基于ADF4360-1的本振源設(shè)計(jì)

0 引 言
    在無線通信領(lǐng)域，本振信號性能的優(yōu)劣是影響混頻器輸出頻譜純度的主要因素。頻率合成技術(shù)是指由一個穩(wěn)定、準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率，經(jīng)過一系列的處理過程，產(chǎn)生大量離散的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的信號頻率。鎖相式頻率合成器是一種建立在相位負(fù)反饋基礎(chǔ)上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。
    通過鎖相頻率合成實(shí)現(xiàn)的頻率源在通信、CATV等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)都直接依賴于頻率源的性能。ADI公司生產(chǎn)的ADF4360-1是電流型電荷泵數(shù)字鎖相式頻率綜合器芯片，具有很高的性價比。

1 ADF4360-1的工作原理及主要性能
    ADF4360-1主要由數(shù)字鑒相器、電荷泵、分頻器、計(jì)數(shù)器及雙模前置P／(P+1)分頻器等組成。如圖1所示。

1．1 工作原理
    從ADF4360-1外部輸入的信號有標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號和控制信號，14位可編程參考R分頻器對外部頻率源信號分頻后得到參考頻率送至鑒相器。控制信號由時鐘信號CLK、數(shù)據(jù)信號DATA和使能信號LE組成。在CLK的控制下，串行輸入24位數(shù)據(jù)信號，暫時存放在24位數(shù)據(jù)寄存器中。在接收到使能信號LE后，先前輸入的24位數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達(dá)對應(yīng)的鎖存器。
    ADF4360-1的主分頻比N由雙模預(yù)分頻器(P／P+1)、可編程5位A計(jì)數(shù)器及13位B分頻器實(shí)現(xiàn)，算法為N=B×P+A，輸出頻率為:fout=(B×P+A)×fref／R，通過設(shè)置A，B，R三個控制字寄存器的控制字來實(shí)現(xiàn)對鎖相環(huán)的控制。該芯片外圍只需添加環(huán)路濾波器，根據(jù)輸出頻率大小選擇合適的參數(shù)，即可輸出較穩(wěn)定的頻率。
1．2 主要性能
    ADF4360-1是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高性能鎖相頻率合成芯片，主要可應(yīng)用于無線射頻通信系統(tǒng)基站(GSM，WCDMA)、手機(jī)以及通信檢測設(shè)備中，為上下變頻提供本振信號。其特性如下：
    工作電壓：3～3．6 V；輸出信號功率可控范圍具有四組可編程雙模分頻器8／9，16／17，31／32；三線串行接口進(jìn)行編程控制；1．8 V邏輯兼容；輸出功率可編程范圍是-13～-6 dB；能夠進(jìn)行模擬和數(shù)字鎖定檢測；內(nèi)部集成VCO；具有軟件和硬件掉電模式。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    在中頻發(fā)射電路中，本振源電路模塊對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。本文利用鎖相頻率合成芯片ADF4360-1設(shè)計(jì)2．33 GHz本振源信號，為射頻發(fā)信機(jī)正交混頻電路提供性能良好的本振載波。電路框圖如圖2所示。

2．1 電路參數(shù)設(shè)定
    基于鎖相環(huán)的基本原理，只需要在內(nèi)部集成VCO的頻率合成芯片ADF4360-1外圍加環(huán)路濾波器，即可實(shí)現(xiàn)PLL頻率合成電路。
    本電路設(shè)計(jì)中，ADF4360-1的PFD輸入頻率為200 kHz，因此參考時鐘分頻R=50。由公式fout=(B×P+A)×fref／R，可計(jì)算出N為11 250，雙模前置分頻器設(shè)置為P／(P+1)=32／33，計(jì)數(shù)器A設(shè)置為18，計(jì)數(shù)器B設(shè)置為351。根據(jù)ADF4360-1芯片資料，三個控制寄存器初始化設(shè)置為R寄存器0000C9H，C寄存器8FF128H，N寄存器015F4AH，如表1所示。本振源電路輸出信號功率為-6 dB。

2．2 環(huán)路濾波器電路設(shè)計(jì)
    環(huán)路濾波器(LPF)具有低通特性，它主要是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由VCO控制電壓的不純而引起的寄生輸出。更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。
    利用AD公司提供的專用設(shè)計(jì)與仿真工具軟件ADI simPLL對圖2結(jié)構(gòu)形成的無源三階濾波電路進(jìn)行仿真、設(shè)計(jì)。依照軟件提示，逐步設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，并選擇芯片型號和環(huán)路濾波器形式，最后生成的電路如圖3所示。

2．3 鎖相環(huán)本振源電路設(shè)計(jì)
    完整的硬件原理圖如圖4所示。

    電源電路采用TPS76333和LM317T產(chǎn)生穩(wěn)定的3．3 V電壓供電。ADF4360-1的參考時鐘輸入引腳與晶振電路輸出端相連，在內(nèi)部VCO輸入引腳VTUNE與內(nèi)部電荷泵輸出引腳CP之間接入三階環(huán)路濾波電路。
    核心芯片內(nèi)部控制寄存器的初始化數(shù)值通過單片機(jī)控制寫入，單片機(jī)采用ATMEL公司的AT89C2051。

3 編程控制及目標(biāo)寄存器初始化
    單片機(jī)P1．5，P1．6，P1．7三個I／O口分別與芯片CLK，DATA，LE相連。圖5給出了數(shù)據(jù)輸入的時序圖。數(shù)據(jù)(DATA)在每個時鐘(CLOCK)的上升沿從MSB(最高有效位)開始依次寫入24位移位寄存器中，直到LSB位寫入完成之后，由來自LE的上升沿將存儲在24位移位寄存器中的數(shù)據(jù)一次性鎖存入目標(biāo)寄存器(包括R計(jì)數(shù)鎖存器、N計(jì)數(shù)鎖存器、功能鎖存器以及初始化鎖存器)，再進(jìn)行下一個目標(biāo)寄存器的初始化。寄存器賦值順序?yàn)镽-C-N，目標(biāo)寄存器的選擇由移位寄存器最末兩位DB0，DB1來決定，其中C和N寄存器的賦值時間間隔應(yīng)大于5 ms。

    單片機(jī)控制程序(R寄存器)如下：

4 結(jié) 語
    本文介紹了利用鎖相頻率合成芯片ADF4360-1為中頻射頻發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)本振信號源，給出了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)、控制流程以及部分程序代碼。最后測得相位噪聲為-83 dBc／Hz@1 kHz，達(dá)到了基本標(biāo)準(zhǔn)。由于ADF4360-1內(nèi)部集成VCO、外部通過單片機(jī)I／O口寫入控制字，因此該系統(tǒng)具有外圍電路簡單、調(diào)試方便、功耗和成本低等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)甩于射頻電路系統(tǒng)以及無線通信系統(tǒng)中。