基于 LMX1501 鎖相環(huán)的頻率合成設(shè)計(jì)

0 引言

頻率合成是從一個(gè)單一頻率的低頻晶體振蕩器中產(chǎn)生多種特別精確頻率的一種方法。在大多數(shù)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中，頻率合成是產(chǎn)生各種頻率的主要技術(shù)。到目前為止，最普遍的頻率合成方法仍是鎖相環(huán)法。

1 LMX 1501A 簡介

LMX 1501A 是由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種高性能的頻率合成器，通過 LMX1501 可以用整數(shù)分頻來實(shí)現(xiàn)頻率高達(dá) 1.1 GHz 的頻率合成。

1.1 LMX 1501A 的結(jié)構(gòu)

LMX 1501A 芯片內(nèi)含雙模預(yù)分頻器，可以在 1.1 GHz 輸入頻率下實(shí)現(xiàn) 64 ／ 65 或者 128 ／ 129 除數(shù)分頻。 LMX 1501A 使用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，具有非常穩(wěn)定的線性相位檢測(cè)特性，以及很低的本振信號(hào)噪聲。

串行數(shù)據(jù)可經(jīng)過 LMX 1501A 的三線制 MICROWIRE 接口 ( 數(shù)據(jù)，使能，時(shí)鐘 ) 傳輸?shù)狡骷?nèi)部。供電電壓范圍為 2 ～ 5.5 V 。 LMX 1501A 的功耗比較低， 3 V 電壓下的電流消耗典型值僅為 6mA 。 LMX 1501A 為 16 腳 JEDEC 型塑料封裝。圖 1 所示是 LMX1501 的結(jié)構(gòu)簡圖。

1.2 LMX 1501A 的特性及應(yīng)用

LMX 1501A 鎖定頻率范圍最高為 1.1 GHz ，工作電壓為 2.7 ～ 5.5 V ， 3 V 時(shí)的電流消耗典型值為 6mA ，具有 64 ／ 65 或者 128 ／ 129 雙模分頻模式，內(nèi)含平衡和低漏電流的電荷泵，并采用小外形塑料表貼封裝?？蓮V泛用于移動(dòng)電話系統(tǒng) (AMPS ， NMT ， ETACS) ，移動(dòng)無線通信系統(tǒng) (PCS ／ PCN ， Cordless) ，高級(jí)無繩電話系統(tǒng) (CT-1 ／ CT-la ， CT-2 ， ISM902-928) 以及其他無線通信系統(tǒng)。

1.3 LMX 1501A 的控制數(shù)據(jù)輸入要求

LMX 1501A 芯片中的存儲(chǔ)單元包括 19 位數(shù)據(jù)寄存器、 14 位 R 計(jì)數(shù)器、 1 位 S 鎖存器以及 18 位 N 計(jì)數(shù)器 ( 有一些中間的鎖存器沒有顯示 ) 。數(shù)據(jù)通常在信號(hào)上升沿由數(shù)據(jù)輸入端鎖存至相應(yīng)寄存器，高位在前。

如果控制位 ( 輸入的最后一位數(shù)據(jù) ) 為高，則數(shù)據(jù)被傳送到 R 計(jì)數(shù)器 ( 可編程參考除數(shù)器 ) 以及 S 鎖存器。并由此決定預(yù)分頻系數(shù)為 64 ／ 65 或者 128 ／ 129 。如果控制位 ( 最低位 ) 為低，則數(shù)據(jù)信號(hào)被傳入 N 計(jì)數(shù)器 ( 可編程除數(shù)器 ) 。

如果控制位 ( 最后一位移人數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)位 ) 為高，則數(shù)據(jù)由 19 位的移位寄存器移入一個(gè) 14 位的鎖存器 ( 用于設(shè)置 14 位的 R 計(jì)數(shù)器 ) 和一位 S 鎖存器 (S15 ，用于設(shè)置預(yù)分頻系數(shù)為 64 ／ 65 或者 128 ／ 129) 。

N 計(jì)數(shù)器包含 7 位吞咽計(jì)數(shù)器 (A 計(jì)數(shù)器 ) 和 11 位可編程計(jì)數(shù)器 (B 計(jì)數(shù)器 1 。如果輸入的最后一位控制數(shù)據(jù)位為低，則數(shù)據(jù)由 19 位移位寄存器移入一個(gè) 7 位的鎖存器，以用于設(shè)置 7 位吞咽計(jì)數(shù)器 (A 計(jì)數(shù)器 ) 和一位 11 位的鎖存器以用于設(shè)置 11 位可編程計(jì)數(shù)器 (B 計(jì)數(shù)器 ) 。

1.4 鎖相環(huán)吞咽脈沖方程

在不改變頻率分辨力的同時(shí)，提高合成器輸出頻率的有效方法之一是采用變模分頻器，也稱吞脈沖技術(shù)。用雙模分頻器的輸出同時(shí)可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可編程分頻器，并可將它們分別預(yù)置在 N1 和 N2 ，同時(shí)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。這樣，經(jīng)過推導(dǎo)計(jì)算，便可以得到此類頻率合成器的脈沖吞咽方程：

其中， fVCO 為 VCO 的輸出頻率， B 為 11 位二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器的值 ( 范圍為 3 ～ 2047) ， A 為 7 位二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器的值 (0 ≦ A ≦ 127 ， A ≦ B) ， fOSC 為外部參考振蕩器的輸出頻率， R 為 14 位二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器的值 ( 范圍為 3 ～ 16383) ， P 為雙模寄存器的預(yù)設(shè)值 ( 通常為 64 或者 128) 。

