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基于AT89C2051单片机控制LMX2332的频率合成器设计方案

来源： elecfans

2021-11-18

类别：工业控制

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拍明

原标题：基于AT89C2051控制LMX2332的频率合成器设计方案

引言

频率合成器是现代无线通信、雷达、测量仪器等领域的核心组成部分，其性能直接决定了整个系统的稳定性和精度。本设计方案旨在详细阐述基于AT89C2051单片机控制LMX2332集成频率合成器芯片实现特定频率输出的原理、硬件设计、软件编程及关键元器件选型。通过精确控制LMX2332，我们能够生成稳定、可编程的射频信号，满足不同应用场景的需求。AT89C2051单片机凭借其小巧的体积、丰富的外设和成熟的开发环境，成为控制LMX2332的理想选择。本方案将深入探讨系统整体架构、各模块功能、元器件选型原则及具体型号，旨在为读者提供一个全面、深入的频率合成器设计指南。我们将重点讨论如何优化系统性能，包括频率稳定度、相位噪声、杂散抑制等关键指标，并提供详细的电路设计和软件实现细节。

1. 系统总体方案设计

本频率合成器系统主要由以下几个核心模块组成：

AT89C2051单片机控制模块： 负责系统初始化、用户指令解析、LMX2332编程控制、LED显示以及键盘输入处理等。它是整个系统的“大脑”，协调各部分协同工作。
LMX2332频率合成器模块： 是本设计的核心，负责产生射频信号。LMX2332内部集成了鉴相器、电荷泵、分频器等关键电路。
压控振荡器（VCO）模块： 为LMX2332提供可调频率的振荡信号，其输出频率受LMX2332电荷泵输出电压的控制。
环路滤波器模块： 连接LMX2332的电荷泵输出和VCO的调谐输入端，用于滤除鉴相器输出的开关噪声，平滑控制电压，保证VCO的稳定工作。
参考时钟源模块： 为LMX2332和AT89C2051提供精确的时钟基准，通常采用晶体振荡器。
电源模块： 为系统各模块提供稳定、干净的直流电源。
人机交互模块： 包括键盘（或按键）用于输入频率指令，LED显示屏（或数码管）用于显示当前频率或工作状态。

2. 核心元器件详解与选型

2.1 AT89C2051单片机

作用： AT89C2051是一款高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，兼容标准MCS-51指令集。在本设计中，它作为主控制器，负责：

通过三线SPI接口（或软件模拟SPI）对LMX2332进行编程，设置其分频比。
读取键盘输入，解析用户输入的频率指令。
控制LED显示屏，显示当前设定的频率或工作状态。
管理系统上电复位和看门狗定时器。

选择原因：

低成本和易于获取： AT89C2051是一款非常成熟和广泛应用的单片机，价格低廉，市面上供应充足。
体积小巧： 20引脚的封装非常适合小型化设计。
丰富的I/O端口： 尽管引脚数量不多，但其I/O端口足以满足LMX2332的控制、键盘输入和LED显示的需求。
成熟的开发环境： 相关的开发工具（如Keil C51）和编程器都非常成熟和易用。
功耗较低： 对于便携式或对功耗有要求的应用，AT89C2051的低功耗特性是一个优势。

功能：

2KB Flash存储器，可擦写1000次。
128字节RAM。
20个可编程I/O引脚。
两个16位定时器/计数器。
全双工UART串行口（虽然在本设计中主要通过I/O口模拟SPI）。
内部振荡器，可选择外部晶振。
低功耗空闲和掉电模式。

2.2 LMX2332频率合成器

作用： LMX2332是美国国家半导体（National Semiconductor，现已被TI收购）生产的双PLL频率合成器，包含两个独立的鉴相器/电荷泵，能够产生高达2.6 GHz的射频信号。它内部集成了参考分频器、N分频器、鉴相器和电荷泵。

参考分频器（R计数器）： 对参考频率进行分频，得到鉴相频率。
N分频器： 对VCO输出频率进行分频，同样得到鉴相频率。
鉴相器： 比较参考频率和N分频器输出频率的相位差，并产生误差电压。
电荷泵： 将鉴相器输出的数字误差信号转换为模拟电压，作为环路滤波器的输入。

选择原因：

高集成度： LMX2332集成了双PLL，减少了外部元件数量，简化了电路设计。
高频率范围： 能够覆盖从几十MHz到2.6GHz的频率范围，适用于多种应用。
低相位噪声： 优秀的相位噪声指标对于通信系统至关重要。
可编程性： 通过串行数据接口（SPI兼容），可以方便地对分频比进行编程，实现频率的灵活设置。
成熟可靠： 作为一款经典的频率合成器芯片，其性能稳定可靠，有大量的应用案例。

