寬帶低相噪高分辨率頻率合成器設(shè)計(jì)

摘要 利用鎖相環(huán)(PLL)和YTO相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種頻率合成器。實(shí)現(xiàn)了3～7 GHz的頻率覆蓋和低于0．2 Hz的頻率分辨率。全頻段相噪均在-108 dRc／Hz@10 kHz以下，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 頻率合成器；鎖相環(huán)；DDS；YTO

    在微波領(lǐng)域，頻率合成器是構(gòu)成測量儀器的核心器件。高性能的測量儀器需要具備大帶寬、高分辨率和低相位噪聲。而傳統(tǒng)的壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)是窄帶器件，不能滿足寬頻段、低相噪的要求。由于YIG調(diào)諧振蕩器(TIG Tuned Oscillators，YTO)具有寬頻率范圍、良好的低相位噪聲和線性調(diào)諧等方面的優(yōu)勢而成為頻率合成器的首選器件。

1 方案設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)選用中國電子科技集團(tuán)第41研究所研制的YIG調(diào)諧振蕩器(YTO)產(chǎn)生3～7 GHz的輸出頻率。利用美國Analog Devices公司生產(chǎn)的高速直接頻率合成器的DDS芯片AD9858實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻，產(chǎn)生頻率的微步進(jìn)。原理框圖如圖1所示。

    YTO振蕩器輸出3～7 GHz的頻率經(jīng)8分頻后作為AD9858的參考時(shí)鐘。經(jīng)分頻、濾波后與100 MHz參考頻率fr進(jìn)行鑒相，這里鑒相器用的是AD9858內(nèi)部集成的鑒相器，鑒相器輸出的是電流信息，它由內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵(CP)提供，這個(gè)電流不能直接驅(qū)動YTO，所以經(jīng)過二階的無源環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)換成誤差電壓，經(jīng)YTO驅(qū)動電路后控制YTO調(diào)頻線圈，來鎖定YTO的頻率。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)
2．1 YTO驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
    YTO內(nèi)部的調(diào)諧磁場由主線圈和副線圈兩部分組成，前者感抗大、調(diào)諧慢，但調(diào)諧靈敏度高、調(diào)諧范圍寬、高頻干擾抑制好；后者感抗小從而調(diào)諧范圍窄，但調(diào)諧速度快，并因?yàn)檎{(diào)諧靈敏度低而具有良好的干擾抑制特性。二者結(jié)合使用既可以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)諧，又可以獲得較快的頻率跟蹤性能。

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    主線圈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)如圖2所示，這部分電路是在鎖相環(huán)路之外，有助于實(shí)現(xiàn)頻率合成器的快速鎖定，為精確調(diào)諧YTO主線圈，這里選用的是ADI公司的AD7528雙8位DAC(D4)，直接接受FPGA的并口數(shù)據(jù)控制(PRED0～PRED7)，實(shí)現(xiàn)16位預(yù)置數(shù)送數(shù)的目的。AA0為低時(shí)送高8位預(yù)置數(shù)，AA0高為時(shí)送低8位預(yù)置數(shù)，運(yùn)放TL072ACD完成了ADC的輸出電流到電壓的轉(zhuǎn)換。經(jīng)由R101、R102、R103和D6，其中R102=256R101組成的加法電路將兩路電壓相加。D／A送數(shù)改變MOS管IRF9520的G極、S極電壓值，VGS電壓差隨著DA預(yù)置數(shù)增大而增大，VGS增大使D極電流ID變大，
MOS管IRF9520的D極直接與YT0主線圈相連，從而改變了流經(jīng)YTO主線圈的電流值，達(dá)到調(diào)諧的目的。

