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基于AT89C2051單片機控制LMX2332的頻率合成器設計方案

來源： elecfans

2021-11-18

類別：工業控制

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拍明

原標題：基于AT89C2051控制LMX2332的頻率合成器設計方案

引言

頻率合成器是現代無線通信、雷達、測量儀器等領域的核心組成部分，其性能直接決定了整個系統的穩定性和精度。本設計方案旨在詳細闡述基于AT89C2051單片機控制LMX2332集成頻率合成器芯片實現特定頻率輸出的原理、硬件設計、軟件編程及關鍵元器件選型。通過精確控制LMX2332，我們能夠生成穩定、可編程的射頻信號，滿足不同應用場景的需求。AT89C2051單片機憑借其小巧的體積、豐富的外設和成熟的開發環境，成為控制LMX2332的理想選擇。本方案將深入探討系統整體架構、各模塊功能、元器件選型原則及具體型號，旨在為讀者提供一個全面、深入的頻率合成器設計指南。我們將重點討論如何優化系統性能，包括頻率穩定度、相位噪聲、雜散抑制等關鍵指標，并提供詳細的電路設計和軟件實現細節。

1. 系統總體方案設計

本頻率合成器系統主要由以下幾個核心模塊組成：

AT89C2051單片機控制模塊： 負責系統初始化、用戶指令解析、LMX2332編程控制、LED顯示以及鍵盤輸入處理等。它是整個系統的“大腦”，協調各部分協同工作。
LMX2332頻率合成器模塊： 是本設計的核心，負責產生射頻信號。LMX2332內部集成了鑒相器、電荷泵、分頻器等關鍵電路。
壓控振蕩器（VCO）模塊： 為LMX2332提供可調頻率的振蕩信號，其輸出頻率受LMX2332電荷泵輸出電壓的控制。
環路濾波器模塊： 連接LMX2332的電荷泵輸出和VCO的調諧輸入端，用于濾除鑒相器輸出的開關噪聲，平滑控制電壓，保證VCO的穩定工作。
參考時鐘源模塊： 為LMX2332和AT89C2051提供精確的時鐘基準，通常采用晶體振蕩器。
電源模塊： 為系統各模塊提供穩定、干凈的直流電源。
人機交互模塊： 包括鍵盤（或按鍵）用于輸入頻率指令，LED顯示屏（或數碼管）用于顯示當前頻率或工作狀態。

2. 核心元器件詳解與選型

2.1 AT89C2051單片機

作用： AT89C2051是一款高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，兼容標準MCS-51指令集。在本設計中，它作為主控制器，負責：

通過三線SPI接口（或軟件模擬SPI）對LMX2332進行編程，設置其分頻比。
讀取鍵盤輸入，解析用戶輸入的頻率指令。
控制LED顯示屏，顯示當前設定的頻率或工作狀態。
管理系統上電復位和看門狗定時器。

選擇原因：

低成本和易于獲取： AT89C2051是一款非常成熟和廣泛應用的單片機，價格低廉，市面上供應充足。
體積小巧： 20引腳的封裝非常適合小型化設計。
豐富的I/O端口： 盡管引腳數量不多，但其I/O端口足以滿足LMX2332的控制、鍵盤輸入和LED顯示的需求。
成熟的開發環境： 相關的開發工具（如Keil C51）和編程器都非常成熟和易用。
功耗較低： 對于便攜式或對功耗有要求的應用，AT89C2051的低功耗特性是一個優勢。

功能：

2KB Flash存儲器，可擦寫1000次。
128字節RAM。
20個可編程I/O引腳。
兩個16位定時器/計數器。
全雙工UART串行口（雖然在本設計中主要通過I/O口模擬SPI）。
內部振蕩器，可選擇外部晶振。
低功耗空閑和掉電模式。

2.2 LMX2332頻率合成器

作用： LMX2332是美國國家半導體（National Semiconductor，現已被TI收購）生產的雙PLL頻率合成器，包含兩個獨立的鑒相器/電荷泵，能夠產生高達2.6 GHz的射頻信號。它內部集成了參考分頻器、N分頻器、鑒相器和電荷泵。