功能：

双小数N/整数N PLL频率合成器。
最高输入频率达2.6 GHz。
低功耗，典型工作电流约10 mA。
高分辨率，可实现精细的频率步进。
宽工作电压范围。
支持SPI兼容串行数据接口。

2.3 压控振荡器（VCO）

作用： VCO是一种将电压转换为频率的器件。在本设计中，VCO的输出频率由LMX2332环路滤波器输出的控制电压决定。它是射频信号的直接产生者。
选择原因：

频率覆盖范围： 选取的VCO应能覆盖目标频率范围，且调谐电压范围与LMX2332的电荷泵输出电压范围匹配。
相位噪声： 良好的相位噪声特性是VCO的关键指标，直接影响频率合成器的输出信号质量。
输出功率： 满足系统对射频输出功率的要求。
调谐灵敏度： 调谐曲线应相对平坦，避免在某些点出现大的跳变。
封装和尺寸： 适合整体电路板布局。

优选元器件型号：

Hittite HMC431LP4E： 这是一款高性能SMT封装VCO，具有良好的相位噪声和宽调谐范围，适合多种射频应用。其调谐电压范围和输出频率范围较为广泛，能够满足不同需求。
Mini-Circuits POS系列VCO： Mini-Circuits提供一系列宽频带、低相位噪声的VCO，如POS-200、POS-400等，可根据所需频率范围选择。这些VCO通常具有良好的线性度和温度稳定性。
Analog Devices ADF4351/ADF4350集成的VCO： 如果对集成度要求更高，也可以考虑像ADF4351/ADF4350这类内部集成了VCO的PLL芯片，但其控制方式和成本会与LMX2332有所不同。

功能： 将输入的控制电压转换为相应的射频输出频率。

2.4 环路滤波器

作用： 环路滤波器是频率合成器中的关键无源器件，它连接LMX2332的电荷泵输出和VCO的调谐输入端。其主要功能是：

滤除鉴相器输出的纹波： 鉴相器和电荷泵的输出是脉冲形式的，环路滤波器可以平滑这些脉冲，产生稳定的直流控制电压。
决定环路带宽和锁定时间： 环路带宽决定了频率合成器的响应速度和对VCO噪声的抑制能力。
抑制相位噪声和杂散： 优化环路滤波器设计可以有效抑制系统内的相位噪声和杂散信号。

选择原因：

无源元件构成： 通常由电阻、电容、电感（或只用电阻、电容）组成，设计相对灵活。
可调性： 通过调整元件参数可以改变环路带宽、阻尼系数等，优化系统性能。
稳定性： 选用高品质、温度特性良好的无源元件，确保滤波器性能稳定。

优选元器件型号：

陶瓷电容器（C0G/NP0介质）： 对于环路滤波器中的关键电容，尤其是对温度稳定性要求高的电容，强烈推荐使用C0G/NP0介质的陶瓷电容器（如Murata GRM系列或KEMET C0G系列）。它们具有极低的温度系数和高Q值，能够有效减少温度漂移和损耗。
钽电容器或X7R介质陶瓷电容器： 对于容量较大的旁路或储能电容，可以考虑使用X7R介质的陶瓷电容器或钽电容器。但需要注意X7R电容的温度系数和电压特性。
电阻器： 建议选用金属膜电阻器（如ROHM MCR18系列或YAGEO RC系列），其精度高、温度系数小、噪声低，有助于提高环路稳定性。具体阻值根据环路带宽和相位裕度计算确定。
电容器：
电感器（如果需要）： 在某些高阶环路滤波器设计中可能需要电感器，应选择高Q值、低直流电阻的贴片电感（如Coilcraft 0603/0805HP系列）。

功能： 将鉴相器/电荷泵输出的脉冲信号转换为平滑的直流控制电压，并决定PLL的动态特性。

2.5 参考时钟源

作用： 为LMX2332和AT89C2051提供精确、稳定的时钟基准。参考时钟的稳定性和相位噪声直接影响频率合成器输出的性能。
选择原因：

频率精度和稳定性： 越高的频率精度和稳定性，合成器输出的频率越准确。
相位噪声： 低相位噪声的参考源有助于降低整个频率合成器的相位噪声。
温度稳定性： 对于温度变化较大的环境，应选择温度稳定性好的晶体振荡器。

优选元器件型号：

石英晶体振荡器（XTAL）： 对于成本敏感或精度要求不是极致的应用，普通的无源晶振（如4MHz、10MHz、20MHz等，根据LMX2332所需参考频率和AT89C2051的工作频率选择）配合AT89C2051内部振荡电路即可。例如，EPSON SG-210STF系列晶振。
温补晶体振荡器（TCXO）： 当对频率稳定度和相位噪声有更高要求时，应选用TCXO。TCXO内部集成了温度补偿电路，能够显著提高频率在温度变化范围内的稳定性。例如，Connor-Winfield CWX系列TCXO或NDK NZ2520SB系列TCXO。
恒温晶体振荡器（OCXO）： 对于最高级别的频率稳定度要求，例如在基站或高精度测量设备中，会选用OCXO。OCXO内部有恒温控制电路，将晶体保持在恒定温度，从而达到极高的频率稳定度。例如，Vectron International FX-100系列OCXO。

