Design and Implication of a PLL Frequency Synthesizer
摘要：本文介绍锁相频率合成器的结构和工作原理，并用Motorola公司的 MC145152实现了一种锁相频率合成器。它具有结构简单、稳定性好、精度高、易实现等特点。
关键字：频率合成；锁相环；鉴相 
Abstract: The paper is introduced PLL frequency synthesizer’s structure and operating principle, and applicated a PLL frequency synthesizer  useing  MC145152 of Motorola.The frequency synthesizer has the structure simplicity , stability regards , accuracy characteristics such as high , easy to come true.
Key word: Frequency synthesizer; PPL; PD
1．引言
近几年出现的中、大规模集成锁相频率合成器电路产品，把频率合成器参考频率振荡器和参考分频器组成的参考频率源，可变程序分频器以及鉴相器等主要部件，还有双模控制电路、锁存器、解码器、移位寄存器等辅助部件全部集成在一个芯片上；只要外接环路滤波器、压控振荡器、双模前置分频器等少量部件即可构成一个完整的频率合成器，并且逐渐发展成能与计算机接口。它的高可靠性、低成本、控制灵活等优良性能大大促进了它的应用普及。本文提出一种基于MC145152锁相频率合成器的设计和实现。
频率合成器有多种方法实现，其中利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路，称为锁相频率合成器。由于锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。这些优点使其成为当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频率合成器实现更方便，性能更好。锁相频率合成器的原理框图如图1所示。
由晶振和固定分频器组成的参考频率源提供一个参考（基准）频率fR ,压控振荡器VCO的频率fV被可变程序分频器N分频，得到fV∕N，近似等于fR，并与fR在鉴相器PD中进行相位比较，比较后输出直流电压，通过环路滤波器LP送给压控振荡器VCO，调整压控振荡器，使fV∕N=fR，即使环路进入锁定状态。压控振荡器VCO的输出频率就锁定在参考频率fR的N次倍频上，即fV=NfR。要更换新的频率fV可通过改变分频器上的分频比N来实现，如增加一个单位，fV就增加一个fR，也就是说fR是压控振荡器VCO所能改变的步进频率值，该fR值就是频率合成器的频率间隔F(=fR)。因为fR是固定的，因此环路输出频率(VCO的输出) fV是随N变化的一组不连续的频率，其值是fR的整数倍。可以看出，锁相频率合成器实际就是一个反馈系数可变的锁相环，是一个相位误差反馈控制系统。

图1锁相频率合成器原理框图
2．锁相环的基本原理
锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们都包括三个基本的组成部分：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。它们可和÷N电路构成一个闭合的相位反馈控制电路，这里以模拟锁相环例，简要介绍其工作原理。
⑴ 压控振荡器

3．锁相频率合成器组成框图
   本设计采用大规模集成电路MC145152为核心器件，外接的环路滤波器采用MC1458，压控振荡器采用XR2206，控制和更换频道由一个十位机械开关完成。其原理框图如图2。

    

    XR2206单片集成函数发生器能产生高质量、高稳定、高精度的正弦波、方波、三角波、斜波及脉冲波形。可实现调频、调幅。适用于波形产生；扫描产生；AM/FM产生；FSK产生；锁相环等。
4．整机电路及其工作原理
整机电路如图3所示。用稳压电源向XR2206和MC1458提供15V电压，经过7805后输出5V电压供给MC145152，这样整个电路就可以工作了。
将RA2～RA0置空（即RA2=1,RA1=1,RA0=1）,所以10.24MHz晶体产生的晶振信号，经2048分频后就产生参考频率信号fR=5kHz。由十位机械开关控制十位÷N分频器，每位开关合上对应的Ni为“0”，断开为“1”。当十位机械开关确定一个状态，即将一个十位二进制数送入计数器N。压控振荡器输出的高频信号fV送至计数器N进行减法计数（假设计数器的预置数为N），直至计数器N减至为零，然后输出一脉冲信号PE（即分频器输出），该信号PE同时使计数器N重新置数，为下一个计数循环做好准备。计数器输出的频率信号fV´（即PE）与参考信号fR通过鉴相器PD鉴相后输出一个误差电压Vd，通过环路滤波器LP输出电压VC，使压控振荡器VCO锁定，此时输出频率fV为
fV = N•fR
    由于N的范围为1～1023，所以本电路可提供的频率范围为5～5115kHz。
5．总结
    随着现代通信技术的飞速发展，频率合成器的应用也越来越广泛。虽然该设计的频率合成器是简单的跳频电台使用的锁相频率合成器，但是它在很多方面都可以进一步改进并加以完善，可以说它是一个基础。下面提出几点改进的建议：
(1)  可以与计算机接口，代替机械开关产生伪随机序列来控制分频比。
 
图3整机电路图
(2)  将吞除计数器A接入电路中，并在外部电路中加上双模前置分频器，实现双模方案的锁相频率合成器，扩大频率合成器的输出频率范围。
(3)  可以将直接数字频率合成（DDS）技术应用于锁相式频率合成中，用DDS激励锁相环，这样能输出高的鉴相频率，同时还能提高锁相环的换频速度。
本文作者创新点: 本文用MC145152实现了跳频电台使用的结构最简单的锁相频率合成器，稳定性好、精度高、易实现、输出频率范围大，是其他频率合成器的基础。
参考文献：
[1] 张强 程姝丹   全数字锁相环在可编程中频电源中的应用[J] 微计算机信息  2006年7-2期
[2] 王秉钧 孙学军 沈保锁等  扩频通信[M]  天津大学出版社 1993，61~68
[3] 张有正 陈尚勤 周正中  频率合成技术[J] 人民邮电出版社 1984
[4] 刘仁普  摩托罗拉通信器件手册[M]    机械工业出版社 1995 2-535~2-537
[5] 张加珍 张旭初 祁兵等  常用无线电仪器和器件手册[M] 复旦大学出版社 1991 　93~94
[6] 孙肖子  实用电子电路手册[M]  高等教育出版社 1991

作者简介：薛茹 (1974-),女（汉族）， 陕西，西藏民族学院信息工程学院，讲师， 硕士，研究方向：计算机通信
通信地址：陕西咸阳 西藏民族学院信息工程学院  邮编：712082  E-mail: joywinjam@yahoo.com.cn