频率合成技术
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