功能： 提供系统精确的时钟基准。

2.6 电源模块

作用： 为AT89C2051、LMX2332、VCO等提供稳定、低噪声的直流电源。电源的质量直接影响整个系统的性能。
选择原因：

输出电压： 满足各模块的工作电压要求（如LMX2332通常为3.3V或5V，AT89C2051通常为5V）。
输出电流： 满足各模块的总电流消耗。
纹波和噪声： 低纹波和噪声的电源有助于提高射频信号的纯净度。
稳压精度： 确保输出电压的稳定性。
效率和散热： 对于大电流应用，考虑电源转换效率和散热问题。

优选元器件型号：

大容量电解电容（如Nichicon UFW系列或Panasonic FC系列）： 用于输入端的储能和低频滤波。
中小容量陶瓷电容（如Murata GRM系列或KEMET C0G/X7R系列）： 用于高频去耦，应尽可能靠近芯片电源引脚放置。典型的组合是10μF电解电容并联0.1μF和1000pF的陶瓷电容。
低压差线性稳压器（LDO）推荐：
Analog Devices ADP150系列（如ADP150AUJZ-3.3）： 具有极低的输出噪声（9μV RMS）和高PSRR（70dB @ 10kHz），非常适合为敏感的射频电路供电。
Texas Instruments TPS7A4700/TPS7A4900系列： 具有超低噪声（4μV RMS）和高PSRR，适合为高性能VCO和PLL供电。
Microchip MCP1700/MCP1702系列： 成本较低，适合一般数字电路供电，但噪声可能略高。
线性稳压器（LDO）： 对于对噪声和纹波要求高、电流不大的应用，**线性稳压器（LDO）**是优选。LDO具有非常低的输出噪声和优秀的纹波抑制比。
电源滤波电容： 在LDO的输入和输出端，以及各个芯片的电源引脚附近，都需要并联去耦电容。

功能： 提供稳定的直流电压供各模块工作。

2.7 人机交互模块（LED显示和按键）

作用：

LED显示： 通常使用数码管或LCD屏显示当前频率、工作模式、错误信息等。
按键： 用户通过按键输入目标频率、切换模式等。

选择原因：

显示清晰度： 数码管简单直观，LCD屏信息量更大。
易于编程： 与AT89C2051的接口简单。
成本： 满足预算要求。

优选元器件型号：

共阴/共阳数码管（如F5631BH或F5631AH）： 4位或6位，通过AT89C2051的I/O口进行段码和位选控制。
TM1637驱动芯片： 如果需要更少的单片机I/O口来驱动数码管，可以考虑使用TM1637等集成了驱动和键盘扫描功能的芯片。
数码管：
按键： 轻触按键（如Kailh KSC系列），小巧、可靠，成本低。

3. 硬件电路设计

3.1 AT89C2051最小系统

晶振电路： AT89C2051的XTAL1和XTAL2引脚接外部晶振（例如11.0592MHz或12MHz）和两个30pF左右的电容，构成振荡电路。
复位电路： 通过一个RC网络（如10kΩ电阻和10μF电容）或专用复位芯片（如MAX811）实现上电复位。
电源： 5V供电，并在电源引脚旁并联100nF去耦电容。

3.2 LMX2332控制电路

电源： LMX2332需要独立的数字电源（VDD）和模拟电源（VCC），通常为3.3V或5V。建议使用独立的LDO为LMX2332的模拟电源供电，以降低噪声。在每个电源引脚附近放置多层陶瓷去耦电容，例如10nF和100nF。
SPI接口： LMX2332通过CLK、DATA和LE（锁存使能）引脚与AT89C2051通信。AT89C2051通过软件模拟SPI时序，向LMX2332发送19位（或根据手册所需位数）的控制字，设置R分频器和N分频器的值。

CLK (P1.0): 串行时钟输出
DATA (P1.1): 串行数据输出
LE (P1.2): 锁存使能，高电平有效

参考输入： REF_IN引脚连接外部参考时钟源。通常需要通过隔直流电容（如10nF）接入。
RFOUT A/B： 射频输出引脚。通常需要经过匹配网络（如50Ω匹配）和隔直流电容。

