摘  要： 介紹了采用單片機控制DDS+PLL組合式頻率合成器的方法，結合實際項目給出了采用雙模分頻器MB1505和直接頻率合成器AD9835寄存器參數(shù)的算法，以及如何利用單片機對頻率進行微調和線性校準，并對設計的頻率合成器進行了測試實驗。
關鍵詞： 單片機；短波電臺； 頻率合成

    組合式頻率合成技術是國內外近幾年來比較流行的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的一種關鍵技術，已廣泛應用于通信、雷達、電子對抗等許多領域，并得到了快速的發(fā)展。組合式頻率合成是依靠直接數(shù)字頻率合成(DDS)的精準輸出頻率作為參考頻率，通過鎖相環(huán)頻率合成(PLL)對參考頻率進行一系列計算變換，產(chǎn)生高穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術，其將DDS和PLL兩種技術結合起來，取長補短，實現(xiàn)了具有高分辨率和雜散較小的高速寬帶頻率合成。
    頻率合成器是電臺的核心部件，其性能直接影響到電臺整體的性能指標。本文根據(jù)某型號短波電臺項目研制的需要，設計了基于“DDS+PLL”技術的頻率合成器。電臺設計上采用傳統(tǒng)超外差體制來抑制鏡頻，在455 kHz中頻對信號進行采樣，其中選用頻率為44.545 MHz的一本振，二本振則是通過組合式頻率合成器提供。將經(jīng)過一本振混頻的信號二次混頻到455 kHz，因此頻率合成器的輸出頻率大小應為信號載頻加上45 MHz。短波的頻率工作范圍是300 kHz～30 MHz，所以要求頻率合成器的頻率合成范圍在45.3 MHz～75 MHz。另外還要求頻率合成器的步進頻率間隔為10 Hz。本文根據(jù)電臺功能需求，設計了由組合式頻率合成器AD9835和鎖相環(huán)MB1505組成的頻率合成器，并對其控制方法和頻率的校準進行研究，為短波電臺提供了精準的本振源。
1 組合式頻率合成技術簡介
    組合式頻率合成器采用DDS直接激勵PLL的方案。DDS作為參考頻率源來驅動PLL，系統(tǒng)結構簡單易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性高。其中，DDS主要由標準高精度參考時鐘、相位累加器(PA)、正弦查詢表(ROM)、數(shù)模轉換器(DAC)和低通平滑濾波器(LPF)構成，其結構框圖如圖1所示。

    在標準參考源的控制下，頻率控制字K決定了相應的相位增量，相位累加器以步長K進行線性累加，當相位累加器加滿時會產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個周期性的動作，即DDS合成信號的一個頻率周期。N位相位累加器的最小值為0，最大值為2N-1，故累加器以K為步進產(chǎn)生的一次溢出經(jīng)歷的平均次數(shù)為2N/K，其輸出信號頻率為：

    一般PLL頻率合成電路由相位比較器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器(1/M)構成，如圖2所示。

    DDS的輸出信號作為PLL的參考頻率，通過改變DDS的輸出頻率和PLL的分頻比來改變PLL的輸出頻率。當環(huán)路鎖定時，PLL頻率合成器的輸出頻率為：

    DDS直接激勵PLL的頻率合成器，其優(yōu)點是電路簡單可靠、易于調試和實現(xiàn)，缺點是DDS的雜散和相位噪聲在帶內被惡化20log(M) dB(其中M是鎖相環(huán)分頻器的分頻數(shù))。頻率合成器的頻率分辨率由于PLL的倍頻作用下降到DDS頻率分辨率的1/M。
2 頻率合成器的設計與實現(xiàn)
    DDS部分的時鐘輸入選用45.545 MHz的恒溫晶體振蕩器，其核心采用美國ADI公司的大規(guī)模集成芯片AD9835。AD9835集成了數(shù)控振蕩器、余弦查找表、頻率和相位調制器以及一個10 bit的D/A轉換器；時鐘頻率最大支持50 MHz，頻率穩(wěn)定度為1×10-7。根據(jù)式(2)可知，DDS的分辨率約為0.01 Hz。由于受到各部分傳輸時延的限制以及出于速度和功率上的考慮，可變分頻器的上限頻率僅在幾十MHz數(shù)量級。要產(chǎn)生最高75 MHz的信號，一般的可編程分頻器難以滿足設計需要。所以，PLL部分選用FUJITSU公司的MB1505芯片。MB1505集成了一個雙模數(shù)分頻器，其優(yōu)點是工作頻率高達600 MHz，其原理框圖如圖3所示。

