劉文豹 楊自強(qiáng) 陳濤

摘要：介紹了一種P波段可控頻率源的設(shè)計方案和相關(guān)理論，采用PLL即鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)P波段的頻率產(chǎn)生，具有相位噪聲低，雜散低的特點(diǎn)。利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心對鎖相環(huán)的鑒相器進(jìn)行置數(shù)和控制，實(shí)現(xiàn)了480～540MHz、步進(jìn)為1MHz的可控頻率輸出。該頻率源的主要性能指標(biāo)為：輸出頻率480～540MHz，頻率步進(jìn)為1MHz，相位噪聲優(yōu)于-82dBc@1kHz，雜散抑制優(yōu)于-60dBc，鎖相環(huán)直接輸出功率為0.6～1.1dBm。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/164388.htm關(guān)鍵詞：P波段；可控頻率源；PLL；鑒相器；單片機(jī)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.009

頻率源作為電子系統(tǒng)的核心，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。雷達(dá)、通信、電子偵察和對抗設(shè)備中，高性能的頻率源是實(shí)現(xiàn)其整體設(shè)備高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。頻率源的相位噪聲和雜散抑制的性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。其中采用鎖相環(huán)設(shè)計的頻率源具有輸出頻率高、頻率穩(wěn)定度高、頻率純、低相噪、雜散抑制好等優(yōu)點(diǎn)。

鎖相環(huán)的基本原理

PLL（鎖相環(huán)）是一種反饋控制電路，PLL在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相同時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱的由來。PLL通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鑒相器把輸入信號的相位與壓控振蕩器輸出信號的相位進(jìn)行比較，輸出一個正比于兩個輸入信號相位差的電壓（或者電流）加到環(huán)路濾波器上，抑制噪聲和高頻分量后，再加到壓控振蕩器上，控制其頻率變化，使輸入信號與壓控振蕩器信號之間的相位差逐漸減小，最后達(dá)到動態(tài)鎖定。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。

其中N分頻器是由單片機(jī)編程控制的，因此這種合成器又體現(xiàn)了程序設(shè)計和鎖相技術(shù)的結(jié)合。從總體結(jié)構(gòu)看，它由單片機(jī)、鎖相環(huán)和可編程分頻器三部分組成。

電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計設(shè)計目標(biāo)是一個可控的鎖相環(huán)頻率合成器。因此本電路結(jié)合典型鎖相環(huán)電路和單片機(jī)控制電路，通過單片機(jī)改變鎖相環(huán)中的鑒相器的分頻比來改變最終的頻率輸出。鎖相環(huán)中的低通濾波器采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源低通濾波器。基本設(shè)計框圖如圖2。

鑒相器我們采用了RU-16封裝的ADF4112，ADF4112是一種直接數(shù)字式頻率合成器，它由一個低噪聲的數(shù)字相位/頻率檢波器PFD，一個精密的充電泵，一個可編程的參基準(zhǔn)分頻器，可編程的A、B計數(shù)器，和一個雙模式的前置分頻器（P/P+1）。A（6位）和B（13位）計數(shù)器連同雙模式的前置分頻器（P/P+1），能實(shí)現(xiàn)一個分頻比為N的分頻器。除此之外，14位的基準(zhǔn)計數(shù)器（R計數(shù)器）允許在PFD的輸入端選擇REFIN的頻率輸入。通過對R、P、A、B的編程可使電路輸出頻率變化。

裝的AVR單片機(jī)Atmega8，參考晶振采用10MHz有源晶振，顯示采用共陰四聯(lián)數(shù)碼管。該設(shè)計整體電路原理圖如圖3。

本設(shè)計的最終實(shí)物圖如圖5，采用按鍵控制輸出頻率的大小，并可通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。采用SMA接頭輸出。

采用HP8591E頻譜儀分別對該頻率源的雜散、相噪和輸出功率進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示該P(yáng)波段頻率源輸出相位噪聲和雜散均滿足要求，輸出相位噪聲均優(yōu)于-82dBc@1kHz，雜散抑制優(yōu)于-60dBc，輸出頻率與顯示輸出頻率一致。各頻點(diǎn)輸出功率與頻率的關(guān)系如圖6。

結(jié)語

本設(shè)計采用鎖相環(huán)與單片機(jī)編程相結(jié)合的方法，研制出一個輸出頻率可控、低相位噪聲、低雜散的P波段頻率源。該設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，性能優(yōu)良，能夠用于實(shí)際電路中為各種收發(fā)通信系統(tǒng)提供本振。在多通道的收發(fā)系統(tǒng)中可提供可變的頻率源，可簡化收發(fā)系統(tǒng)的電路形式，降低成本。

[1] Behzad Razavi.射頻微電子[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006

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

[3] 葉莉娜，陳宏素等.基于鎖相環(huán)技術(shù)的X波段頻率源的研制[J].微波學(xué)報，2010，（8）：311-313

[4] 郝紹杰.基于集成頻率合成器的鎖相環(huán)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)， 2008 （1）：12-15

[5] BANERJEE D. PLL Performance， Simulation， and Design[M]. Fourth Edition. New York： National Semiconductor， 2006：50-80

[6] TOROSYAN A ， WILLSON A N J. Exact Analysis of DDS Spurs and SNR Due to Phase Truncation and Arbitrary Phase-to-amplitude Errors[C].Proceedings of Frequency Control Symposium and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2005： 50-58