鎖相環(huán)PLL設(shè)計(jì)調(diào)試小結(jié)

1、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部資料鎖相環(huán)設(shè)計(jì)調(diào)試小結(jié)一、系統(tǒng)框圖二、鎖相環(huán)基礎(chǔ)知識(shí)及所用芯片資料（摘錄）（一）、并行輸入PLL （鎖相環(huán)）頻率合成器 MC145152-2MC145152是MOTOROLA公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式設(shè)定，由16根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模CMOS-LSI鎖相環(huán)頻率合成器，其內(nèi)部組成框圖如圖3-32-3所示。N和A計(jì)數(shù)器需要16條并聯(lián)輸入線，而 R計(jì)數(shù)器則需要三條輸入線。該 芯片內(nèi)含參考頻率振蕩器，可供用戶選擇的參考頻率分頻器（12X8 ROM考譯碼器和12BIT+ R計(jì)數(shù)器組成的參考頻率fr ）,雙端輸出相位檢測(cè)器，邏輯控制，10比特可編程序的十N（N=3

2、1023）計(jì)數(shù)器和 6比特可編程的十A（A=363）計(jì)數(shù)器和鎖定檢測(cè)部分10比特 十N計(jì)數(shù)器，6比特十A計(jì)數(shù)器，模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器（+P / +P +1）組成吞食脈沖程序分頻器，吞脈沖程序分頻器的總分頻比為：NT =P*N+A。MC145152的功能： *借助于CMOS技術(shù)而取得的低功耗。*電源電壓范圍39V。*鎖相檢測(cè)信號(hào)。*在片或離片參考振蕩器工作。*雙模并行編程。* N 范圍=31023,A 范圍=063。* 用戶可選的 8 個(gè) R 值：8 , 64 ,128 , 256 , 512 ,1024 ,1160 , 2048.*芯片復(fù)雜度8000個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管或2000個(gè)等效門。J

3、Sii -Ft A口 - :FLA F :RAN 甲耳- e XZ - 兀5 二- 4壬 1STO-KI1-ZZ31232N 丁3N552-4G23VNN22 1P2Oii n1 91 11 S1 121171 31圧1-415OSCxisrS C lOiTJTAOdH1 PW8引腳說(shuō)明：N0-N9 ( 11-20 ) : +N計(jì)數(shù)器的編程輸入端。當(dāng) +N計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)為 0時(shí)，這N個(gè)輸入 供給預(yù)置 +N計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)。N0為最低位，N9為最高位。上拉電阻保證輸入端在斷開(kāi)時(shí)停留在邏輯“1，”而只需一個(gè)SPST單擲開(kāi)關(guān)將數(shù)據(jù)改變到邏輯“ 0狀態(tài)。A0-A5(23 , 21, 22, 24, 25,

4、10):十A計(jì)數(shù)器的編程輸入端。這些A輸入決定了 fin 的時(shí)鐘周期數(shù)，它使 MC輸出端上出現(xiàn)所需的邏輯電平(見(jiàn)雙模前置分頻器)。A輸入都有內(nèi)部上拉電阻，足以保證所有輸入端在斷開(kāi)時(shí)保持邏輯“1”。OSCin,0SCout(27,26):參考振蕩器輸入/輸出端。當(dāng)這些引腳和一個(gè)外部并聯(lián)諧振晶體相連 時(shí)，便組成了一個(gè)在片參考振蕩器。但在OSCin和OSCout連至地之間應(yīng)接上適當(dāng)數(shù)值的調(diào)頻電容(一般為15pF左右)。OSCin也可作為外部參考信號(hào)的輸入端。該信號(hào)一般是以交流方式耦合到 OSCin ;但是對(duì)于振幅較強(qiáng)的信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯電平)，直流耦合也是可適用的。在外接參考模式中，OSCout

5、不需要任何連接。fv 和 frLD(28):鎖定檢測(cè)器信號(hào)輸出端。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出信號(hào)為高電平(即 為同相且同頻)；當(dāng)環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時(shí)輸出為低電平。R和V( 7、8):相位檢測(cè)器輸出端。PD的輸出引腳可在外部組合成環(huán)路的誤差信號(hào)。設(shè)頻率fv大于fr 或fv 相位超前，則 V為低脈沖而 R基本上保持高位；設(shè)頻率fv 小于fr 或fv 相位滯后，則R為低脈沖而 V基本上保持高位；設(shè)頻率fv=fr 并且二 者同相那么除了在極短時(shí)間內(nèi)V和 R為同相低脈沖，二者同時(shí)保持高位。Fin(1):十N計(jì)數(shù)器和 +A計(jì)數(shù)器頻率輸入端。fin 般從雙模前置分頻器引出而以交流方式與本器件耦合。 對(duì)于振幅較