    預分頻器的分頻比為N或N+1，這取決于控制輸入的邏輯狀態(tài)。預分頻器的輸出送到兩個普通的可編程計數(shù)器，計數(shù)器1控制雙模預分頻器，分頻比為A。計數(shù)器2的分頻比為N，產(chǎn)生系統(tǒng)輸出。當分頻器工作時，P/(P+1)預分頻器的分頻比一直為P+1，直到可編程計數(shù)器1的計數(shù)達到A時，分頻比變?yōu)镻。此后一直保持這樣的工作狀態(tài)，直到可編程計數(shù)器2的計數(shù)達到N，這時兩個計數(shù)器都被重置，產(chǎn)生輸出脈沖，然后重新開始這樣的循環(huán)過程。整個系統(tǒng)的分頻比為：[A(P+1)+P(N-A)]/R=(PN+A)/R。
MB1505的輸出函數(shù)為：

式中，fvco為壓控振蕩器輸出頻率；fDDS為外部輸入?yún)⒖碱l率，即DDS的輸出頻率；N為11 bit二進制可編程計數(shù)器(16~2 047)；A為7位二進制可編程計數(shù)器(0≤A≤63，A<N)；R為14位可編程二進制計數(shù)器(8~16 383)；P為預設雙模預分頻器模式(32或64)。
    電臺中，選用ATMEL公司的高性能、低功耗的8 bit處理器AVR1280完成控制工作[6]。單片機通過外部輸入獲得需要設置的頻率，計算后將頻率控制字和相位控制字串行寫入DDS內部寄存器中，DDS即可以產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出；然后把DDS的輸出信號作為PLL參考信號頻率，通過單片機設定分頻器的分頻比(PN+A)/R，最終得到頻率為DDS輸出頻率(PN+A)/R倍的時鐘信號。
    在設計上，AD9835的輸出連接一個帶通濾波器(BPF)，保證AD9835的輸出頻率fDDS在2.7 MHz左右小幅變化，通過該低通濾波器濾除高頻的干擾分量。再將帶通濾波器輸出連接到MB1505，通過改變MB1505的分頻比，獲得精準的頻率輸出，頻率合成器硬件結構如圖4所示。

 
    單片機中頻率合成的控制程序根據(jù)此計算方法計算出AD9835和MB1505中各寄存器參數(shù)的值，再通過I/O進行設置。在程序的實際開發(fā)中，由于AVR單片機是8 bit的處理器，特別需要注意變量的數(shù)值表達范圍及精度。程序的編寫采用針對AVR單片機設計的C語言編譯器，其支持ANSI標準的C語言程序設計，同時針對AVR單片機的一些特點進行了擴展；支持32 bit浮點數(shù)float，用4 B來表示一個實數(shù)，表示范圍為：+/-1.175e-38~3.40e+38。無符號長整型變量unsigned long也采用4 B，表示范圍為：0~4 294 967 295。fvco的輸出頻率為45.3 MHz～75 MHz，以Hz為單位進行表達計算，可以用float及l(fā)ong類型的變量來表示。特別需要注意的是：避免由兩個浮點數(shù)或無符號長整型變量進行乘除運算結果的溢出而導致錯誤的問題。
3 頻率校準
    由于工作環(huán)境等原因，往往需要對電臺的工作頻率進行校準，該功能可由單片機對DDS和PLL控制之前完成，即對輸出頻率fvco進行預先調整后再進行計算，以確保合成頻率的準確。校準分為微調和線性校準兩個部分。典型的頻率設置工作流程如圖5所示。

4 實驗分析
    為了驗證組合式頻率合成器的正確性和精確性，采用頻率計對電臺的輸出頻率進行了測試。采用的晶體振蕩器的精度為1.5 ppm。頻率校準前后測試數(shù)據(jù)如表1所示。

    根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，驗證了設計的組合式頻率合成器可滿足電臺對頻率精度的需要。實驗證明，經(jīng)過載頻在微調之前先經(jīng)過線性頻率補償，可以提高輸出頻率的精度，從而減少用戶對頻率微調電位器的操作。
    本文介紹的采用通過單片機控制DDS和PLL進行頻率合成的方法，滿足了為短波電臺提供精確的本振源的需要。該方法調試簡單、性能穩(wěn)定，綜合了DDS和PLL各自的優(yōu)點，具有優(yōu)良的技術性能，有一定的工程應用價值。
參考文獻
[1] Analog Devices. AD9835 Datasheet. 1998.
[2] FUJISTU. MB1505 Datasheet. Sept， 1995.
[3] 李俊俊，劉珩，吳丹.基于DDS+PLL頻率合成器的設計實現(xiàn)[J].電子測量技術，2009(4).
[4] 任鵬，周資偉，朱江.一種基于DDS和PLL技術本振源的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2009(9).
[5] 殷雷，金海軍，李映雪，等.基于DDS的高精度函數(shù)信號發(fā)生器研制[J].現(xiàn)代電子技術，2009(1).
[6] ATMEL. ATmega1280/V user’s manual[R]. 2549K-01/07.  2007.