參考分頻器（R計數器）： 對參考頻率進行分頻，得到鑒相頻率。
N分頻器： 對VCO輸出頻率進行分頻，同樣得到鑒相頻率。
鑒相器： 比較參考頻率和N分頻器輸出頻率的相位差，并產生誤差電壓。
電荷泵： 將鑒相器輸出的數字誤差信號轉換為模擬電壓，作為環路濾波器的輸入。

選擇原因：

高集成度： LMX2332集成了雙PLL，減少了外部元件數量，簡化了電路設計。
高頻率范圍： 能夠覆蓋從幾十MHz到2.6GHz的頻率范圍，適用于多種應用。
低相位噪聲： 優秀的相位噪聲指標對于通信系統至關重要。
可編程性： 通過串行數據接口（SPI兼容），可以方便地對分頻比進行編程，實現頻率的靈活設置。
成熟可靠： 作為一款經典的頻率合成器芯片，其性能穩定可靠，有大量的應用案例。

功能：

雙小數N/整數N PLL頻率合成器。
最高輸入頻率達2.6 GHz。
低功耗，典型工作電流約10 mA。
高分辨率，可實現精細的頻率步進。
寬工作電壓范圍。
支持SPI兼容串行數據接口。

2.3 壓控振蕩器（VCO）

作用： VCO是一種將電壓轉換為頻率的器件。在本設計中，VCO的輸出頻率由LMX2332環路濾波器輸出的控制電壓決定。它是射頻信號的直接產生者。
選擇原因：

頻率覆蓋范圍： 選取的VCO應能覆蓋目標頻率范圍，且調諧電壓范圍與LMX2332的電荷泵輸出電壓范圍匹配。
相位噪聲： 良好的相位噪聲特性是VCO的關鍵指標，直接影響頻率合成器的輸出信號質量。
輸出功率： 滿足系統對射頻輸出功率的要求。
調諧靈敏度： 調諧曲線應相對平坦，避免在某些點出現大的跳變。
封裝和尺寸： 適合整體電路板布局。

優選元器件型號：

Hittite HMC431LP4E： 這是一款高性能SMT封裝VCO，具有良好的相位噪聲和寬調諧范圍，適合多種射頻應用。其調諧電壓范圍和輸出頻率范圍較為廣泛，能夠滿足不同需求。
Mini-Circuits POS系列VCO： Mini-Circuits提供一系列寬頻帶、低相位噪聲的VCO，如POS-200、POS-400等，可根據所需頻率范圍選擇。這些VCO通常具有良好的線性度和溫度穩定性。
Analog Devices ADF4351/ADF4350集成的VCO： 如果對集成度要求更高，也可以考慮像ADF4351/ADF4350這類內部集成了VCO的PLL芯片，但其控制方式和成本會與LMX2332有所不同。

功能： 將輸入的控制電壓轉換為相應的射頻輸出頻率。

2.4 環路濾波器

作用： 環路濾波器是頻率合成器中的關鍵無源器件，它連接LMX2332的電荷泵輸出和VCO的調諧輸入端。其主要功能是：

濾除鑒相器輸出的紋波： 鑒相器和電荷泵的輸出是脈沖形式的，環路濾波器可以平滑這些脈沖，產生穩定的直流控制電壓。
決定環路帶寬和鎖定時間： 環路帶寬決定了頻率合成器的響應速度和對VCO噪聲的抑制能力。
抑制相位噪聲和雜散： 優化環路濾波器設計可以有效抑制系統內的相位噪聲和雜散信號。

選擇原因：

無源元件構成： 通常由電阻、電容、電感（或只用電阻、電容）組成，設計相對靈活。
可調性： 通過調整元件參數可以改變環路帶寬、阻尼系數等，優化系統性能。
穩定性： 選用高品質、溫度特性良好的無源元件，確保濾波器性能穩定。