6、強(qiáng)的信號(hào) (標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯電平)，直流耦合也是可以的。Vdd ( 3 ):電源正極。其電壓范圍+3V+9V (相對(duì)于 Vcc )。Vss ( 2 ):通常接地即電源負(fù)極。A5 A4 Al AONO Z9注l對(duì)A0-A5* N10-N9. RA0-RA2的上拉電阻在圖中未畫(huà)出*圖 3-32-5強(qiáng)內(nèi)部純構(gòu)框圖RA0-RA2 ( 4-6):基準(zhǔn)分頻器地址碼輸入端。用于選擇基準(zhǔn)分頻器的分頻比。通過(guò)對(duì)12X8ROMI參考譯碼器和12比特-R計(jì)數(shù)器進(jìn)行編程，產(chǎn)生參考頻率fr。分頻比有8種, 其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示?；鶞?zhǔn)地址碼總除數(shù)RA2RA1RAQ00030016401012S011100512r 101

7、10241101160111204SM(9):模式控制端，輸出的模式控制信號(hào)加到雙模前置分頻器即可實(shí)現(xiàn)模式變換。當(dāng)MC為“ 0 ”時(shí)，雙模前置分頻器的分頻比為P+1，而當(dāng)MC為“ 1 ”時(shí)，雙模前置分頻器的分頻比為P。在計(jì)數(shù)周期的初期，MC的電平將變成低，并繼續(xù)保持低位，一直到 十A計(jì)數(shù)器從其編程值開(kāi)始往下計(jì)數(shù)為止。在這一時(shí)刻，MC升高并繼續(xù)保持高位，一直到十N計(jì)數(shù)器從其編程值起把剩余的數(shù)計(jì)完為止(即十N計(jì)數(shù)器從 十A計(jì)數(shù)器計(jì)完后開(kāi)始往下計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)值為 N-A )，然后MC重新調(diào)到低位，而計(jì)數(shù)器分別調(diào)回到它們的編程值，于 是這一過(guò)程將重復(fù)出現(xiàn)。 這一過(guò)程為編程總除數(shù)所提供的值為N T =N

8、*P+A，式中P和P+1分別對(duì)應(yīng)于高和低電平的雙模前置分頻器的除數(shù)，N和A分別表示按程序編入十N和十A計(jì)數(shù)器中的數(shù)。雙模前置分頻器雙模前置分頻器技術(shù)為頻率合成器在高頻時(shí)得到高度操作性能的一種方法。此方法能把低頻編程計(jì)數(shù)器當(dāng)作速度可達(dá)幾百兆赫的高頻可編程計(jì)數(shù)器使用。這種可能性還不致?lián)p害系統(tǒng)的分辨率和性能，而其結(jié)果等效于前置分頻器應(yīng)用了一個(gè)固定(單模)分頻器。在雙模前置分頻器中低速分頻器必須單獨(dú)配置，為了所需時(shí)間長(zhǎng)短，必須應(yīng)用特殊的控制邏輯來(lái)選擇除數(shù) P或P+1。Motorola的雙模頻率合成器就具有這一特點(diǎn)，因此它可以和不同類別的雙模前置分頻器一起使用。而允許使速度、復(fù)雜度和價(jià)值修整的系統(tǒng)的要求

9、。前置分頻器的除數(shù) P和P+1位于 十3/ -4到十128/十129的范圍， 它可用絕大多數(shù)的頻率 合成器來(lái)控制。700 Lu74-5V3I 1在這里介紹MC12017雙模前置分頻器：MC12017是一個(gè)具有8引腳雙列直插集成電 路，工作電壓從 4.5V 到9.5V,工作頻率最高為 225MHZ，其輸入/輸出信號(hào)與 CMOS電平 兼容，如把引腳2和3相接時(shí)可與TTL電平兼容，具有低功耗模式。Fuj Gmdcm-FULVregMCVcc圖 3-32- 6 IVIC12DL7內(nèi)部箔構(gòu)和夕卜部連接圏I一控制輸入諭$ 2一決斷后式C active pull up 3, 3一輔出端工4一電陋炭極$5信母

