基于MCU的鎖相環鎖定時間測量系統設計

摘要：為測量鎖相環鎖定時間，通過比較各鎖相環芯片的接口特點，設計通用的測量系統。該系統包括上位機、下位機軟件以及基于AT89C 51的控制電路，上位機和下位機使用串口通信。通用性和實時性是系統最大特點，在軟件和硬件的設計上保證系統能兼容大多數常用鎖相環芯片；并能根據用戶輸入的控制參數實時控制鎖相環且測量其鎖定時間。通過實際應用證明，該系統能準確測量鎖定時間，有效減少鎖相環設計與調試過程中的工作量與復雜度。
關鍵詞：AT89C51；鎖相環；鎖定時間；串口

鎖相環技術是一種頻率合成技術，在各類通信和控制系統有著重要應用。其中鎖定時間是環路的重要參數。商業的鎖相環設計軟件僅能在仿真層面上計算出鎖定時間的理論值，而本文所設計的鎖定時間測量系統包括軟件和硬件，可動態控制鎖相環并實時測量其鎖定時間。典型的鎖相環系統包括分頻器、鑒相器、濾波器、壓控振蕩器。其中鑒相器和分頻器往往都集成在一個鎖相環芯片中，可使用單片機對其進行編程控制。鎖相環芯片控制數據的傳輸大都采用串行方式，僅在一些細節上有所不同，這給設計通用的鎖相環鎖定時間測量系統帶來可能。

1 系統原理
測量系統結構如圖1所示。上位機通過串口和單片機通信。上位機負責讀取用戶輸入的控制參數并傳遞給單片機，單片機負責將控制參數寫入鎖相環并測量鎖定時間，之后交由上位機顯示。

通常鎖相環芯片與單片機的編程接口電路如圖2(a)所示，CLOCK為芯片和單片機提供同步時鐘；DATA是芯片控制數據的串行輸入引腳；LE是芯片數據寄存器控制引腳，可通過LE的上升沿觸發將存儲在芯片移位寄存器中的DATA串行數據送入芯片內各部件；CE為使能引腳。以上幾個控制信號的時序如圖2(b)所示，將以上幾個引腳分別接入單片機的I／O口，并按照控制信號的時序向鎖相環芯片寫控制數據，便可控制鎖相環芯片。

MUXOUT是芯片的復用引腳，可配置成鎖定檢測輸出，即當環路鎖定時該引腳便輸出高電平或低電平。所以環路鎖定時間測量原理為：將MUXOUT引腳連接到單片機的外部中斷引腳，當單片機發送完數據后打開其內部定時器，環路鎖定后MUXOUT引腳便會觸發單片機的外部中斷，在單片機的中斷程序中記錄下定時器的值便可準確測量到環路的鎖定時間。
通過比較發現，各類型鎖相環芯片的編程接口除了上述共同點以外還存在如下幾點差異：輸入接口所要求的電平不同；MUXOUT的鎖定指示輸出不同，即不同芯片的MUXOUT有可能輸出高電平表示鎖定，也有可能輸出低電平表示鎖定；DATA輸入的順序不同，例如當控制數據為1011時，某些芯片要求數據逆序輸入，即輸入順序為1101；DATA位數不同，不同芯片的控制數據不盡一致，因此數據位數也不一致。本文中前2點差異通過硬件電路解決，后2點通過上位機和下位機軟件解決。