基于 LMX1501 鎖相環(huán)的頻率合成設(shè)計

0 引言

頻率合成是從一個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)定的線性相位檢測特性，以及很低的本振信號噪聲。

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。可廣泛用于移動電話系統(tǒng) (AMPS ， NMT ， ETACS) ，移動無線通信系統(tǒng) (PCS ／ PCN ， Cordless) ，高級無繩電話系統(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 芯片中的存儲單元包括 19 位數(shù)據(jù)寄存器、 14 位 R 計數(shù)器、 1 位 S 鎖存器以及 18 位 N 計數(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)信號被傳入 N 計數(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 14 位的鎖存器 ( 用于設(shè)置 14 位的 R 計數(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 計數(shù)器包含 7 位吞咽計數(shù)器 (A 計數(shù)器 ) 和 11 位可編程計數(shù)器 (B 計數(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 7 位的鎖存器，以用于設(shè)置 7 位吞咽計數(shù)器 (A 計數(shù)器 ) 和一位 11 位的鎖存器以用于設(shè)置 11 位可編程計數(shù)器 (B 計數(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，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可驅(qū)動兩個可編程分頻器，并可將它們分別預(yù)置在 N1 和 N2 ，同時進(jìn)行減法計數(shù)。這樣，經(jīng)過推導(dǎo)計算，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)制可編程計數(shù)器的值 ( 范圍為 3 ～ 2047) ， A 為 7 位二進(jìn)制可編程計數(shù)器的值 (0 Q A Q 127 ， A Q 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 LMX 1501A 進(jìn)行頻率控制的程序設(shè)計時，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算的方法。但是，采用 NS 公司為該其鎖相環(huán)設(shè)計的專用軟件 Codeloader 2 則更為方便。下面來說明使用該軟件計算 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 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 GSM 用載頻信號的頻率合成器。

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