優選元器件型號：

陶瓷電容器（C0G/NP0介質）： 對于環路濾波器中的關鍵電容，尤其是對溫度穩定性要求高的電容，強烈推薦使用C0G/NP0介質的陶瓷電容器（如Murata GRM系列或KEMET C0G系列）。它們具有極低的溫度系數和高Q值，能夠有效減少溫度漂移和損耗。
鉭電容器或X7R介質陶瓷電容器： 對于容量較大的旁路或儲能電容，可以考慮使用X7R介質的陶瓷電容器或鉭電容器。但需要注意X7R電容的溫度系數和電壓特性。
電阻器： 建議選用金屬膜電阻器（如ROHM MCR18系列或YAGEO RC系列），其精度高、溫度系數小、噪聲低，有助于提高環路穩定性。具體阻值根據環路帶寬和相位裕度計算確定。
電容器：
電感器（如果需要）： 在某些高階環路濾波器設計中可能需要電感器，應選擇高Q值、低直流電阻的貼片電感（如Coilcraft 0603/0805HP系列）。

功能： 將鑒相器/電荷泵輸出的脈沖信號轉換為平滑的直流控制電壓，并決定PLL的動態特性。

2.5 參考時鐘源

作用： 為LMX2332和AT89C2051提供精確、穩定的時鐘基準。參考時鐘的穩定性和相位噪聲直接影響頻率合成器輸出的性能。
選擇原因：

頻率精度和穩定性： 越高的頻率精度和穩定性，合成器輸出的頻率越準確。
相位噪聲： 低相位噪聲的參考源有助于降低整個頻率合成器的相位噪聲。
溫度穩定性： 對于溫度變化較大的環境，應選擇溫度穩定性好的晶體振蕩器。

優選元器件型號：

石英晶體振蕩器（XTAL）： 對于成本敏感或精度要求不是極致的應用，普通的無源晶振（如4MHz、10MHz、20MHz等，根據LMX2332所需參考頻率和AT89C2051的工作頻率選擇）配合AT89C2051內部振蕩電路即可。例如，EPSON SG-210STF系列晶振。
溫補晶體振蕩器（TCXO）： 當對頻率穩定度和相位噪聲有更高要求時，應選用TCXO。TCXO內部集成了溫度補償電路，能夠顯著提高頻率在溫度變化范圍內的穩定性。例如，Connor-Winfield CWX系列TCXO或NDK NZ2520SB系列TCXO。
恒溫晶體振蕩器（OCXO）： 對于最高級別的頻率穩定度要求，例如在基站或高精度測量設備中，會選用OCXO。OCXO內部有恒溫控制電路，將晶體保持在恒定溫度，從而達到極高的頻率穩定度。例如，Vectron International FX-100系列OCXO。

功能： 提供系統精確的時鐘基準。

2.6 電源模塊

作用： 為AT89C2051、LMX2332、VCO等提供穩定、低噪聲的直流電源。電源的質量直接影響整個系統的性能。
選擇原因：

輸出電壓： 滿足各模塊的工作電壓要求（如LMX2332通常為3.3V或5V，AT89C2051通常為5V）。
輸出電流： 滿足各模塊的總電流消耗。
紋波和噪聲： 低紋波和噪聲的電源有助于提高射頻信號的純凈度。
穩壓精度： 確保輸出電壓的穩定性。
效率和散熱： 對于大電流應用，考慮電源轉換效率和散熱問題。

優選元器件型號：

大容量電解電容（如Nichicon UFW系列或Panasonic FC系列）： 用于輸入端的儲能和低頻濾波。
中小容量陶瓷電容（如Murata GRM系列或KEMET C0G/X7R系列）： 用于高頻去耦，應盡可能靠近芯片電源引腳放置。典型的組合是10μF電解電容并聯0.1μF和1000pF的陶瓷電容。
低壓差線性穩壓器（LDO）推薦：
Analog Devices ADP150系列（如ADP150AUJZ-3.3）： 具有極低的輸出噪聲（9μV RMS）和高PSRR（70dB @ 10kHz），非常適合為敏感的射頻電路供電。
Texas Instruments TPS7A4700/TPS7A4900系列： 具有超低噪聲（4μV RMS）和高PSRR，適合為高性能VCO和PLL供電。
Microchip MCP1700/MCP1702系列： 成本較低，適合一般數字電路供電，但噪聲可能略高。
線性穩壓器（LDO）： 對于對噪聲和紋波要求高、電流不大的應用，**線性穩壓器（LDO）**是優選。LDO具有非常低的輸出噪聲和優秀的紋波抑制比。
電源濾波電容： 在LDO的輸入和輸出端，以及各個芯片的電源引腳附近，都需要并聯去耦電容。

