胡思猛 韋全亮 高大勇 曾祥松
【關(guān)鍵詞】本振源;鎖相環(huán);發(fā)射機(jī);頻率
本振源設(shè)計(jì)作為通用化電路,在研制過程中能夠高效提出設(shè)計(jì)方案。對本振源的設(shè)計(jì)研究,徐林山[1]分析了本振源設(shè)計(jì)中影響信號的因素,采用PLL+DDS實(shí)現(xiàn)頻率合成,并對本振源信號展開測試驗(yàn)證。周逍宙[2]研究了基于DDS的寬帶低相噪本振源,闡述和分析了幾種本振源方案的設(shè)計(jì),并對實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。吳鋼鋒[3]提出了實(shí)現(xiàn)UHF 本振源的鎖相環(huán)頻率合成方案,并提供了必要的公式推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)仿真。胡蒙筠[4]針對5G 毫米波通信系統(tǒng)對本振源頻率、相位噪聲、雜散抑制要求的提升,提出了一種結(jié)合ADF4002 和2 個ADF5355 頻率合成器芯片,可同時用于中頻和射頻電路的高性能本振源。顧宇[5]在鎖相本振源的設(shè)計(jì)中,使用ADS軟件對壓控振蕩器的各種參數(shù),如輸出頻率、輸出功率、相位噪聲等進(jìn)行了仿真,應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)了恰當(dāng)?shù)沫h(huán)路濾波器,這些軟件的仿真為實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)提供了重要的參考。彭慧麗[6]采用低頻高穩(wěn)振蕩與低噪聲倍頻相結(jié)合的方法,研制了一種高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器,很好地滿足多領(lǐng)域應(yīng)用對高頻高穩(wěn)定信號源的需求。
綜述,相關(guān)研究人員做了大量本振源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用工作。發(fā)射機(jī)本振源信號實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于晶體振蕩器與PLL電路的選型搭配,建立準(zhǔn)確的本振源信號實(shí)現(xiàn)電路有利于發(fā)射機(jī)調(diào)制電路快速設(shè)計(jì),可作為典型應(yīng)用電路嵌套使用。本文采用有源晶振提供基準(zhǔn)信號、通過負(fù)反饋技術(shù)在PLL電路實(shí)現(xiàn),采用集成方式的電路實(shí)現(xiàn)手段,對本振源生成電路進(jìn)行模塊化,并通過頻譜分析儀測試以及產(chǎn)品應(yīng)用,驗(yàn)證輸出頻率的正確性及有效性。
本振源主要由晶體振蕩器及鎖相環(huán)電路組成,就發(fā)射機(jī)而言,本振源的設(shè)計(jì)通常主要考慮頻段、頻率精度、相位噪聲、雜散抑制等指標(biāo),而頻段是最優(yōu)先考慮因素,因?yàn)椴煌吞柕陌l(fā)射機(jī)需要的中心頻率不同。而其它指標(biāo)可通過后級電路濾波、匹配、接地等方法得到保證。
(一)PLL電路
鎖相環(huán)是利用負(fù)反饋技術(shù)的高穩(wěn)定度振蕩電路,通常由電壓控制振蕩頻率的VCO與晶體振蕩器、頻率穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號與輸出信號進(jìn)行比較的鑒相器PD(PhaseDetector),以及將鑒相器的脈沖信號輸出進(jìn)行平滑處理的環(huán)路濾波器,分頻器、基準(zhǔn)信號振蕩器等構(gòu)成。
(二)基于PLL芯片PE3336的本振源
該電路方案為直接置數(shù)模式,將參考時鐘頻率通過鎖相環(huán)電路倍頻至射頻需要頻率,為產(chǎn)品提供對相位噪聲要求不高的本振源。
