基于ADF4106的鎖相環(huán)頻率合成器

1 引言

在無線通信領(lǐng)域中，高性能頻率源是通信設(shè)備、雷達(dá)、電子偵察和對抗設(shè)備、精密測量儀器的核心部件?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)對頻率源的精度、分辨率、轉(zhuǎn)換時間及頻譜純度等提出了越來越高的要求，性能卓越的頻率源均通過頻率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。本文所討論的鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)是基于鎖相環(huán)路的同步原理，由一個高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器，綜合出大量離散頻率的一種技術(shù)。鎖相環(huán)頻率合成器是一種相位鎖定裝置，是一種頻率穩(wěn)定度較高的離散間隔型頻率信號發(fā)生器。

2 鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理

鎖相環(huán)是頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ)。鎖相環(huán)路(PLL)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LP)、壓控振蕩器(VCO)和可變程序分頻器組成。

鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng)，它比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，產(chǎn)生一個對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓，該誤差電壓經(jīng)處理后去調(diào)整壓控振蕩器的頻率（相位）。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸入信號與壓控振蕩器輸出信號頻差為零，相位差不再隨時間變化，此時，誤差控制電壓為一固定值，壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號頻率相等，即fo=fr。鎖相環(huán)路的這一特點(diǎn)，使它在自動頻率控制中得到應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精確的頻率控制。環(huán)路在鎖定時要得到一定的控制電壓，則鑒相器必須有一個非零的輸出，即，環(huán)路作用必須有相位差，相位差維持著兩信號的同步，使輸出信號頻率穩(wěn)定。

鎖相環(huán)基本原理方框圖如圖1所示。

鑒相器又稱比相器，對輸入信號與環(huán)路輸出信號的相位進(jìn)行比較, 產(chǎn)生誤差控制電壓；環(huán)路濾波器濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加環(huán)路的穩(wěn)定性；壓控振蕩器的振蕩頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，使壓控振蕩器輸出信號頻率向輸入信號頻率靠攏，兩個信號間的相位差減小?？勺兂绦蚍诸l器的作用是使壓控振蕩器的輸出頻率經(jīng)分頻后再與參考頻率進(jìn)行相位比較，從而產(chǎn)生誤差控制電壓，并以誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的相位。

鎖相環(huán)路對高穩(wěn)定度的參考振蕩器（通常是晶體振蕩器）鎖定，環(huán)路串接可編程的程序分頻器，通過編程改變程序分頻器的分頻比R、N，從而獲得N/R倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。頻率合成器輸出頻率fo與晶體振蕩器參考頻率fr的關(guān)系為

其中，R是固定分頻比，N是程序（可變）分頻比，fr是晶振輸出的參考頻率，fo是頻率合成器的輸出頻率。

3 基于ADF4106的鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 集成鎖相環(huán)芯片ADF4106介紹

ADF4106是美國ADI公司最新生產(chǎn)的鎖相環(huán)芯片，它是一種頻率上限高、性能好的集成數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器芯片，在一塊很小的芯片中集成了鎖相環(huán)頻率合成器的多種重要部件，只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路，即可構(gòu)成一個完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的可靠性很高的頻率合成器，設(shè)計應(yīng)用簡單靈活，且易于減小系統(tǒng)體積。ADF4106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

集成鎖相環(huán)芯片ADF4106具有較高的工作頻率，最高達(dá)到6.0GHz，它主要應(yīng)用于無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中，為上下變頻提供本振信號。該芯片主要由低噪聲數(shù)字鑒相器，精確電荷泵，可編程參考分頻器，可編程A、B計數(shù)器及雙模前置分頻器（P/P＋1）等部件組成。數(shù)字鑒相器用來對R計數(shù)器和N計數(shù)器的輸出相位進(jìn)行比較，然后輸出一個與二者相位誤差成比例的誤差電壓。鑒相器內(nèi)部還有一個可編程延遲單元，用來控制翻轉(zhuǎn)脈沖的寬度，這個翻轉(zhuǎn)脈沖保證鑒相器的傳遞函數(shù)沒有死區(qū)，因此，降低了相位噪聲和參考雜散。精確電荷泵采用可編程電流設(shè)置完成輸出。可編程參考分頻器實(shí)際上是一個14bit的R計數(shù)器，主要完成對外部恒溫晶振進(jìn)行分頻，分頻比的范圍是1至16383，從而得到參考頻率?？删幊藺、B計數(shù)器及雙模前置分頻器（P/P＋1）共同完成主分頻比N（N=BP＋A）, 雙模前置分頻器（P/P＋1）也是可編程的，P的取值有幾種模式：8/9，16/17，32/33，64/65。