2 Codeloader2 軟件

對(duì) LMX 1501A 進(jìn)行頻率控制的程序設(shè)計(jì)時(shí)，要得到所需頻率的 PLL 控制數(shù)據(jù) ( 即 R 寄存器和 N 寄存器的值 ) ，雖然可以采用手工計(jì)算的方法。但是，采用 NS 公司為該其鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的專用軟件 Codeloader 2 則更為方便。下面來說明使用該軟件計(jì)算 LMX 1501A 所需參數(shù)的具體方法。

為了說明的方便，現(xiàn)假設(shè)使用一個(gè) 12.8 MHz 的高穩(wěn)定晶振來通過 PLL 控制 VCO ，以最終實(shí)現(xiàn)頻帶寬度為 890 ～ 915 MHz ，步進(jìn)間隔為 200 kHz 的一個(gè) GSM 用載頻信號(hào)的頻率合成器。

首先，應(yīng)打開軟件并選擇 Select Device-->Pll Singal Integer-->LMX1501 。此時(shí)，該軟件會(huì)彈出如圖 2 所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖。

此時(shí)，即可使用此軟件進(jìn)行鎖相環(huán)的數(shù)據(jù)計(jì)算。計(jì)算一般按照下述過程進(jìn)行：

首先，通常設(shè)計(jì)已經(jīng)知道所給外部晶體的振蕩頻率，這里是 12.8 MHz 的晶振。所以，在 Reference Oscillator 處輸入 12.8 MHz 。

然后，根據(jù)步進(jìn)間隔要求填人相應(yīng)的數(shù)據(jù)。此時(shí)為 200 kHz 。在 Phase Detector Freq 數(shù)據(jù)輸入框中填人 200 ，現(xiàn)在按回車，則其中的 R 計(jì)數(shù)器自動(dòng)變?yōu)?64 ，說明需要填入到 R 寄存器的值為 64 。

接著可確定預(yù)分頻系數(shù)為 64 還是 128 ，因?yàn)?LMX1501 是雙模分頻模式，所以有 64 或者 128 兩種方式可供選擇。此時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要選取相應(yīng)的值，本例選取 64 。當(dāng)希望改為 128 時(shí)，可在此方框內(nèi)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把該數(shù)據(jù)換為 128 。

最后根據(jù)需要的輸出頻率來確定 N 寄存器的值。輸入想得到的頻點(diǎn)的頻率值。如要計(jì)算輸出頻率為 900 MHz 時(shí)的 N 寄存器的值，只需要在 VCO 下方的方框內(nèi)輸入 900 ，按下回車鍵后，則相應(yīng)的 N 寄存器的值將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置 ( 軟件顯示為 4500) 。同樣，也可以得到 890 ～ 915 MHz 之間的任一個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 N 寄存器的值。比如在輸入 890MHz 后按下回車鍵，則 N 寄存器出現(xiàn)的值為 4450 ，輸入 915 MHz 后按下回車鍵，則 N 寄存器出現(xiàn)的值為 4575 。所以，如果需要設(shè)計(jì)程序來完成由 890 ～ 910 MHz 的頻率變化，僅需要用軟件將 N 寄存器的值由 4450 ～ 4575 寫入相應(yīng)的寄存器即可。

3 鎖相環(huán)控制數(shù)據(jù)的寫入

寄存器的寫入需要以鎖相環(huán)可接受的時(shí)序及其要求來完成。在串行數(shù)據(jù)輸入到鎖相環(huán)內(nèi)部時(shí)，有一些特殊的位可決定所寫入的數(shù)據(jù)將寫入到哪一個(gè)寄存器，或者選模為 64 還是 128 。為了避免人為失誤造成調(diào)試不便，該軟件還給出了數(shù)據(jù)的二進(jìn)制表示方式。 900 MHz 時(shí)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)如圖 3 所示。

圖 3 所示是需要輸入的數(shù)據(jù)由高到低位的二進(jìn)制表示。這種表示為編寫相應(yīng)的鎖相環(huán)控制程序提供了極大的方便。由圖中的數(shù)據(jù)可以看到，其中 N 寄存器當(dāng)高位在前時(shí)，數(shù)據(jù)為 0000100011000101000 ， R 寄存器為 0001000000010000001 。需要將由高到低的顯示改變?yōu)橛傻偷礁叩娘@示時(shí)，僅需要單擊 MSB--> 即可。這樣， N 寄存器和 R 寄存器的顯示順序?qū)⒆優(yōu)橛傻偷礁摺?

寫入數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖 4 所示。

由圖 4 可以看到，數(shù)據(jù)在串行輸入到鎖相環(huán)內(nèi)部時(shí)，其輸入將按照由 MSB 到 LSB 的順序進(jìn)行，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的上升沿被鎖存到寄存器中。本例的使能方式有兩種：第一，如果使能端在數(shù)據(jù)輸入的過程中是低電平，則只要一個(gè)正方向的脈沖即可；而如果使能端在數(shù)據(jù)輸入的過程中是低電平，則在數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后還需要一個(gè)上升沿，同時(shí)要求此上升沿保持到下次有效數(shù)據(jù)的輸入到來之前．也就是說，只有在有效數(shù)據(jù)再次到來時(shí)才將該使能端用一個(gè)下降沿拉至低電平。

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)照該時(shí)序關(guān)系寫出來的程序可以順利地將所需數(shù)據(jù)寫入 LMX1501 器件中，而且，改變寫入的數(shù)據(jù)后，輸出頻率隨之改變，同時(shí)，軟件所給出的數(shù)據(jù)即為所需數(shù)據(jù)。實(shí)際結(jié)果證明，利用該方法所做的鎖相環(huán)可以滿足設(shè)計(jì)給出的頻率合成要求。