基于数字式频率合成器实现可控频率源的设计

作者：倪淑艳;张宝玲;李晓波

频率合成技术

数字锁相式频率合成器的基本原理是：应用数字逻辑电路把VCO频率一次或多次分频至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中比较，所产生的误差信号用来控制VCO频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。上述原理如图1所示。

图1 数字锁相式频率合成器工作原理图

其中N分频器是由单片机编程控制的，因此这种合成器又体现了程序设计和锁相技术的结合。从总体结构看，它由单片机、锁相环和可编程分频器三部分组成。

ADF4113简介

ADF4113是一种直接数字式频率合成器，它的最高工作频率为3.0GHz，工作电压为2.7～5.5V，可用于无线电基站设备、无线手提终端和信号检测设备等，它的外部引脚如图2所示。

图2 ADF4113的外部引脚

1 工作原理

ADF4113从外部输入的信号只有标准频率源信号和控制信号。标准频率源信号经过耦合电路输入到ADF4113后，经14位的R分频器得到鉴相基准频率送鉴相器。单控制信号由时钟信号CLK、数据信号DATA和使能信号LE组成。在时钟信号的控制下，由串行口输入24位数据信号，暂时存放在24位输入寄存器中。在接收到使能信号后，先前输入的24位数据根据地址位到达对应的锁存器。

当ADF4113接收到反馈回来的输出频率后，首先通过预引比例因子P，经A、B分频器，得到分频以后的反馈信号，输入到锁相器。与分频以后的标准频率源信号在鉴相器中比较，输出低频控制信号以控制外部VCO的频率，使其锁定在参考频率的稳定度上。

2 控制字

ADF4113的分频比N通过设置预引比例因子P和A、B分频器实现，算法为N=B×P+A。参考频率通过R分频器分频得到适合鉴相器的输入，因此有fVCO＝［P×B+A］×fREFIN／R。A分频器、B分频器和R分频器分别为6位、13位和14位，其数值通过写相应的控制寄存器实现。

ADF4113内部有四个24位控制字寄存器， 分别为R分频器控制字、N分频器、初始化寄存器和功能寄存器。R控制字包括地址控制位、14位R分频器的数值设置位、脉冲宽度控制位、模式测试位、锁定精度选择位、方式选择位和保留位。N分频器控制字包括地址控制位、6位A分频器的数值设置位、13位B分频器的数值设置位、输出位增益控制位和保留位。初始化寄存器控制字包括地址控制位、分频器设置位、电源设置位、MUXOUT输出端控制位、PD极性设置位、输出端是否为三态输出设置位、快速锁定设置位、定时器设置位、当前状态选定设置位，以及预引比例因子设置位。功能寄存器与初始化寄存器控制字基本相同，只是低两位地址控制位不同。

硬件设计

1 总体结构设计

控制部分需要的外围电路包括时钟复位电路、键盘显示电路和与ADF4113的接口电路，控制电路结构如图3所示。

图3 控制电路结构

2 键盘显示电路设计

由于采用独立式键盘I/O口资源不够，需要用一片8255扩展并口。可将其A、B口作键盘输入，C口作LED显示输出。为简化设计，键盘采用查询方式，电路如图4所示。

图4 键盘显示电路

3 ADF4113接口电路设计

单片机是通过串口向ADF4113中写数据的，包括时钟线（DATA）、数据线（CLK）和控制信号LE、CE。LE、CE控制信号可由两个I/O口提供，另外还需单片机提供一I/O口以检测锁定信号。接口电路如图5所示。

图5 ADF4113接口电路

初始化时，将LE设为低电平。当24位数据由单片机经串口送入ADF4113后，给LE一高电平时，这样输入锁存器中的24位数据在CLK的上升沿锁进相应的寄存器， 三个字节数据送完后，LE应恢复到低电平。其中，CE是片选信号，低电平选通；MUXOUT可通过软件设置为ADF4113锁定信号输出端，高电平表示锁定。

软件设计

1 键盘输入

本课题使用的是16位独立式键盘，键盘经8255的A、B口输入，故8255的工作方式设置为A、B口入，C口出，且A、B口都工作于方式0，得出控制字为92H。

键盘采用查询方式，当检测到有键输入时，查询并保存键号。检测键输入程序用F0作标志位，有键输入时F0置“1”，以此标志跳出检测子程序，进入查询子程序。ResetFlag作为复位标志，主要用在有循环的子程序（如扫频和点频）动态显示中，以其值为“1”作为跳出循环结束子程序的标志。

2 LED显示

显示电路采用共阴极LED，其片选信号由P1口低四位提供，段码数据由8255的C口输出，采用动态扫描方式，显示数据存于显示缓冲区内。

3 控制字

根据ADF4113功能控制字结构，功能控制字可设为8D9112h。单片机向ADF4113送控制字是通过SPI串行接口实现的。首先将24位控制字每个字节按从高位到低位的顺序，移入ADF4113的输入寄存器，24位移完后，给使能信号LE一个高电平，这样先前输入的24位数据，根据地址位，到达相应的寄存器。

4 点频子程序

点频子程序要完成的功能是由输入频率f计算出分频比N，并将控制字送到ADF4113中，检测锁定信号，锁定时显示输入频率。

5 扫频子程序

首先给定时器装入初值（扫频时间间隔）；再设置起始频率fb、扫频频率间隔f0和最高频率fe；然后启动定时器TR0=0，定时到，频率加f0，TF0清零重新计时，直到设置的最大频率后再回到初始频率，如此循环至复位键按下时停止。

6 主程序

程序执行以功能键（点频或扫频）按下开始，当有点频或扫频键按下时，在最高位的LED显示“-”以提示输入数字，按下数字键“-”消失，开始显示输入的数字。删除键可以删除已输入的数字，回到“-”提示状态。按下确认键进入相应子程序；按复位键可跳出各子程序，恢复到初始状态。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

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