基于MCU的锁相环锁定时间测量系统设计

摘要：为测量锁相环锁定时间，通过比较各锁相环芯片的接口特点，设计通用的测量系统。该系统包括上位机、下位机软件以及基于AT89C 51的控制电路，上位机和下位机使用串口通信。通用性和实时性是系统最大特点，在软件和硬件的设计上保证系统能兼容大多数常用锁相环芯片；并能根据用户输入的控制参数实时控制锁相环且测量其锁定时间。通过实际应用证明，该系统能准确测量锁定时间，有效减少锁相环设计与调试过程中的工作量与复杂度。
关键词：AT89C51；锁相环；锁定时间；串口

锁相环技术是一种频率合成技术，在各类通信和控制系统有着重要应用。其中锁定时间是环路的重要参数。商业的锁相环设计软件仅能在仿真层面上计算出锁定时间的理论值，而本文所设计的锁定时间测量系统包括软件和硬件，可动态控制锁相环并实时测量其锁定时间。典型的锁相环系统包括分频器、鉴相器、滤波器、压控振荡器。其中鉴相器和分频器往往都集成在一个锁相环芯片中，可使用单片机对其进行编程控制。锁相环芯片控制数据的传输大都采用串行方式，仅在一些细节上有所不同，这给设计通用的锁相环锁定时间测量系统带来可能。

1 系统原理
测量系统结构如图1所示。上位机通过串口和单片机通信。上位机负责读取用户输入的控制参数并传递给单片机，单片机负责将控制参数写入锁相环并测量锁定时间，之后交由上位机显示。

通常锁相环芯片与单片机的编程接口电路如图2(a)所示，CLOCK为芯片和单片机提供同步时钟；DATA是芯片控制数据的串行输入引脚；LE是芯片数据寄存器控制引脚，可通过LE的上升沿触发将存储在芯片移位寄存器中的DATA串行数据送入芯片内各部件；CE为使能引脚。以上几个控制信号的时序如图2(b)所示，将以上几个引脚分别接入单片机的I／O口，并按照控制信号的时序向锁相环芯片写控制数据，便可控制锁相环芯片。

MUXOUT是芯片的复用引脚，可配置成锁定检测输出，即当环路锁定时该引脚便输出高电平或低电平。所以环路锁定时间测量原理为：将MUXOUT引脚连接到单片机的外部中断引脚，当单片机发送完数据后打开其内部定时器，环路锁定后MUXOUT引脚便会触发单片机的外部中断，在单片机的中断程序中记录下定时器的值便可准确测量到环路的锁定时间。
通过比较发现，各类型锁相环芯片的编程接口除了上述共同点以外还存在如下几点差异：输入接口所要求的电平不同；MUXOUT的锁定指示输出不同，即不同芯片的MUXOUT有可能输出高电平表示锁定，也有可能输出低电平表示锁定；DATA输入的顺序不同，例如当控制数据为1011时，某些芯片要求数据逆序输入，即输入顺序为1101；DATA位数不同，不同芯片的控制数据不尽一致，因此数据位数也不一致。本文中前2点差异通过硬件电路解决，后2点通过上位机和下位机软件解决。