功能： 提供穩定的直流電壓供各模塊工作。

2.7 人機交互模塊（LED顯示和按鍵）

作用：

LED顯示： 通常使用數碼管或LCD屏顯示當前頻率、工作模式、錯誤信息等。
按鍵： 用戶通過按鍵輸入目標頻率、切換模式等。

選擇原因：

顯示清晰度： 數碼管簡單直觀，LCD屏信息量更大。
易于編程： 與AT89C2051的接口簡單。
成本： 滿足預算要求。

優選元器件型號：

共陰/共陽數碼管（如F5631BH或F5631AH）： 4位或6位，通過AT89C2051的I/O口進行段碼和位選控制。
TM1637驅動芯片： 如果需要更少的單片機I/O口來驅動數碼管，可以考慮使用TM1637等集成了驅動和鍵盤掃描功能的芯片。
數碼管：
按鍵： 輕觸按鍵（如Kailh KSC系列），小巧、可靠，成本低。

3. 硬件電路設計

3.1 AT89C2051最小系統

晶振電路： AT89C2051的XTAL1和XTAL2引腳接外部晶振（例如11.0592MHz或12MHz）和兩個30pF左右的電容，構成振蕩電路。
復位電路： 通過一個RC網絡（如10kΩ電阻和10μF電容）或專用復位芯片（如MAX811）實現上電復位。
電源： 5V供電，并在電源引腳旁并聯100nF去耦電容。

3.2 LMX2332控制電路

電源： LMX2332需要獨立的數字電源（VDD）和模擬電源（VCC），通常為3.3V或5V。建議使用獨立的LDO為LMX2332的模擬電源供電，以降低噪聲。在每個電源引腳附近放置多層陶瓷去耦電容，例如10nF和100nF。
SPI接口： LMX2332通過CLK、DATA和LE（鎖存使能）引腳與AT89C2051通信。AT89C2051通過軟件模擬SPI時序，向LMX2332發送19位（或根據手冊所需位數）的控制字，設置R分頻器和N分頻器的值。

CLK (P1.0): 串行時鐘輸出
DATA (P1.1): 串行數據輸出
LE (P1.2): 鎖存使能，高電平有效

參考輸入： REF_IN引腳連接外部參考時鐘源。通常需要通過隔直流電容（如10nF）接入。
RFOUT A/B： 射頻輸出引腳。通常需要經過匹配網絡（如50Ω匹配）和隔直流電容。

3.3 VCO與環路濾波器連接

VCO調諧輸入： VCO的調諧電壓輸入引腳連接到環路濾波器的輸出端。
VCO電源： 為VCO提供穩定的電源，通常需要額外的低噪聲LDO進行單獨供電。
VCO輸出： VCO的射頻輸出通過射頻連接器（如SMA）引出。在輸出端通常需要匹配網絡（如π型或T型匹配網絡）將VCO的輸出阻抗匹配到50Ω。
環路濾波器： 采用無源三階或四階RC濾波器。具體的R、C值通過PLL設計軟件（如ADI的ADIsimPLL或TI的PLLatinum Sim）計算得到，以優化環路帶寬、相位裕度和雜散抑制。

3.4 PCB布局建議

地線： 采用大面積接地，尤其是射頻部分，減少地環路干擾。模擬地和數字地應單獨分區，并通過單點連接或磁珠隔離。
電源線： 走線要短而粗，減少壓降。在電源引腳附近放置去耦電容。
射頻走線： 射頻信號線（如VCO輸出、參考輸入）應采用50Ω微帶線或帶狀線，避免銳角彎折，盡量短而直。
敏感信號： LMX2332的模擬部分和VCO應遠離數字電路，減少數字噪聲對射頻性能的影響。
元件布局： LMX2332、VCO和環路濾波器應緊密布局，減少寄生電感和電容。