10、輸入端.G信號(hào)地匚7電壓基準(zhǔn)；8電源正極-為了使系統(tǒng)能最大限度地發(fā)揮其頻率能力，在經(jīng)過(guò)每一組P或P+1輸入循環(huán)后，雙模前置分頻器的輸入將從低變高。當(dāng)模式控制線為高時(shí)，前置分頻器用P除，當(dāng)其?？刂凭€為低時(shí)，則用P+1去除。（三）、壓控振蕩器VCO在這里介紹MC1648壓控振蕩器，它是一個(gè) 14引腳雙列直插集成電路，工作電壓為0-+7V，工作頻率可達(dá) 1100MHZ1H213312斗115106973VccMCOUTNCAGC zcVeeVccNCTankNCBiasNCv'ee圖3-32-7MC100EL-1648pt部結(jié)構(gòu)和引腳圖NC空腳* OUT輸出端；AGO 自動(dòng)増益控制輸入端r

11、Vcc電源正極#習(xí)ee電源負(fù)極；OSC輸入?yún)㈦入妷憾?；TahkO呂C輸入電壓端.三、調(diào)試過(guò)程1. MC12017分頻器的調(diào)試按電路接好電路（就按此圖接，但按芯片資料，7、8腳還應(yīng)分別接一個(gè)104的瓷片電容，也要接上?。﹪?-32- 6MC12017內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部連接圖1控制輸入端工2關(guān)斷育式（active pull up 了一輸出端：4電源負(fù)極；5信號(hào)輸入端* 6信號(hào)地；7電壓基進(jìn)；8電源正極"1（用于接MC）腳接高電平（+5V），5腳信號(hào)輸入64MHz信號(hào)（幅度0.5Vpp），觀察2、 3腳（2、3腳接在一起）輸出，應(yīng)該為輸入信號(hào)的1/64，即2MHz。說(shuō)明芯片工作正常。2. MC

12、145152鑒相器的調(diào)試2.1調(diào)準(zhǔn)晶振。按照電路圖接好電路，調(diào)節(jié)晶振輸入端可調(diào)電容，使晶振諧振在標(biāo)稱的頻率，我們用的2.048MHz的晶振，一邊輸入端為30pF電容，另一端為30pF可調(diào)電容。調(diào)整可調(diào)電容，使晶振最接近 2.048MHz。實(shí)際測(cè)試，一邊 2.048MHz，另一邊 2.04806MHz。2.2芯片測(cè)試就以64MHz為例設(shè)置參考頻率。所用晶振2.048,設(shè)置R0R2為111，即2048分頻，得到1KHz參考頻率fr。計(jì)算A、N的值。（除以的64是因?yàn)樗玫?MC12017的分頻比P = 64）N =（ f0/fr-A）/P設(shè)A為0,N =（ 64MHz/1KHz）/64 = 100

13、0 = 1111101000A = f0/fr-N*PA = 64MHz/1KHz -1000*64 = 0 = 000000對(duì)于R、A、N，每一位數(shù)據(jù)，0表示接地；1浮空即可，芯片內(nèi)部自動(dòng)置為高電平，萬(wàn) 用表可測(cè)。64MHz信號(hào)輸入分頻器的信號(hào)輸入端5腳，分頻器輸出2、3腳接鑒相器MC145152的信號(hào)輸入端1腳。輸入信號(hào)fin從63MHz變化到65MHz，觀察到：fin > 64MHz7腳 高電平，8腳 占空比不斷變化的方波（可能變化很快）fin < 64MHz8腳 高電平，7腳 占空比不斷變化的方波.28腳，鎖定指示，串一個(gè) 1K的電阻，再接LED。9腳接分頻器 MC1201

