锁相环频率合成器的单片机控制

现代频率合成技术正朝着高性能、小型化的方向发展，频率合成器是雷达、无线电台等电子系统中关键的部件之一，为系统提供高精度的信号。传统锁相环路只能实现单一频率的合成,为了实现大量离散频率的输出,就必须借助于单片机系统。将锁相环路和单片机相结合的频率合成技术,在通信、导航和测量等先进技术领域中都有广泛的应用。本文介绍了利用大规模集成锁相环频率合成芯片LMX2315构成的频率合成器，该合成器在单片机AT89C51的控制下实现了输出信号的自动频率合成。它可作为标准信号源使用,而且具有高精度、高可靠性等特点,其输出信号频率从105～125MHz,步进频率为1KHz。其结构如图1所示。 1、集成锁相环频率合成芯片LMX2315 美国国家半导体公司(NationalSemiconductor)生产的LMX2315是一种高性能的集成锁相环频率合成器芯片，详细资料见参考文献[1]，它在一块很小的芯片内集成了锁相式频率合成器的多个重要部件，它主要包含了数字鉴相器、参考振荡器、参考分频器、程序分频器、双模前置分频器以及电流开关电荷泵等电路。 LMX2315的CLK，DATA，LE三个管脚分别为时钟端、数据端与使能端，这三个管脚需要与控制器件相连，接收由单片机传过来的控制信号，以得到合成指定频率所要求的分频比，这三个控制信号的时序要求如图2所示。DATA端的数据需要串行传送。 LMX2315内部含有一个19位的移位寄存器、14位的R计数器、1位锁存器S和18位的N计数器。数据在时钟上升沿输入到19位的移位寄存器，先进入最高位，最低位是控制位。当LE端跳变为高电平时，移位寄存器中的数据输入到适当的锁存器中。如果控制位为高，数据就输入R计数器（可编程参考分频器）和S锁存器（预分频器模数选择S=0时，双模分频器的分频比为128/129；S=1时，双模分频器的分频比为64/65），如果控制位为低，数据就输入N计数器（可编程分频器）。 N计数器由7位吞脉冲计数(N2)和11位可编程计数器(N1)组成。如果控制位为低，数据就从19位移位寄存器输入到N2和N1中。分频比D=128N1+N2。 2、控制系统的组成及工作原理 2.1硬件电路的组成 控制电路主要完成频率合成器的频率设置与显示功能[2]。 单片机AT89C51从键盘接收所要求合成的频率值，通过内部烧写的程序将频率值转换为锁相频率合成芯片LMX2315中各个分频器所需要的分频比，然后串行传送给LMX2315的数据端。同时将所要求合成的频率值通过数码管显示。 键盘采用4×4行列式触摸键盘； 显示部分采用共阴极的7段数码管； LED位码通过芯片7406缓冲后传送给数码管。 各个元件的连接如图3所示： P1.0端口作为串行数据输出口，P1.1端口作为串行时钟输出口，P1.2端口作为使能控制端，分别与LMX2315的13、11、14三个端口相连接。利用软件编程模拟串行口进行数据的传输，当每个时钟脉冲正跳变时，则将一位数据送入LMX2315片内的移位寄存器，当使能端为高电平时，将移位寄存器中的信息传送至锁存器。 P3.0～P3.3端口与键盘的行线相连，P0.0～P0.3端口与键盘的列线相连，接收从键盘传送来的数据。若某时刻有键按下，单片机通过运行程序可以找到该键的行和列所在的位置，并可以求出键值，即键值=行值+列值。确定了键值就可以判断出按下的是哪一个键。 为了节省单片机的数据端口，节省硬件设备，显示部分采用动态显示模式，通过软件编程使六个数码管轮流显示。P0.0～P0.5端口作为数码管的位码驱动，分别与六个数码管的接地端相连。P2.0～P2.7端口作为数码管的段码驱动，与数码管的八位段码端相连，六个数码管的八位段码端分别连在一起。 2.2软件设计 系统软件的设计原则是便于使用和控制[3]，实现直接键入目标频率值，通过软件来控制频率合成器的分频比，并将合成的频率值显示出来。软件由主程序、显示子程序、键盘扫描子程序、数制转换子程序，计算分频比子程序和串行数据传送子程序组成。 主程序的功能是：系统初始化；接收按键并做初步处理；调用各个子程序。程序流程如图4所示。 各子程序功能如下[4]： (1)键盘扫描子程序。P0端口作为输出口，输出扫描信号，P3口作为输入口，把P3口值送累加器A，把A反相并屏蔽其高四位。主程序通过调用该子程序，可判断是否有键按下，有则消抖并判断键号，否则返回等待。 (2)显示子程序。首先由代码转换程序将由键盘输入的数值转换为数码管上显示的字符的相应代码。然后使数码管以动态扫描方式显示，对所扫描的数码管逐个轮流选通一定时间，并送以相应显示代码。这样既节省驱动电路，又节省电流。 (3)数制转换子程序。由键盘输入的数据按照BCD码的方式存在寄存器R5R6R7中，将其取出先转换为十进制数，在转换为二进制数，结果保存在R1R2R3中，R1为高位字节。 (4)计算分频比子程序。因为分频比D=128N1+N2，保存在R1R2R3中的二进制数即为D，所以将其除以128，得到商即为N1，余数即为N2。此程序为24位整数除以8位整数的子程序，将除数128保存在R4中，程序运行完后，商保存在R2R3中，余数保存在R1中。 (5)串行数据传送子程序。由于单片机中专用的串行通信口是按照每次8位数据传送的，但此程序中需要传送的是19位串行码，所以不采用单片机中专用的串行通信口，而是通过编程利用软件来模拟串行口进行串行数据传送。 关键程序如下： RLCA；需要传送的数据保存在累加器A中 MOVP1.0，C；数据送数据线 SETBP1.1；产生同步时钟 CLRP1.1 每向P1.0口传送一位数据，就在P1.1口同步产生时钟信号，来配合锁相频率合成芯片LMX2315接收数据的要求。利用循环程序控制次数，就可以将保存在R2R3中的商和保存在R1中的余数传送给LMX2315。传送完毕后再利用程序产生一上升沿给LMX2315的使能输入端。 3、结语 本文用单片机控制集成锁相环频率合成电路，构成了多频点频率合成器，使集成锁相环频率合成电路的功能得到了充分发挥。以这种方式设计的频率合成器操作简便、性能稳定。 参考文献 [1]LMX2315/LMX2320/LMX2325PLLatinumTMFrequencySynthesizerforRFPersonalCommuncations.NationalSemiconductor.September,1996. [2]何立民.MCS51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1990. [3]孙增友,李建岐.一种单片机控制下的锁相环频率合成器的设计[J].东北电力学院学报,1999. [4]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社,1991. [5]庄卉,黄苏华,袁国春.锁相与频率合成技术[M].气象出版社,1996.