工作原理:鑒相器PE3336 將參考時鐘fr 進(jìn)行R 分頻得到鑒相頻率fc,將VCO 反饋的頻率fo 進(jìn)行N 分頻得到fp,fc 和fp 進(jìn)行頻率和相位比較,得到調(diào)諧電壓,該調(diào)諧電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波,進(jìn)入VCO 調(diào)諧,得到頻率fo,并功分成2 路,其中1 路輸出至后級電路,另1 路反饋至鑒相器進(jìn)行N 分頻得到fp,fc 和fp進(jìn)行頻率和相位比較,當(dāng)差值無限小時,鎖相環(huán)鎖定。
圖 1 原理框圖
圖2 PE3336元件圖
實(shí)現(xiàn)方法:根據(jù)鎖相環(huán)參考時鐘頻率和輸出頻率,決定鎖相環(huán)路的鑒相頻率和環(huán)路帶寬,利用PE公司提供的計(jì)算EXCEL 表進(jìn)行計(jì)算,決定環(huán)路中關(guān)鍵電容及電阻的值。注意計(jì)算環(huán)路時,環(huán)路帶寬取5kHz~10kHz 為宜,相位欲度取50°~70°為宜,鑒相頻率不大于20MHz。 該方案實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1,PLL RF即為生成的本振源信號(后文同),主芯片元件圖如圖2。
(三)基于PLL芯片ADF4351的本振源
功能原理:該電路為小數(shù)N 分頻鎖相環(huán)電路,將參考時鐘fr 鎖定至產(chǎn)品需要的本振信號fL,為射頻類產(chǎn)品提供35 MHz~4400 MHz 本振源信號,應(yīng)用于射頻類產(chǎn)品。
實(shí)現(xiàn)方法:該電路輸出信號相位噪聲需要調(diào)整時,可通過ADI 公司的ADIsimPLL ver 3.50 軟件計(jì)算環(huán)路濾波器參數(shù),電路設(shè)計(jì)時環(huán)路帶寬初始值取10kHz。ADF4351輸出功率可程序設(shè)定為:-4dBm、-2dBm、+2dBm、+5dBm,通過設(shè)置寄存器3 的DB3、DB4 位實(shí)現(xiàn)。ADF4351雖然為塑封器件,但其封裝為LFSCP 形式,能夠順利通過超聲掃描,能滿足要求較高的場合。該方案實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3,主芯片元件圖如圖4。
圖3 原理框圖
圖4 ADF4351元件圖
(四)基于PLL芯片Si4136的本振源
該電路為整數(shù)N 分頻鎖相環(huán)電路,Si4136為集成度完整的鎖相環(huán)電路,內(nèi)部包含鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器,應(yīng)用于射頻類產(chǎn)品,為產(chǎn)品提供本振源,該鎖相環(huán)電路可同時提供2050MHz~2500MHz的射頻信號和62.5MHz~1000MHz中頻信號。
功能原理:為射頻類產(chǎn)品提供本振源信號,將參考時鐘fr 鎖定至產(chǎn)品需要的本振信號fL 或fI。
實(shí)現(xiàn)方法:該鎖相環(huán)電路為最簡單鎖相環(huán)電路,外圍除電阻和電源去耦電容外,幾乎不需要其它元器件,因此硬件確保無虛焊后不需要其它調(diào)試。在軟件方面,注意Si4136 參考時鐘fr 支持范圍為2MHz~50MHz。當(dāng)fr 為2MHz~25MHz 時,寄存器0 的Bit 6 位(參考時鐘分頻器)需值“0”,即XINDIV2 = 0,鑒相頻率fc = fr/R,射頻輸出fL=(2N/R)×fr,中頻輸出fI=(N/R)×fr;當(dāng)fr 為25MHz~50MHz時,寄存器0 的Bit 6 位(參考時鐘分頻器)需值“1”,即XINDIV2 = 1,鑒相頻率fc =fr/R,射頻輸出fL=(N/R)×fr,中頻輸出fI=(N/2R)×fr。
該方案實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5,主芯片元件圖如圖6。
圖5 原理框圖
圖6 Si4136元件圖