14、7的MC （1腳）,用于控制分頻比。1011123456S q1丈idIO'A -IL12 I1415In17ISIPRAO RAIRA2 FREQI SCI4IM：GbIDMC145152P2Cap innFIIXTALJ 2Ti-=PA AR GNDND N1N2M3N4N5WVDDoscotVECNTLURled :-1LEJ3>1MC.7RI3Res Se3.3KLDE_5VMC145152連接圖3. 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)截止頻率1KHz的濾波器設(shè)計(jì)如下：1104接鑒相器輸岀端R C1L1D2 R1p R311丄n1j,_rR2 3.iKRA 3.3KiLa11j h1/3

15、3K |3.3K按鑒相器輸出端V "pi 02j1R52.2KC410473R52.2K+ 12VU1OP27R.71K去壓扌空端330P圖1-1-5環(huán)路濾波器計(jì)算過(guò)程|（摘錄）：運(yùn)放芯片OP27構(gòu)成了有源比例積分濾波器。在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇合適的電容C,然后，再根據(jù)®n N、Kv、Kd和E計(jì)算R1和R2的值。Ri = K v K d /（ n C ） R2 = 2 ©nC ）式中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（rad/sV）; Kd為比相器靈敏度，Kd = VDD /2 n, VDD是運(yùn)放的工作電壓（VDD = 5V） , Kd單位取V/rad; N為總分頻次數(shù)；E為

16、鎖相環(huán)路 的阻尼系數(shù)，E的合適取值范圍是在 0.51.0之間，通常選擇最佳起始點(diǎn) 片0.707; 為環(huán) 路自然諧振角頻率，直的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制，an應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率 3d,通常可按式 選擇3ii= ®d/ （301000）。當(dāng)噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，an可選擇得大些。 具體計(jì)算如下：Kd = VDD /（ 2 n） = 5/（ 2 n） = 0.796V/rad, N=30MHz/100KHz=300=0.707，n = 2 二 f R / 50 = 6.2850 kHz / 50

17、= 6280 rad / sKv = 4 10 7rad / sV , 選擇C = 0.VlF ,則R = KvKd /（N：C）二 0.7964 107 /（3001 106280 2） = 6.7kR2=2 /（ nC）= 20.707 /（62801 10 _7 2.2k11故：R1選用6.8K Q電阻，R2選用2.2K Q電阻。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中我們對(duì)電阻值做了 微調(diào)，使其性能達(dá)到最好。注：用LM358或OP27均可，參數(shù)一樣，效果也一樣。如果電路沒(méi)接錯(cuò)，芯片沒(méi)有壞的話，出來(lái)直流電平11v左右，示波器觀察（直流耦合），有1KHz左右紋波，屬正常現(xiàn)象。（在前面基礎(chǔ)上測(cè)試，信號(hào) fin從分頻

18、器輸入，經(jīng)過(guò)鑒相器 MC145152，輸入到環(huán)路濾波器，觀察出來(lái)的信號(hào)，若觀察不到信號(hào)，fin從63MHz變化到65MHz，應(yīng)該能觀察到紋波信號(hào)）。調(diào)試記錄： fin < 64MHz時(shí)，即欠鎖定狀態(tài)，濾波器輸出為一均方根值變化的直流電平，有紋波。fin > 64MHz時(shí)，即過(guò)鎖定狀態(tài)，濾波器輸出為零電平。4.壓控振蕩器Vco的調(diào)試根據(jù)所需頻率，計(jì)算選取合適的電感L。芯片上電，觀察3腳波形。如果波形不太好，調(diào)整電感的大小，或者在變?nèi)荻O管上加上12V的偏置電平。波形不好可能是諧振Q值太低，至少Q(mào)值100以上。偏置電壓，低波形也不太好，一般偏置電壓加到12V波形不太好就應(yīng)該考慮調(diào)整LC諧振的問(wèn)題了。CapGND0 luF GNDGNDGND調(diào)試注意事項(xiàng)：調(diào)試重難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)技巧：PLL的設(shè)計(jì)，鑒相器 MC145152和分頻器MC12017的調(diào)試都不是問(wèn)題。關(guān)鍵在于環(huán)路 濾波器的設(shè)計(jì)和壓控震蕩器的設(shè)計(jì)調(diào)試。鎖相環(huán)鎖定的頻率范圍是有限的，也就是濾波器輸出電壓的變化范圍是有限的。環(huán)路濾波器的輸出電平均方根值變化范圍V，在V的范圍內(nèi)，壓控振蕩器的頻率變化范圍為 f1f2，需要的頻率f0在fl