一种数字式频率合成环路的设计与应用

【摘　要】　介绍了一种宽带数字式频率合成环路的设计思想，给出了原理电路。经测试和应用证明该电路简单，频带宽，稳定度高。
    关键词：频率合成，原理电路，设计

1　引　言
　　频率合成器是现代通信电台的频率源，又称激励源，它能为电台的所有工作波道提供高稳定的工作频率。在军用民用通信电台中采用了一种单片微机控制的大规模集成锁相式数字合成器，由于采用智能化微机控制技术和数字合成技术，大大简化了电台的操作使用，提高了电台的可靠性。本文介绍了一种脉冲吞除式数字频率合成环路，其核心电路采用锁相环数字频率合成器专用单片大规模集成电路MC145156和双模预分频器集成电路SP8793。其主要特点是工作频段较高、输出杂波干扰及噪声干扰小、电路简单、工作可靠。
2　电路组成及原理
    数字式频率合成环路主要由集成锁相合成器、预分频器、参考振荡器、环路低通滤波器和压控振荡器等组成，其电路结构如图1所示。
　　微机将工作频率f0所对应的分频数据输入可变程序分频器，并控制可变程序分频器和预分频器同时对f0进行N次分频，fv＝f0／N＝25kHz，fv在鉴相器中与标准信号频率fR进行相位比较，所产生的相位误差电压经环路低通滤波器后去控制VCO，使输出的f0频率稳定。当fv信号的相位θv与fR信号的相位θR的误差△θ在锁相环同步带内时，环路琐定，PD输出的误差电压始终跟踪θv的变化去控制VCO，使fv＝fR，f0＝N fR，即频率琐定，使f0与fR具有同等的频率稳定度。当f0变化较大，fv偏离fR较多时，二者的相位误差△θ超出环路捕捉带，就会使环路失锁，fv≠fR，f0频率失控，这时PD输出一个失锁监测信号，由失锁监测控制电路控制VCO停止发射激励输出，并通知微机发出失锁告警。

3　电路设计
3．1　VCO电路　　
　　压控振荡器VCO是射频频率源，它是一个电压／频率变换部件，振荡器频率通过相位负反馈受鉴相器输出的误差电压所控制，其输出频率稳定度较高。VCO的振荡电路由两个场效应管10BG7、10BG8和四只变容二极管10BG3、10BG4、10BG5、10BG6及电感10L1构成的电调谐回路共同组成，如图2所示。四只二极管并串联是为了改善电压、电容控制特性，经稳压管10BG2产生的静态反射偏压和10JC1经10BG1送来的控制电压VC在10R5上叠加，由10R7加在了变容二极管的负极。当VC增大时，变容管的等效电容相应减小，使回路谐振频率即VCO振荡频率升高，反之则使降低。10BG7为共源接法，10BG8为共栅接法，它们与振荡回路组成了三点电感式振荡器，10C9、10L1构成正反馈回路。振荡电压由10BG7漏极经10C11耦合输出。

3．2　参考振荡器及参考分频器
　　参考振荡器是以外部的晶体振荡器11JST1产生的6．4MHz频率作为基准频率，其电路如图3中所示，从11JC6第19脚输入，经一个非门加到参考分频器。11JST1的电位器11W2可微调振荡器的频率。同时，6．4MHz的晶体信号由11JC6第18脚输出，送往单片机11JC8的时钟电路。
　　按照国际航空通用标准，电台频率合成器输出射频的最小频率间隔一般为25kHz，因此，参考基准频率fR也应为25kHz，参考振荡器信号频率为6．4MHz，参考分频比R＝6．4MHz／25kHz＝256次。与其对应的地址码为011，故11JC6之RA2（2）端接地，RA2（1）和RA0（20）端都接＋5V。25kHz的参考频率fR信号送到片内A鉴相器的一个输入端。
3．3　集成锁相环电路
　　本合成器所使用的是一种双模锁相环CMOS集成电路（MC145156），如图4所示为MC145156的内部电路结构，它含有参考振荡分频器、A和B数字鉴相器、10位÷M计数器、7位÷A计数器、19位串行码输入的移位寄存器和锁存器、预分频变模逻辑控制及锁定检测等，它与双模预分频器配合使用。其主要特性是：20脚双列直插式封装；参考分频比R＝8，64，128，256，540，1000，1024，2048；程序分频器计数范围为M＝3～1023，A＝0～127；鉴相器A为单端三态输出：Kd＝VDD／4π（V／rod）；鉴相器B为双端输出：Kd＝VDD／2π（V／rod）。其电路连接关系如图3所示。
3．4　预分频器和程序分频器
　　双模预分频器是脉冲吞除可变分频器的组成部分，其电路构成如图3所示。双模预分频器是专用集成电路SP8793（英国Plessey公司产品），它是采用ECL工艺的高速低功率数字集成电路。其主要性能为：225MHz的最高工作频率；÷40／41的双模分频比，模式控制MC为低电频时为41，MC为高电平时分频比为40。来自VCO的f0电压SP8793由第5脚输入，经÷40／41分频后，从3脚输出，由MC145156的10脚输入程序分频器，来自程序分频器的MC信号从MC145156的8脚输出到SP8793的1脚控制其分频模式。

　　程序分频器集成在MC145156内部，由10位M计数器和7位A计数器组成，分别由10位二进制和7位二进制码编程，与M＝3～1023和A＝0～127对应，M、A值的预置由微机控制完成，其分频过程是，当VCO输出的f0输入双模预分频器后，在MC145156控制逻辑输出的MC145156内部电路MC信号控制下，经÷40／41预分频并输入程序分频器进行÷A、÷M分频计数，所产生的N次分频信号fV送到片内A鉴相器与参考频率fR进行比较，产生误差控制信号，以跟踪f0的变化，环路锁定时，fV＝fR，f0＝NfR。可见只要改变脉冲吞除可变分频器的M、A值就可改变VCO的输出频率。

3．5　环路滤波器
　　环路滤波器电路由集成运放11JC5和一些电阻、电容组成有源二阶比例积分滤波器，如图3中所示，运放接成差动工作方式，鉴相器输出的ФV、ФR误差电压分别经过对称的两路RC比例积分滤波电路，加到运放的同相和反向输入端，电容11C51是稳定运放工作的补偿电容，11W5是运放的调零电阻。滤波后的控制电压VC由11JC5的6脚输出，送往VCO。
3．6　失锁检测控制电路
　　失锁检测控制电路的功用是，当频合锁相失锁时，向微机发出失锁信息，并使显示电路告警；如果电台处于发射状态，还要使VCO的射频宽放不工作，停止射频激励的输出，失锁监控信息的检测，在MC145156片内完成。
4　结束语
　　该合成环路的电路技术基本实现了集成化、数字化，技术水平先进，经多次测试和实际应用证明，该电路具有频带宽、稳定度高、电路简单造价低廉、操作使用方便等特点，该合成器既可作为通信电台的频率源，又可作为测量仪器的频率源，具有一定的推广和使用价值。

参考文献

1　万心平等编著．锁相技术．西安：西安科技大学出版社，1993
2　及燕丽，王友村等编著．现代通信系统．北京：电子工业出版社，2001
3　周杰等编著．超短波对空通信设备．海军航空技术学院出版，1996