王永升++臧小杰

摘要：介紹了一款具有寬頻帶壓控振蕩器的頻率合成器TRF3765的功能特點(diǎn)。基于MSP430F169單片機(jī)的SPI通信和TRF3765的工作原理，給出了1090MHz本振源系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)用于ADS-B時鐘輸入。詳細(xì)介紹了TRF3765芯片的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用，并給出了完整的硬件電路和軟件程序。經(jīng)實(shí)物測試，該系統(tǒng)的性能指標(biāo)完全符合要求。

關(guān)鍵詞：壓控振蕩器；TRF3765；MSP430F169；SPI通信；1090MHz

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）29-0202-04

1 引言

在無線通信領(lǐng)域，本振信號性能的優(yōu)劣是影響混頻器輸出頻譜純度的主要因素[1]。

頻率合成技術(shù)作為現(xiàn)在電子系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對抗、定位導(dǎo)航、廣播電視、遙測遙控、儀器儀表等領(lǐng)域并得到了快速的發(fā)展。該技術(shù)是參考一個或多個高精度的離散頻率，對頻率進(jìn)行加、減、乘、除等一系列變換，產(chǎn)生同樣高精度的大量離散頻率[2-3]。本文運(yùn)用頻率合成技術(shù)設(shè)計一款能夠精確產(chǎn)生1090MHz頻率的本振源系統(tǒng)。

2 工作原理

2.1 TRF3765的工作原理

TRF3765 是一款寬頻帶整數(shù)、分?jǐn)?shù)頻率合成器，此合成器具有集成的寬頻帶壓控振蕩器 （VCO）。可編程輸出分壓器可實(shí)現(xiàn)300MHz至4.8GHz 頻率范圍的連續(xù)覆蓋。4個單獨(dú)的差分、開集 RF 輸出可在無外部分離器的情況下并行驅(qū)動多個器件。TRF3765也接受外部VCO輸入信號，并且可通過一個可編程控制輸出來實(shí)現(xiàn)開/關(guān)控制。TRF3765的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如

TRF3765的外部輸入頻率源有外部參考頻率源和外部壓控振蕩器頻率源。外部參考頻率經(jīng)過參考分頻器（R Div）生成內(nèi)部參考頻率，輸入到相位探測器；外部壓控振蕩器輸入端可以將此頻率作用在內(nèi)部壓控振蕩器上，供系統(tǒng)使用?？刂菩盘栍蓵r鐘信號（CLK）、 數(shù)據(jù)信號（DATA）和鎖存信號（STROBED）組成。寫操作時，在時鐘信號的控制下串行輸入32位數(shù)據(jù)信號， 暫存在32位移位寄存器中。在接收到鎖存信號后，輸入的32位數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達(dá)對應(yīng)的寄存器。讀操作時，首先完成一次對寄存器0的寫配置，設(shè)置寄存器0為讀模式以及指定將要讀取數(shù)據(jù)的寄存器；在時鐘信號的控制下，內(nèi)部的數(shù)據(jù)被傳遞到READBACK引腳。

TRF3765的鎖相環(huán)有兩種操作模式：整型模式和分?jǐn)?shù)模式[5]。如果所需的本振頻率是相頻探測器頻率的整數(shù)倍，整型模式可以被使用；否則運(yùn)用分?jǐn)?shù)模式。鎖相環(huán)環(huán)路圖表如圖2所示。

R分頻器將外部參考輸入頻率進(jìn)行分頻得到相位探測器的頻率。反饋環(huán)路由RF分頻器、預(yù)分頻器、NINT分頻器和NFRAC分頻器組成，壓控振蕩器輸出頻率經(jīng)過反饋回路輸入到相頻探測器，從而將頻率進(jìn)行鎖定。值得注意的是：TRF3765擁有八路本振頻率輸出端。

2.2系統(tǒng)的組成分析

頻率合成部分采用TRF3765芯片。TRF3765運(yùn)用25位分?jǐn)?shù)和整數(shù)鎖相環(huán)得到精確的0.5MHZ至350MHZ的頻率。

控制器部分采用TI公司的MSP430單片機(jī)。MSP430F169不僅具有超低功耗的特點(diǎn)，而且擁有硬件SPI與UART，通過SPI與UART分別實(shí)現(xiàn)與TRF3765和上位機(jī)的通訊。多種省電模式結(jié)合硬件SPI使MSP430能夠勝任工作。

操作顯示部分采用Visual Studio開發(fā)的上位機(jī)。該上位機(jī)將計算好的寄存器數(shù)據(jù)寫入TRF3765寄存器，并讀出寄存器的數(shù)值進(jìn)行核對。通過在調(diào)試端進(jìn)行配置，開發(fā)者可以縮短開發(fā)周期。

TRF3765的通信是通過3腳（DATA）接收數(shù)據(jù)，通過6腳（READBACK）送出寄存器數(shù)據(jù)，通過4腳（CLOCK）接收時鐘脈沖。MSP430F169采用硬件SPI實(shí)現(xiàn)對TRF3765的讀寫配置；采用硬件UART與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)可視化的調(diào)試。

3 TRF3765電路設(shè)計

3.1 環(huán)路濾波器

在實(shí)現(xiàn)低的閉環(huán)相位噪聲方面，環(huán)路濾波器的設(shè)計是至關(guān)重要的[4]。這里我們采用的是8M晶振作為參考輸入時鐘，經(jīng)過四分頻，得到fPFD為2MHZ。元件參數(shù)如表1所示，環(huán)路濾波器電路設(shè)計如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)最小的噪聲，環(huán)路濾波器設(shè)計了1.94mA的泵電流。