PE3336型:該電路為直接置數(shù)方式,M、A、R 寄存器通過上下拉電阻實(shí)現(xiàn),若采用程序?qū)崿F(xiàn),/Bmode(16引腳)需接低電平,Smode 為“0”時為并行模式,為“1”時為串行模式,不使用引腳可以懸空。當(dāng)鎖相環(huán)失鎖時,先用示波器檢查參考時鐘是否有輸出,其次是環(huán)路是否存在虛焊、開路現(xiàn)象,若為高低溫下鎖相環(huán)路頻繁失鎖,則故障多為環(huán)路參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或有元器件在高低溫下失效。注意:PE3336 工業(yè)級已經(jīng)停產(chǎn),Peregrine公司只生產(chǎn)軍品級PE83336,國內(nèi)中電24所有SB3336 可替代。
ADF4351型:該電路輸出信號相位噪聲需要調(diào)整時,可通過ADI 公司的ADIsimPLL Ver 3.50 軟件計(jì)算環(huán)路濾波器參數(shù),電路設(shè)計(jì)時環(huán)路帶寬初始值取10kHz。ADF4351輸出功率可程序設(shè)定為:-4dBm、-2dBm、+2dBm、+5dBm,通過設(shè)置寄存器3 的DB3、DB4 位實(shí)現(xiàn)。建議使用回流焊接,同時考慮到器件的返修性,該熱焊盤中心可開一個大圓孔,支持手工焊接;ADF4351 雖然為塑封器件,但其封裝為LFSCP 形式,能夠順利通過超聲掃描。ADF4351 內(nèi)部集成VCO,體積小,為小數(shù)N 分頻鎖相環(huán),輸出頻段完全覆蓋遙測產(chǎn)品頻段。
Si4136型:注意射頻輸出VCO1 的輸出頻率范圍為2300MHz~2500MHz,N 寄存器地址為Register3,R 寄存器地址為Register 6;VCO2 的輸出頻率范圍為2050MHz~2300MHz,N 寄存器地址為Register 3,R 寄存器地址為Register 6。Si4136 外圍電路最簡單,電路布局占印制板面積小,對于低成本或要求不高的場合,鎖相環(huán)電路首選Si4136。
以上三種方案實(shí)現(xiàn)的本振源信號,通過與固定中頻進(jìn)行混頻后得到的射頻輸出頻率,信號穩(wěn)定、指標(biāo)優(yōu)良,并經(jīng)過振動、溫沖、電磁環(huán)境考核,已在多款遙測產(chǎn)品中使用。本文方案實(shí)現(xiàn)的本振源信號在頻譜分析儀上的顯示,信號輸出后帶有雜散信號,經(jīng)過后級電路濾波、匹配信號鏈路等可以得到較為純凈的本振源信號?;诒疚膶?shí)現(xiàn)的本振源,混頻后的射頻信號在各種常用的試驗(yàn)環(huán)境下信號頻率穩(wěn)定,輸出頻譜產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中滿足使用需求,如圖7所示。發(fā)射機(jī)內(nèi)部電路模塊化設(shè)計(jì)、作為典型電路的推廣、借用、嵌套使用,使得頻率源生成電路的設(shè)計(jì)更加方便,當(dāng)有需求輸入時,根據(jù)射頻信號頻率,通過FL±FI=FO,可以反推本振源所需頻率(FL為本振信號,中頻FI通常固定,F(xiàn)O為射頻輸出中心頻率),從而快速選取本振源設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)所需頻率,為發(fā)射機(jī)整體電路設(shè)計(jì)提供了快捷方法,有利于產(chǎn)品方案快速落實(shí),加速產(chǎn)品研制進(jìn)度。
圖7 本振源信號與雜散信號頻譜圖
本文以鎖相環(huán)芯片及電路應(yīng)用為基礎(chǔ),分析了三種發(fā)射機(jī)常用的本振源設(shè)計(jì)方法,探討了各個方案的適用性以及應(yīng)用要點(diǎn),主要得到以下結(jié)論:
(1)針對不同設(shè)計(jì)需求,選擇適宜的本振源設(shè)計(jì)方法,可快速提出解決方案。
(2)對發(fā)射機(jī)內(nèi)部本振電路進(jìn)行模塊化電路設(shè)計(jì),通過使用有源晶振與鎖相環(huán)結(jié)合的思路,得出不同的本振源信號,為遙測領(lǐng)域發(fā)射機(jī)本振源設(shè)計(jì)提供了理論支撐及方案選擇參考。
(3)本振源設(shè)計(jì)方案在產(chǎn)品中的使用驗(yàn)證了思路的正確性,并以此高效的設(shè)計(jì)思想,促進(jìn)了整機(jī)電路方案設(shè)計(jì)的效率提升,并為各產(chǎn)品其它部分電路的通用化、模塊化設(shè)計(jì)提供了研制思路。