短波段頻率合成器的設(shè)計與調(diào)試

摘要：設(shè)計了基于鎖相環(huán)的短波段正弦信號合成器，其工作原理為原始的正弦波輸出信號由壓控振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)芯片分頻輸出一個低頻方波信號，參考信號采用Q值較高的晶體產(chǎn)生，然后輸出到芯片的分頻，在芯片內(nèi)部輸出一個低頻方波信號，兩路低頻方波信號同時由芯片內(nèi)部的數(shù)字鑒相器進行比相，輸出一個反映相位誤差值的雙路差分電壓信號到有源環(huán)路低通濾波器，經(jīng)它濾波形成近似直流的信號，控制壓控振蕩器的變?nèi)莨芊聪嗥秒妷簛碚{(diào)整振蕩頻率。仿真結(jié)果達到預(yù)期要求。
關(guān)鍵詞：無線電；短波；鎖相環(huán)；頻率合成

0 引言
    鎖相環(huán)自20世紀30年代發(fā)明后，已經(jīng)成為通信、雷達、儀器儀表、高速計算機及導(dǎo)航系統(tǒng)的不可或缺的關(guān)鍵部件。鎖相環(huán)路是一種以消除頻率誤差為目的的相位誤差反饋控制電路。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和高準確度的頻率源的應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)基于鎖相環(huán)實現(xiàn)短波段正弦信號的生成，其工作原理為，原始的正弦波輸出信號由壓控振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)LM504雙模前置分頻器進行預(yù)分頻，再經(jīng)MC145152芯片的A和N計數(shù)器進一步分頻，在芯片內(nèi)部輸出一個低頻方波信號；參考信號采用Q值較高的晶體產(chǎn)生，然后輸出到MC145152芯片的R計數(shù)器進行計數(shù)并進一步分頻，也在芯片內(nèi)部輸出一個低頻方波信號；兩路低頻方波信號同時送到MC145152芯片內(nèi)部的數(shù)字鑒相器進行比相，輸出一個反映相位誤差值的雙路差分電壓信號到基于運放LM358的有源環(huán)路低通濾波器，經(jīng)其濾波形成近似直流的信號，去控制壓控振蕩器的變?nèi)莨芊聪嗥秒妷簛碚{(diào)整振蕩頻率，以保持參與鑒相的兩路信號相位同步，并使頻率誤差降低到零，從而實現(xiàn)無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。

1 原理與方案
1．1 系統(tǒng)組成及原理
    短波段頻率合成器系統(tǒng)組成如圖1所示。將分別來自壓控振蕩器和雙模前置分頻器的輸出信號同時施加到A和N計數(shù)器進行計數(shù)分頻。輸入并行碼DA0～DA5，DN0～DN9通過緩沖電路分別控制該兩計數(shù)器的分頻比，由于分頻比N>A，因而A計數(shù)器先計滿，輸出脈沖C使雙模控制邏輯MC從0變?yōu)?。N計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)直到計滿，輸出脈沖B將MC重置為0狀態(tài)，并將兩計數(shù)器同時復(fù)零，以等待下一循環(huán)。

    R，N計數(shù)器的輸出A，B同時送到鑒相器進行比相和鎖相狀態(tài)檢測。其中輸出PD01和PD02分別反映信號A和B之間超前與滯后情況，兩電壓經(jīng)低通濾波去控制VCO的振蕩頻率以改善鎖相狀態(tài)，直到環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，即fR=fN，φR=φN，電壓PD01，PD02維持在高電平，鎖相狀態(tài)檢測輸出LD=PD01。
1．2 設(shè)計方案
1．2．1 壓控振蕩器電路
    本文采用變?nèi)莨苓M行鎖相環(huán)的頻率控制，采用日本富士通公司的BB910變?nèi)荻O管實現(xiàn)VCO電路，原理圖如圖2所示。
    如果鎖相環(huán)的VCO輸出頻率較高，一般在其輸出端用前置分頻器進行預(yù)分頻，然后再輸入到低頻分頻器中進一步分頻，最后由鑒相器鑒相。本文采用日本富士通公司的B504L作為前置分頻器芯片。
1．2．2 鑒相器電路
    本文采用美國摩托羅拉公司的MC145152內(nèi)置的數(shù)字型鑒相器。原理圖如圖3所示。

1．2．3 環(huán)路濾波器
    本文采用美國摩托羅拉公司的LM358運算放大器，其采用單雙電源供電，增益頻帶寬大約在1 MHz，直流電壓增益高約在100 dB。原理圖如圖4所示。

2 EDA仿真
2．1 壓控振蕩器
    基于Multisire的VCO的仿真結(jié)果如圖5所示，觀察發(fā)現(xiàn)波谷有些失真，這是由于工作點設(shè)置使其易于起振，從而使得正反饋強勁所致，將由后端的諧振濾波器糾正為無失真的正弦波。

2．2 鑒相器
    相乘型鑒相器Multisim仿真結(jié)果如圖6所示。分析得知，模擬鑒相器在0～90°鑒相器線性較好，鑒相輸出波形良好，基本無失真。

2．3 環(huán)路濾波器
    環(huán)路濾波器的Multisim幅頻特性仿真結(jié)果如圖7所示。分析得知，在-3 dB處頻寬1 kHz，滿足設(shè)計要求，帶內(nèi)波動相對平坦，環(huán)路低通特性比較陡峭，鎖相環(huán)穩(wěn)定性得到提高。

3 性能測試與分析
    如果實驗室沒有配置頻譜儀等高檔儀表，使用數(shù)字存儲示波器也能比較準確地測試鎖相環(huán)頻率合成器的性能，實際測量結(jié)果如圖8所示。分析如下：
    (1)圖8(a)測試結(jié)果顯示，VCO自由振蕩時頻率在29 MHz左右，波形失真較大；
    (2)圖8(b)測試結(jié)果顯示，前置ECL分頻器64分頻后輸出方波，下降延遲較大，這是ECL內(nèi)部結(jié)電容所致，而后級分頻采用上升沿有效，因而對系統(tǒng)性能無影響；

    (3)圖8(c)測試結(jié)果顯示，MC145152第28腳輸出信號，向下的窄脈沖小于50 ns，說明瞬態(tài)相位偏差小，說明鎖相環(huán)比較穩(wěn)定；而上升沿的抖動即為相位噪聲的反應(yīng)，抖動范圍小于20 ns，說明相位噪聲比較理想；
    (4)圖8(d)測試結(jié)果顯示，環(huán)路鎖定后，測量VCO輸出信號，頻率達到30 MHz，幅度到達1．7 Vpp，波形良好，無失真。

4 結(jié)語
    鎖相環(huán)路是一種以消除頻率誤差為目的的相位誤差反饋控制電路。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和準確度的頻率源鎖相環(huán)已經(jīng)成為通信、雷達、儀器儀表、高速計算機及導(dǎo)航系統(tǒng)的不可或缺的關(guān)鍵部件。本系統(tǒng)基于鎖相環(huán)實現(xiàn)短波段正弦信號的生成，實現(xiàn)了無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤，并用基本儀表測試了其性能，測試結(jié)果良好。本文從基本理論和工程實踐的層面，分別介紹了上述頻率合成器的設(shè)計流程和調(diào)試方法，對從事無線電設(shè)備工程設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)試的技術(shù)人員，尤其對高等院校教學(xué)實驗室的實驗員掌握使用簡陋儀表測試鎖相環(huán)頻率合成器的性能，具有一定的參考價值。