個單端輸出或一個差分輸出。由于芯片采用是集電極開路輸出，輸出端需要上拉到VCC，設(shè)計時可以用電感或電阻來上拉。但是對于差分輸出，兩端均應(yīng)采用相同的方式。對于50Ω的負(fù)載，在用電感上拉時，單端輸出電平可達(dá)-6 dBm (峰-峰電壓為320 mV);而用電阻上拉時，其輸出可達(dá)-10 dBm(200 mV)。本設(shè)計中的MAX2620的兩路輸出中，一路輸出到MB1504供鑒頻鑒相使用，為使穩(wěn)定性更好，此路用電阻上拉;而另一路輸出則經(jīng)過緩沖放大，作為時鐘輸出，為了使其輸出功率更大，該路用電感上拉。

　　事實上，MAX2620需要外接RF諧振回路以構(gòu)成VCO電路，其電路如圖3所示。

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　　此電路是一個典型的Colpitts電容反饋式振蕩器。諧振回路在圖3的左方，并經(jīng)過2、3腳接入，主要包括電容C3、C4、C5和C17、諧振電感L1和變?nèi)?a target="_blank">二極管Cvar，調(diào)諧電壓經(jīng)過電阻R2接入。

　　SHDN端用三針跳針分別接到Vcc和地，可用于控制電源的關(guān)斷，以在調(diào)試中方便的判斷諧振回路是否起振。

　　變?nèi)莨芸赏ㄟ^C17接入諧振回路。C17值取為33 pF。經(jīng)過C17后，諧振回路的等效Q將升高數(shù)倍。因此，即便采用廉價的Q和較低的變?nèi)莨?，也可設(shè)計出Q較高的諧振回路。

　　諧振回路電感采用表面貼式諧振電感，該電感具有輻射干擾小、受分布電容影響小、調(diào)試方便等特點。電感值選為180 nH，當(dāng)諧振頻率范圍為80～88 MHz時，其中心頻率為84 MHz。由諧振公式

可得出諧振回路的總電容Co=19.94 pF。經(jīng)過調(diào)試，VCO電路的具體元件參數(shù)如下：

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　　R2為20 kΩ，諧振電感L1為180 nH，C3為39pF，C4選18 pF，C5選10 pF，輸出端OUT上拉電感L4選180 nH，輸出端上拉電阻R4可選50Ω。

　　3 MB1504與AT89C52的接口設(shè)計

　　MB1504的原理框圖如圖4所示。該芯片內(nèi)含一個14位可編程參考分頻器、一個分頻比可選擇(32或64)的雙模前置分頻器和一個18位的可變分頻器(由7位的吞脈沖計數(shù)器和11位的可編程計數(shù)器組成)，另外還包含一個鑒相器、一個電荷泵和兩個移位寄存器和鎖存器(圖中未畫出)。

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　　MB1504沖雙模前置分頻器的兩種分頻比可由模式控制信號決定。當(dāng)模式控制信號為高電平時，分頻比為P+1，當(dāng)模式控制信號為低電平時，分頻比為P。雙模前置分頻器的輸出可同時驅(qū)動11位可編程計數(shù)器和7位吞脈沖計數(shù)器，它們的初值分別為N和A，可進(jìn)行減計數(shù)。在吞脈沖計數(shù)器和可編程計數(shù)器未計數(shù)到零時，模式控制為高電平，雙模前置分頻器的輸出頻率為fVCO/(P+1)。當(dāng)輸A(P+1)個脈沖周期后，吞脈沖計數(shù)器計數(shù)達(dá)到零，模式控制電平將變?yōu)榈碗娖剑瑫r使吞脈沖計數(shù)器停止計數(shù)。此時，可編程計數(shù)器離預(yù)置數(shù)還有N-A的數(shù)值。由于這時模式控制電平為低，分頻比為P，因此，雙模前置分頻器的輸出頻率為fVCO/P。之后，再經(jīng)過N-A個計數(shù)周期后，可編程計數(shù)器計數(shù)也達(dá)到零，此時可輸出低電平將兩個可編程分頻器重新預(yù)置為N和A，同時將模式控制恢復(fù)為高電平，并向鑒相器輸出比相脈沖。當(dāng)比相脈沖頻率f參考頻率fr存在頻差時，鑒相器處于鑒頻工作方式。此時無論頻差大小，系統(tǒng)都輸出較大的電壓;而當(dāng)比相脈沖頻率f與參考頻率fr相等時，鑒相器轉(zhuǎn)為鑒相工作方式。這種鑒頻-鑒相工作方式擴大了環(huán)路的快捕帶，縮短了頻率牽引過程，從而使環(huán)路快速進(jìn)入相位鎖定區(qū)，最終實現(xiàn)快捕鎖定。

　　MB1504可通過9腳(Clock)、10腳(Data)和11腳(LE)分別與單片機AT89C52的P1.2、P1.1、P1.0相連，其連接電路如圖5所示。其中，CLOCK為時鐘信號輸入端，DATA為數(shù)據(jù)信號輸入端，LE為數(shù)據(jù)鎖存使能信號輸入端。信號是串行輸入的，即每輸入一個時鐘脈沖到CLOCK腳，就有一位數(shù)據(jù)從DATA腳送入MB1504芯片內(nèi)的移位寄存器，并由LE信號控制鎖存。當(dāng)LE為高電平時，儲存在移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)被鎖存到相應(yīng)的鎖存器中。而當(dāng)C為高電平時，鎖存到15位的鎖存器的設(shè)置為14位可編程參考分頻器中的預(yù)置數(shù)R和前置分頻器的1位分頻比SW;當(dāng)C為低電平時，鎖存到18位的鎖存器中的設(shè)置則為11位可編程計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)N和7位吞脈沖計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)A。圖6所示為MB1504的數(shù)據(jù)輸入格式。

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　　根據(jù)MB1504的工作原理，鎖相環(huán)的輸出頻率fvco的計算公式為：

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　　式中，fosc為外接晶體振蕩器輸人參考頻率;P為前置分頻器的分頻比(由位SW決定)，當(dāng)SW為高時，P為32;當(dāng)SW為低時，P為64;N為11位可編程計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從16～2047);A為7位吞脈沖計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從0～63);R為14位可編程參考分頻器中的預(yù)置數(shù)(范圍從8～16383)。

　　本設(shè)計中，頻率合成器的頻率范圍fout為80～88 MHz，頻率間隔△f為2 kHz。參考振蕩器的振蕩頻率fosc為4.096 MHz，參考頻率fr等于合成器頻率間隔△f(2 kHz)，所以參考分頻比R為：R=fosc/fr=2048，中心頻率為84 MHz的分頻比(PN+A=fout/△f)為42000。這里采用的前置分頻比模式為÷32/33，即P=32，并由此可得：N=1312，A=16。這樣，改變N和A，即可改變輸出頻率，而改變N、R，則可改變輸出頻率和頻率間隔。

　　4 結(jié)束語

　　本設(shè)計的實際電路可以制作在一塊50 mm×40mm的雙層板上，電源電壓為+3.3 V。VCO的頻率覆蓋范圍為80～88 MHz，兩路輸出電平，OUT端為-10 dBm，OUT端為-6 dBm。輸出功率大于10dBm，且信號純度很高，雜散較少。

　　由于幾種LC元件和MAX2620構(gòu)成的窄帶VCO具有穩(wěn)定性高、受外界分布參數(shù)影響小、調(diào)試方便、體積小、價格低廉等優(yōu)點。因此，由該VCO和MB1504芯片構(gòu)成的鎖相時鐘頻率源的時鐘頻率源穩(wěn)定性高、相位噪聲較低。