摘  要： 介紹了采用單片機(jī)控制DDS+PLL組合式頻率合成器的方法，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目給出了采用雙模分頻器MB1505和直接頻率合成器AD9835寄存器參數(shù)的算法，以及如何利用單片機(jī)對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)和線(xiàn)性校準(zhǔn)，并對(duì)設(shè)計(jì)的頻率合成器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；短波電臺(tái)； 頻率合成

    組合式頻率合成技術(shù)是國(guó)內(nèi)外近幾年來(lái)比較流行的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等許多領(lǐng)域，并得到了快速的發(fā)展。組合式頻率合成是依靠直接數(shù)字頻率合成(DDS)的精準(zhǔn)輸出頻率作為參考頻率，通過(guò)鎖相環(huán)頻率合成(PLL)對(duì)參考頻率進(jìn)行一系列計(jì)算變換，產(chǎn)生高穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)，其將DDS和PLL兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了具有高分辨率和雜散較小的高速寬帶頻率合成。
    頻率合成器是電臺(tái)的核心部件，其性能直接影響到電臺(tái)整體的性能指標(biāo)。本文根據(jù)某型號(hào)短波電臺(tái)項(xiàng)目研制的需要，設(shè)計(jì)了基于“DDS+PLL”技術(shù)的頻率合成器。電臺(tái)設(shè)計(jì)上采用傳統(tǒng)超外差體制來(lái)抑制鏡頻，在455 kHz中頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，其中選用頻率為44.545 MHz的一本振，二本振則是通過(guò)組合式頻率合成器提供。將經(jīng)過(guò)一本振混頻的信號(hào)二次混頻到455 kHz，因此頻率合成器的輸出頻率大小應(yīng)為信號(hào)載頻加上45 MHz。短波的頻率工作范圍是300 kHz～30 MHz，所以要求頻率合成器的頻率合成范圍在45.3 MHz～75 MHz。另外還要求頻率合成器的步進(jìn)頻率間隔為10 Hz。本文根據(jù)電臺(tái)功能需求，設(shè)計(jì)了由組合式頻率合成器AD9835和鎖相環(huán)MB1505組成的頻率合成器，并對(duì)其控制方法和頻率的校準(zhǔn)進(jìn)行研究，為短波電臺(tái)提供了精準(zhǔn)的本振源。
1 組合式頻率合成技術(shù)簡(jiǎn)介
    組合式頻率合成器采用DDS直接激勵(lì)PLL的方案。DDS作為參考頻率源來(lái)驅(qū)動(dòng)PLL，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性高。其中，DDS主要由標(biāo)準(zhǔn)高精度參考時(shí)鐘、相位累加器(PA)、正弦查詢(xún)表(ROM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和低通平滑濾波器(LPF)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    在標(biāo)準(zhǔn)參考源的控制下，頻率控制字K決定了相應(yīng)的相位增量，相位累加器以步長(zhǎng)K進(jìn)行線(xiàn)性累加，當(dāng)相位累加器加滿(mǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，即DDS合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期。N位相位累加器的最小值為0，最大值為2N-1，故累加器以K為步進(jìn)產(chǎn)生的一次溢出經(jīng)歷的平均次數(shù)為2N/K，其輸出信號(hào)頻率為：

    一般PLL頻率合成電路由相位比較器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器(1/M)構(gòu)成，如圖2所示。

    DDS的輸出信號(hào)作為PLL的參考頻率，通過(guò)改變DDS的輸出頻率和PLL的分頻比來(lái)改變PLL的輸出頻率。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，PLL頻率合成器的輸出頻率為：

    DDS直接激勵(lì)PLL的頻率合成器，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單可靠、易于調(diào)試和實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是DDS的雜散和相位噪聲在帶內(nèi)被惡化20log(M) dB(其中M是鎖相環(huán)分頻器的分頻數(shù))。頻率合成器的頻率分辨率由于PLL的倍頻作用下降到DDS頻率分辨率的1/M。
2 頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    DDS部分的時(shí)鐘輸入選用45.545 MHz的恒溫晶體振蕩器，其核心采用美國(guó)ADI公司的大規(guī)模集成芯片AD9835。AD9835集成了數(shù)控振蕩器、余弦查找表、頻率和相位調(diào)制器以及一個(gè)10 bit的D/A轉(zhuǎn)換器；時(shí)鐘頻率最大支持50 MHz，頻率穩(wěn)定度為1×10-7。根據(jù)式(2)可知，DDS的分辨率約為0.01 Hz。由于受到各部分傳輸時(shí)延的限制以及出于速度和功率上的考慮，可變分頻器的上限頻率僅在幾十MHz數(shù)量級(jí)。要產(chǎn)生最高75 MHz的信號(hào)，一般的可編程分頻器難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。所以，PLL部分選用FUJITSU公司的MB1505芯片。MB1505集成了一個(gè)雙模數(shù)分頻器，其優(yōu)點(diǎn)是工作頻率高達(dá)600 MHz，其原理框圖如圖3所示。