ADF4106的最大特點(diǎn)就是它的極高的工作頻率，使得許多高頻系統(tǒng)的倍頻裝置得以精簡，還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了功耗和設(shè)備成本。因此，它在高頻電路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 ADF4106應(yīng)用實(shí)例

以ADF4106為核心，選擇適合應(yīng)用需要的外部壓控振蕩器，設(shè)計相應(yīng)的環(huán)路濾波器，即可構(gòu)成低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的頻率合成器。

圖3是某發(fā)射機(jī)中頻率合成器的一個應(yīng)用實(shí)例，其工作頻率范圍為5.4GHz～5.8GHz。在該頻率合成器中，外部高精度高穩(wěn)定的10MHz參考時鐘經(jīng)50Ω的匹配電阻，接到ADF4106的參考時鐘輸入端（REFin），經(jīng)內(nèi)部參考分頻器（除10）后得到1MHz的參考頻率間隔。ADF4106內(nèi)部電荷泵的輸出驅(qū)動環(huán)路濾波器采用三階無源低通濾波器，參數(shù)設(shè)置：相位裕量φp=45°，鑒相器靈敏度Kd=2.5mA，壓控振蕩器靈敏度K0=80MHz/V, 環(huán)路帶寬ωp=50Hz, 參考頻率間隔FREF=1MHz,參考分頻比R=10，主分頻比N=RFOUT/FREF=5800，濾波器的附加衰減ATTEN=10dB。

由環(huán)路濾波器設(shè)計原理，根據(jù)下面的公式, 定義時間常數(shù)為：

可以計算出C1，C2，R2，并取標(biāo)稱值：C1=100pF,C2=1.5nF,R2=4.3kΩ,取R3=6.2kΩ, C3=20pF。

環(huán)路濾波器的輸出去驅(qū)動壓控振蕩器，在這里，壓控振蕩器選用ZCOMM公司的V940ME03，它具有很高的振蕩頻率；壓控振蕩器的輸出又反饋到ADF4106的射頻輸入端，形成環(huán)路，進(jìn)而推動射頻輸出端。在V940ME03的RFout端，整個電路的射頻輸出端及ADF4106的射頻輸入端，加了一個T型電路，主要用來提供50Ω的阻抗匹配。

雙模前置分頻器工作于32/33模式，用微機(jī)串口進(jìn)行控制。在本例中，采用ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行控制，AT89C2051是一帶有2 kbyte Flash可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機(jī)，它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造，并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容，通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和Flash存儲器，使AT89C2051成為一功能強(qiáng)勁的微型計算機(jī)。AT89C2051的雙向I/O端口P1.7、P1.6、P1.5分別與ADF4106的CLK、DATA、LE相連接，實(shí)現(xiàn)對ADF4106的數(shù)據(jù)控制傳輸。外接的12MHz石英晶體與內(nèi)部振蕩器共同構(gòu)成了完整的振蕩信號發(fā)生器，為單片微機(jī)系統(tǒng)提供時鐘。X25045是看門狗定時器，其主要功能是對微處理器AT89C2051提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在可選的超時周期之后，X25045看門狗將以復(fù)位（RESET）信號作出響應(yīng)；同時，作為電壓監(jiān)控，還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓狀態(tài)影響，當(dāng)VCC降低到轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時，系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位一直確保到VCC返回且穩(wěn)定為止。

ADF4106的供電電壓VDD為3V，Vp和VCO的供電電壓VCC為5V，均采用穩(wěn)壓塊供電輸出。需要特別注意的是，VDD一定不能超過Vp，否則，會損壞器件。

本例中，相噪、雜散等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計手冊中如圖4所示ADF4106的標(biāo)準(zhǔn)，其中，測量結(jié)果的典型值是相位噪聲為－81dBc/Hz@1kHz，雜散優(yōu)于－62dBc。

4 結(jié)束語

由于用ADF4106在高頻頻段設(shè)計的頻率合成器應(yīng)用于許多高頻系統(tǒng)，精簡了倍頻裝置，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了功耗和設(shè)備成本，因此，它在高頻電路系統(tǒng)如寬帶無線接入、儀器儀表、無線局域網(wǎng)、無線電射頻基站中得到了廣泛應(yīng)用。