    副線圈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)如圖3所示，為得到調(diào)頻端合適的驅(qū)動電流和適應(yīng)調(diào)頻端的電流正、負(fù)偏，設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動電路如圖3所示。正的相位誤差電壓經(jīng)帶偏移的差分放大電路轉(zhuǎn)變成正或負(fù)的電壓，D22的3腳從變阻器R206的2腳獲得相應(yīng)的正或負(fù)的電壓。文中使用的YTO調(diào)頻端的調(diào)諧  靈敏度是300 kHz／mA，通過調(diào)節(jié)變阻器R206的2腳位置將環(huán)路捕捉帶寬設(shè)定約為30 MHz。利用運(yùn)算放大器D22兩個(gè)電壓輸入腳的等電位特性來獲得YTO調(diào)頻線圈的驅(qū)動電流。當(dāng)D22的3腳輸入電壓為正時(shí)，V23導(dǎo)通，電流從YTO的FM+端到FM-端。反之，當(dāng)D22的3腳輸入電壓為負(fù)時(shí)，V24導(dǎo)通，電流從YTO的FM-端到FM+端。
2．2 小數(shù)分頻電路設(shè)計(jì)
    直接數(shù)字頻率合成(DDS)作為新一代頻率合成技術(shù)，具有輸出頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位變化連續(xù)以及數(shù)字可控等優(yōu)點(diǎn)。采用小數(shù)分頻在不降低鑒相頻率的前提下，可以提高頻率分辨率。本方案利用DDS芯片AD9858實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。AD9858內(nèi)部集成有10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其頻率分辨率為32位。根據(jù)公式
   
    式中，F(xiàn)TW表示DDS頻率控制字；F0表示DDS輸出頻率；N表示DDS頻率控制字的位長；SYSCLK表示DDS參考時(shí)鐘；YTO振蕩器輸出3～7 GHz的頻率經(jīng)8分頻為375～875 MHz作為AD9858的參考時(shí)鐘。方案要求AD9858輸出頻率F0始終為100 MHz，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出頻率控制字FTW，由FPGA通過并行送給AD9858。由AD9858分頻輸出100MHz頻率經(jīng)低通濾波器后與100 MHz參考頻率fr進(jìn)行鑒相。根據(jù)式(1)可以計(jì)算出頻率分辨率為0．09～0．2Hz。
2．3 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
    在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器起著至關(guān)重要的作用，它將誤差電流分量轉(zhuǎn)化為誤差電壓分量，濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲，以保證環(huán)路所需要的性能，增加環(huán)路穩(wěn)定性。在鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)中，為達(dá)到優(yōu)異的相位噪聲，人們往往采用無源環(huán)路濾波器完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮帶寬，相位裕度，濾波器結(jié)構(gòu)、階數(shù)、極點(diǎn)等參數(shù)。在本方案中由于相位誤差電壓在0～5 V之間，故選擇無源濾波器，利用PLL Design&Simulation V4．0仿真軟件設(shè)計(jì)出環(huán)路帶寬200 kHz，相位裕度45°，阻尼系數(shù)0．707的二階無源濾波器如圖4所示。經(jīng)實(shí)際調(diào)試后R1=2 kΩ，R2=39．2 Ω，C1=0．1μF，C2=11 nF。

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3 測試結(jié)果
    根據(jù)方案設(shè)計(jì)的頻率合成器經(jīng)調(diào)試后滿足寬帶低相噪高分辨率的要求。圖5和圖6分別用Agilent的頻譜分析儀E4440A測試模塊在載波4．8 GHz，6．8 CHz，掃寬28 kHz的測試圖。10 kHz頻偏的相位噪聲分另0是-111．97 dBc／Hz、-108．47 dBc／Hz。

4 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)+YTO的結(jié)構(gòu)，利用YTO具有寬頻特性實(shí)現(xiàn)大帶寬，利用DDS芯片AD9858產(chǎn)生小數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)高分辨率，利用鎖相環(huán)路的低通特性和YTO良好的低相位噪聲實(shí)現(xiàn)頻率合成器的低相噪。文中設(shè)計(jì)的頻率合成器已應(yīng)用在某測量儀器中，提高了測量儀器的性能指標(biāo)。