串行数字锁相频率合成器的设计

摘 要 以MB1501为例介绍了“吞除脉冲”式串行数字锁相频率合成器的设计，它具有结构简单、稳定性好、精度高、易实现等特点。
关键词 串行数字锁相频率合成器 “吞除脉冲” 压控振荡器（VCO）
当前，随着数字技术的发展及微控制器在电子系统中的广泛应用，在很大程度上改变了传统的设计方法，数字频率合成技术的应用也日益广泛。数字频率合成器应用于通信设备中，使得工作频率的选择变得极为简单而又精确。并且随着大规模集成电路（LSI）技术和单片微机技术的迅速发展，大大促进了数字锁相频率合成器集成化程度的提高和体积的缩小，满足了通信设备的高集成度和超小型化的要求。特别适合某些特殊场合的应用。
串行数字锁相频率合成器体现了程序设计和锁相技术的结合。这种合成器从总体结构上看由单片机、锁相环及可编程分频器三部分组成。其中可编程分频器是单片微机与锁相环之间的接口，同时也是组成数字锁相频率合成器的关键部件。
1 “吞除脉冲”式数字锁相频率合成器的构成
锁相环路是一个负反馈相位控制系统。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和可编程分频器(÷NP)四个基本部件组成。为保证足够小的信道间隔和高的工作频率，可采用吞除脉冲式数字锁相频率合成器。所谓“吞除脉冲”技术，就是采用高速双模前置分频器，根据模式控制电平的高低，来控制它的分频比为P 或P 1。此类数字锁相频率合成器的结构框图如图1所示。图中，fr为参考频率；fP为反馈频率；NP，A为分频比系数；fO为压控振荡器输出频率。工作时，前置分频器先按除“P 1”方式工作，当吞除计数器计到预置状态后，转换成除“P”方式工作。当前置分频器完成一个工作周期后，又回到除“P 1”工作状态。
具有吞除脉冲计数功能的可编程分频器的总分频比M有如下关系
M =P × NP＋A （1）
式中P为前置分频器的分频比。
2 MB1501芯片介绍
MB1501系列为日本富士通公司的大规模集成数字锁相频率合成器，采用CMOS工艺，是一种具有吞除脉冲功能的单片串行集成锁相频率合成器芯片。
2.1 MB1501的结构
MB1501系列包含内部振荡器，参考分频器，可编程分频器，相位检波器，锁存器，移位寄存器，双模高速前置分频器和一位控制锁存器等主要部件。只需外接环路滤波器、压控振荡器、单片微处理器等电路即可构成一个完整的全程扫描频率合成器。该系列芯片具有如下特点：
最高工作频率1.1GHz，输入信号的幅度不低于200mVp-p；工作电压为2.7～5.5V，典型值为3V；功耗低，在工作电压为3V，工作频率为1.1GHz时仅为45mW。
MB1501系列的封装有两种：直插式和贴片式。其引脚布置如图2所示。图中：
1、2脚为振荡器OSC的接入端，可接振荡晶体或作外标频信号输入端；
3脚VP为充电泵电源工作电压输入端；
4脚VCC为芯片工作电源端；
5脚DO为充电泵源输出端；
6脚GND为芯片地；
图1 “ 吞除脉冲”式锁相频率合成器组成框图

图2 MB1501引脚顶视图
7脚LD为锁定指示端，环路锁定时，LD为高电平，失锁时，LD为低电平；
8脚fin为前置分频器输入端，也就是环路VCO信号输出端；
9脚Clock为时钟输入端，上升沿有效；
10脚Data为串行编程数据入口；
11脚LE为负载使能输入端（内置上拉电阻），当LE为高时,数据被传送到相应的锁存器；
12脚FC为充电泵源输出特性设置端，当FC为低时，可倒置充电泵源及相位比较器的特性；
13脚fr为参考分频器输出信号端；
14脚fP为可编程分频器输出信号端，环路锁定时，fP应与fr相等；
15脚φP和16脚φr为鉴相器输出。
2.2 MB1501分频器的编程置数
由于MB1501芯片内设置了移位寄存器，所以该芯片必须采用串行输入方式实现分频比的设置。为了使载波频率的变化有较高的精度，若取参考频率

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