    預(yù)分頻器的分頻比為N或N+1，這取決于控制輸入的邏輯狀態(tài)。預(yù)分頻器的輸出送到兩個(gè)普通的可編程計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器1控制雙模預(yù)分頻器，分頻比為A。計(jì)數(shù)器2的分頻比為N，產(chǎn)生系統(tǒng)輸出。當(dāng)分頻器工作時(shí)，P/(P+1)預(yù)分頻器的分頻比一直為P+1，直到可編程計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)達(dá)到A時(shí)，分頻比變?yōu)镻。此后一直保持這樣的工作狀態(tài)，直到可編程計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)達(dá)到N，這時(shí)兩個(gè)計(jì)數(shù)器都被重置，產(chǎn)生輸出脈沖，然后重新開(kāi)始這樣的循環(huán)過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)的分頻比為：[A(P+1)+P(N-A)]/R=(PN+A)/R。
MB1505的輸出函數(shù)為：

式中，fvco為壓控振蕩器輸出頻率；fDDS為外部輸入?yún)⒖碱l率，即DDS的輸出頻率；N為11 bit二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器(16~2 047)；A為7位二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器(0≤A≤63，A<N)；R為14位可編程二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(8~16 383)；P為預(yù)設(shè)雙模預(yù)分頻器模式(32或64)。
    電臺(tái)中，選用ATMEL公司的高性能、低功耗的8 bit處理器AVR1280完成控制工作[6]。單片機(jī)通過(guò)外部輸入獲得需要設(shè)置的頻率，計(jì)算后將頻率控制字和相位控制字串行寫(xiě)入DDS內(nèi)部寄存器中，DDS即可以產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出；然后把DDS的輸出信號(hào)作為PLL參考信號(hào)頻率，通過(guò)單片機(jī)設(shè)定分頻器的分頻比(PN+A)/R，最終得到頻率為DDS輸出頻率(PN+A)/R倍的時(shí)鐘信號(hào)。
    在設(shè)計(jì)上，AD9835的輸出連接一個(gè)帶通濾波器(BPF)，保證AD9835的輸出頻率fDDS在2.7 MHz左右小幅變化，通過(guò)該低通濾波器濾除高頻的干擾分量。再將帶通濾波器輸出連接到MB1505，通過(guò)改變MB1505的分頻比，獲得精準(zhǔn)的頻率輸出，頻率合成器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 
    單片機(jī)中頻率合成的控制程序根據(jù)此計(jì)算方法計(jì)算出AD9835和MB1505中各寄存器參數(shù)的值，再通過(guò)I/O進(jìn)行設(shè)置。在程序的實(shí)際開(kāi)發(fā)中，由于AVR單片機(jī)是8 bit的處理器，特別需要注意變量的數(shù)值表達(dá)范圍及精度。程序的編寫(xiě)采用針對(duì)AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言編譯器，其支持ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)AVR單片機(jī)的一些特點(diǎn)進(jìn)行了擴(kuò)展；支持32 bit浮點(diǎn)數(shù)float，用4 B來(lái)表示一個(gè)實(shí)數(shù)，表示范圍為：+/-1.175e-38~3.40e+38。無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型變量unsigned long也采用4 B，表示范圍為：0~4 294 967 295。fvco的輸出頻率為45.3 MHz～75 MHz，以Hz為單位進(jìn)行表達(dá)計(jì)算，可以用float及l(fā)ong類(lèi)型的變量來(lái)表示。特別需要注意的是：避免由兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)或無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型變量進(jìn)行乘除運(yùn)算結(jié)果的溢出而導(dǎo)致錯(cuò)誤的問(wèn)題。
3 頻率校準(zhǔn)
    由于工作環(huán)境等原因，往往需要對(duì)電臺(tái)的工作頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，該功能可由單片機(jī)對(duì)DDS和PLL控制之前完成，即對(duì)輸出頻率fvco進(jìn)行預(yù)先調(diào)整后再進(jìn)行計(jì)算，以確保合成頻率的準(zhǔn)確。校準(zhǔn)分為微調(diào)和線(xiàn)性校準(zhǔn)兩個(gè)部分。典型的頻率設(shè)置工作流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)分析
    為了驗(yàn)證組合式頻率合成器的正確性和精確性，采用頻率計(jì)對(duì)電臺(tái)的輸出頻率進(jìn)行了測(cè)試。采用的晶體振蕩器的精度為1.5 ppm。頻率校準(zhǔn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的組合式頻率合成器可滿(mǎn)足電臺(tái)對(duì)頻率精度的需要。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)載頻在微調(diào)之前先經(jīng)過(guò)線(xiàn)性頻率補(bǔ)償，可以提高輸出頻率的精度，從而減少用戶(hù)對(duì)頻率微調(diào)電位器的操作。
    本文介紹的采用通過(guò)單片機(jī)控制DDS和PLL進(jìn)行頻率合成的方法，滿(mǎn)足了為短波電臺(tái)提供精確的本振源的需要。該方法調(diào)試簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，綜合了DDS和PLL各自的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的技術(shù)性能，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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