4 TRF3765軟件設(shè)計

4.1 時序分析

TRF3765以四線串行編程為特點(diǎn)，可以控制內(nèi)部的32位移位寄存器。它有三個信號端必須使用：時鐘信號引腳4、串行數(shù)據(jù)引腳3和鎖存使能引腳5。寄存器串行數(shù)據(jù)從最低位開始裝載，并在時鐘的上升沿寫入數(shù)據(jù)。鎖存使能端與時鐘信號同步；在它的上升沿，轉(zhuǎn)換寄存器的數(shù)據(jù)被裝載到內(nèi)部寄存器中。

通過初始化寄存器0，TRF3765可以讀回每一個串行編程接口寄存器的內(nèi)容。每一個讀操作由兩個階段組成：寫寄存器和讀寄存器。寫階段，在配置寄存器0，設(shè)置讀模式并選擇讀取的寄存器；在讀階段，TRF3765在時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到READBACK引腳，并穩(wěn)定于接下來的下降沿。寫時序如圖5所示，讀時序圖如圖6所示。

圖5 寫時序圖

圖6 讀時序圖

4.2 整型模式配置分析

這里采用8M有源晶振作為參考時鐘輸入源，期望得到的是輸出頻率是1090MHz，寄存器參數(shù)的配置與計算方法如下所示。

[fREF=8MHz]；[StepRF=2MHz]；[fRF=1090MHz]；VCO的配置范圍是2400MHz至4800MHz；因此，[LO_DIV_SEL=4]；[fVCO=LO_DIV_SEL*fRF=4360MHz]；為了使預(yù)分頻器的輸入頻率小于3000MHz，取[PLL_DIV_SEL=2]，得到[fPFD=fREF/PLL_DIV_SEL=2MHz]，最終我們得到其它的寄存器參數(shù)：

[RDIV=fREF/fPFD=4]；[NINT=（fVCO*RDIV）/（fREF*PLL_DIV_SEL）=1090]；

因?yàn)镹INT大于75，因此，選擇8/9預(yù)分頻器。

[fN，MAX=4360MHz/（2*8）=272.5MHz<375MHz]；滿足TRF3765配置要求。寄存器1至寄存器6的配置分別為：0X41100089、0X8A0884A、0X0B、0X4A00E00C、1DA6968D、5541100E。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4.3 TRF3765配置程序

SPI初始化操作：8位SPI主模式，時鐘源設(shè)置為SMCLK，三線模式，上升沿數(shù)據(jù)有效，設(shè)置時鐘頻率為4MHz。下面是TRF3765的寄存器配置和寄存器信息讀出程序。

void trf_wr（uchar com1，uchar com2，uchar com3，uchar com4）

{

uchar i；

uchar frame[4]；

frame[0]=com1；frame[1]=com2；frame[2]=com3；frame[3]=com4；

for（i=0；i<4；i++）

{

SPI_SER（0）；

trf_latch_l；

trf_latch_h；

trf_latch_l；

while （?。↖FG1 & UTXIFG0））；

TXBUF0=frame[i]；

trf_latch_h；

trf_latch_l；

}

}

void trf_config（void）

{

trf_wr（0x89，0x00，0x10，0x41）；

trf_wr（0x0B，0x00，0x00，0x00）；

trf_wr（0x0C，0x00，0x00，0x4A）；

trf_wr（0x8D，0x96，0xA6，0x1D）；

trf_wr（0x0E，0x10，0x41，0x55）；

trf_wr（0x0A，0x99，0x80，0x08）；

}

uchar trf_rd（uchar com1）

{

uchar i，j；

uchar frame；

frame=com1；

for（i=0；i<6；i++）

{

SPI_SER（0）；

SPISENDBYTE（0x08，0x00，0x00，0xc0，frame）；

SPI_SER（1）；

trf_latch_h；

trf_clock_h；

trf_clock_l；

trf_latch_l；

SPI_SER（0）；

for（j=0；j<6；j++）

{

while （！（IFG1 & UTXIFG0））；

com[j]=RXBUF0；

}

}

}

5 總結(jié)

設(shè)計中有兩點(diǎn)必須注意：因?yàn)楫?dāng)寄存器2的第31位被寫入后，TRF3765配置便會進(jìn)行更新，所以寄存器2應(yīng)該最后配置，其他的寄存器首先配置；輸入?yún)⒖紩r鐘往往不是整數(shù)，要得到準(zhǔn)確的輸出頻率只能夠借助分?jǐn)?shù)模式進(jìn)行調(diào)整。

本文介紹了利用具有壓控振蕩器的頻率合成器TRF3765實(shí)現(xiàn)1090MHZ頻率本振信號源的設(shè)計，提供了具體的硬件設(shè)計、寄存器參數(shù)、設(shè)計算法以及部分程序代碼。實(shí)驗(yàn)測試得到的相位噪聲為-117dBc/ Hz @1 kHz ， 達(dá)到了基本標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)門RF3765 采用四線串行通信方式，單片機(jī)可以通過SPI與TRF3765進(jìn)行通信。因此，該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計簡單，串口讀寫易于調(diào)試、功耗非常低，可以在射頻電路系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 張厥勝，曹麗娜.鎖相與頻率合成技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1995 .

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[5] Texas Instruments. Integer-N/Fractional-N PLL with Integrated VCO Datasheet[Z].2011-2013.