4. 軟件設計

4.1 頻率計算

LMX2332的輸出頻率 Fout 由以下公式決定：Fout=Fref×N/R其中：

Fref 是參考時鐘頻率。
R 是參考分頻器分頻比。
N 是主分頻器分頻比。

單片機需要根據用戶輸入的 Fout，結合 Fref 和預設的 R 值，計算出相應的 N 值。由于LMX2332支持小數N分頻，可以實現更精細的頻率步進，但通常為了簡化設計，會先考慮整數N分頻。

4.2 LMX2332寄存器編程

LMX2332通過串行接口寫入控制字來設置其內部寄存器。通常包括：

R寄存器： 設置參考分頻比R。
N寄存器： 設置主分頻比N。
功能寄存器： 設置電荷泵電流、鑒相器極性、省電模式等。

單片機需要編寫串行通信子程序（模擬SPI），按照LMX2332數據手冊中的時序要求，將計算出的R、N值和功能設置寫入對應的寄存器。

4.3 鍵盤輸入和顯示

鍵盤掃描： 采用矩陣鍵盤或獨立按鍵，通過單片機I/O口掃描，識別按鍵輸入。
頻率解析： 將用戶輸入的數字（例如123.456 MHz）解析為對應的LMX2332可編程的N值。
LED顯示驅動： 編寫數碼管顯示驅動程序，將當前設定的頻率或工作狀態顯示在數碼管上。

4.4 主程序流程

系統初始化：

單片機I/O口初始化。
定時器初始化。
LMX2332上電復位，并初始化其寄存器（設置一個默認頻率）。

主循環：

掃描鍵盤輸入。
如果檢測到按鍵，則處理按鍵事件（如輸入頻率、模式切換）。
根據用戶輸入，計算LMX2332的R、N值。
通過模擬SPI接口，編程LMX2332。
更新LED顯示。
延時或等待中斷。

5. 性能指標分析與優化

5.1 頻率穩定度

影響因素： 參考時鐘源的穩定度（TCXO/OCXO）、VCO的溫度特性、環路濾波器元件的溫度特性、電源電壓穩定性。
優化方法：

選用高精度、高穩定度的晶體振蕩器（TCXO或OCXO）。
為VCO和LMX2332提供穩定的低噪聲電源（LDO）。
選擇低溫度系數的環路濾波器元件。

5.2 相位噪聲

影響因素： 參考時鐘源的相位噪聲、LMX2332本身的鑒相器噪聲和分頻器噪聲、VCO的相位噪聲、環路濾波器帶寬。
優化方法：

選用低相位噪聲的參考時鐘源和VCO。
優化環路濾波器設計，合理選擇環路帶寬。在環路帶寬內，參考源和鑒相器的噪聲是主導；在環路帶寬外，VCO的噪聲是主導。
為LMX2332和VCO提供超低噪聲電源。
良好的PCB布局，降低耦合噪聲。

5.3 雜散抑制

影響因素： 鑒相器輸出的紋波、VCO的非線性、電源噪聲、數字噪聲耦合。
優化方法：

優化環路濾波器設計，提高對鑒相器輸出紋波的抑制能力。
為射頻敏感器件提供獨立、潔凈的電源。
良好的接地和屏蔽，將數字噪聲與射頻部分隔離。
選擇低諧波失真的VCO。

5.4 鎖定時間

影響因素： 環路帶寬、鑒相器增益、VCO調諧范圍。
優化方法： 適當增加環路帶寬可以縮短鎖定時間，但會犧牲對VCO噪聲的抑制能力。需要進行權衡。

6. 總結與展望

本設計方案詳細闡述了基于AT89C2051單片機控制LMX2332頻率合成器的實現原理、硬件設計、軟件編程及關鍵元器件選型。通過精心選擇元器件、優化電路布局和軟件算法，我們可以構建一個性能穩定、可編程的頻率合成器。在實際應用中，還需要結合具體的頻率范圍、輸出功率、相位噪聲、雜散抑制和成本等要求，進行更為細致的參數調整和優化。未來的設計可以考慮：