3.3 VCO与环路滤波器连接

VCO调谐输入： VCO的调谐电压输入引脚连接到环路滤波器的输出端。
VCO电源： 为VCO提供稳定的电源，通常需要额外的低噪声LDO进行单独供电。
VCO输出： VCO的射频输出通过射频连接器（如SMA）引出。在输出端通常需要匹配网络（如π型或T型匹配网络）将VCO的输出阻抗匹配到50Ω。
环路滤波器： 采用无源三阶或四阶RC滤波器。具体的R、C值通过PLL设计软件（如ADI的ADIsimPLL或TI的PLLatinum Sim）计算得到，以优化环路带宽、相位裕度和杂散抑制。

3.4 PCB布局建议

地线： 采用大面积接地，尤其是射频部分，减少地环路干扰。模拟地和数字地应单独分区，并通过单点连接或磁珠隔离。
电源线： 走线要短而粗，减少压降。在电源引脚附近放置去耦电容。
射频走线： 射频信号线（如VCO输出、参考输入）应采用50Ω微带线或带状线，避免锐角弯折，尽量短而直。
敏感信号： LMX2332的模拟部分和VCO应远离数字电路，减少数字噪声对射频性能的影响。
元件布局： LMX2332、VCO和环路滤波器应紧密布局，减少寄生电感和电容。

4. 软件设计

4.1 频率计算

LMX2332的输出频率 Fout 由以下公式决定：Fout=Fref×N/R其中：

Fref 是参考时钟频率。
R 是参考分频器分频比。
N 是主分频器分频比。

单片机需要根据用户输入的 Fout，结合 Fref 和预设的 R 值，计算出相应的 N 值。由于LMX2332支持小数N分频，可以实现更精细的频率步进，但通常为了简化设计，会先考虑整数N分频。

4.2 LMX2332寄存器编程

LMX2332通过串行接口写入控制字来设置其内部寄存器。通常包括：

R寄存器： 设置参考分频比R。
N寄存器： 设置主分频比N。
功能寄存器： 设置电荷泵电流、鉴相器极性、省电模式等。

单片机需要编写串行通信子程序（模拟SPI），按照LMX2332数据手册中的时序要求，将计算出的R、N值和功能设置写入对应的寄存器。

4.3 键盘输入和显示

键盘扫描： 采用矩阵键盘或独立按键，通过单片机I/O口扫描，识别按键输入。
频率解析： 将用户输入的数字（例如123.456 MHz）解析为对应的LMX2332可编程的N值。
LED显示驱动： 编写数码管显示驱动程序，将当前设定的频率或工作状态显示在数码管上。

4.4 主程序流程

系统初始化：

单片机I/O口初始化。
定时器初始化。
LMX2332上电复位，并初始化其寄存器（设置一个默认频率）。

主循环：

扫描键盘输入。
如果检测到按键，则处理按键事件（如输入频率、模式切换）。
根据用户输入，计算LMX2332的R、N值。
通过模拟SPI接口，编程LMX2332。
更新LED显示。
延时或等待中断。

5. 性能指标分析与优化

5.1 频率稳定度

影响因素： 参考时钟源的稳定度（TCXO/OCXO）、VCO的温度特性、环路滤波器元件的温度特性、电源电压稳定性。
优化方法：

选用高精度、高稳定度的晶体振荡器（TCXO或OCXO）。
为VCO和LMX2332提供稳定的低噪声电源（LDO）。
选择低温度系数的环路滤波器元件。

5.2 相位噪声

影响因素： 参考时钟源的相位噪声、LMX2332本身的鉴相器噪声和分频器噪声、VCO的相位噪声、环路滤波器带宽。
优化方法：

选用低相位噪声的参考时钟源和VCO。
优化环路滤波器设计，合理选择环路带宽。在环路带宽内，参考源和鉴相器的噪声是主导；在环路带宽外，VCO的噪声是主导。
为LMX2332和VCO提供超低噪声电源。
良好的PCB布局，降低耦合噪声。

5.3 杂散抑制

影响因素： 鉴相器输出的纹波、VCO的非线性、电源噪声、数字噪声耦合。
优化方法：

优化环路滤波器设计，提高对鉴相器输出纹波的抑制能力。
为射频敏感器件提供独立、洁净的电源。
良好的接地和屏蔽，将数字噪声与射频部分隔离。
选择低谐波失真的VCO。

5.4 锁定时间

影响因素： 环路带宽、鉴相器增益、VCO调谐范围。
优化方法： 适当增加环路带宽可以缩短锁定时间，但会牺牲对VCO噪声的抑制能力。需要进行权衡。

6. 总结与展望

本设计方案详细阐述了基于AT89C2051单片机控制LMX2332频率合成器的实现原理、硬件设计、软件编程及关键元器件选型。通过精心选择元器件、优化电路布局和软件算法，我们可以构建一个性能稳定、可编程的频率合成器。在实际应用中，还需要结合具体的频率范围、输出功率、相位噪声、杂散抑制和成本等要求，进行更为细致的参数调整和优化。未来的设计可以考虑：