張貫強(qiáng)　田克純

【摘 要】頻率源是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在衛(wèi)星通信、數(shù)字通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文給出了一種利用TI MSP430控制ADF4350設(shè)計(jì)頻率合成器的方法，然后利用ADIsimPLL軟件對(duì)其性能進(jìn)行了仿真，最后，通過(guò)制作電路板，對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該頻率合成器具有較好的雜散水平和較低的相位噪聲，能夠滿足教研室寬頻帶多制式軟件無(wú)線電樣機(jī)的本振源的要求。

【關(guān)鍵詞】寬頻帶；頻率源；ADF4350；MSP430F149

0 引言

隨著無(wú)線通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、遙控遙測(cè)技術(shù)以及精密制導(dǎo)等現(xiàn)代高技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率點(diǎn)數(shù)的要求越來(lái)越高[1]。本文主要介紹了ADF4350頻率合成器芯片，并利用該芯片設(shè)計(jì)了覆蓋137.5～4000MHz的寬頻段頻率源，并對(duì)其性能進(jìn)行了主要的測(cè)試。該頻率源外圍電路簡(jiǎn)單，體積較小，調(diào)試的時(shí)候只需要修改環(huán)路濾波器的參數(shù)和單片機(jī)控制程序，與用分離元器件實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)電路相比，調(diào)試量較小，抗干擾性能良好。

1 寬頻帶頻率源的軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 ADF4350頻率合成器芯片介紹

ADF4350頻率合成器芯片內(nèi)部集成了壓控振蕩器，基波輸出頻率范圍為2200～4400MHz，利用內(nèi)部可編程的1/2/4/8/16/32分頻電路，可以產(chǎn)生137.5～4400MHz的射頻信號(hào)。利用SPI接口可以很方便的對(duì)其控制，且輸出功率也可以編程控制，可以工作在低噪聲模式和低雜散模式[2]。采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行控制，ADF4350與MSP430之間通過(guò)IO口模擬SPI進(jìn)行通信。

1.2 寬頻帶頻率源的參數(shù)設(shè)計(jì)

ADF4350頻率合成器的設(shè)計(jì)主要包括內(nèi)部寄存器的配置、外部環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)和芯片的外圍電路設(shè)計(jì)。ADF4350射頻頻率輸出公式為

ADF4350的頻率輸出可以通過(guò)單片機(jī)配置芯片內(nèi)部的R5～R0寄存器實(shí)現(xiàn)，每個(gè)寄存器都是32位的，通過(guò)控制其低3位（C3～C1）可以對(duì)寄存器進(jìn)行選擇，上電初始化的時(shí)候需要先初始化寄存器5依次到寄存器0。本文根據(jù)鎖相環(huán)頻率合成器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，其公式（1）和（2）中的各參數(shù)具體為：

環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，它主要由線性電容、電阻和運(yùn)算放大器組成。其輸入信號(hào)來(lái)自鑒相器的輸出電壓，它在濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量和噪聲后，取出平均分量去控制壓控振蕩器的頻率。它的設(shè)計(jì)是頻率合成器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)結(jié)果的好壞直接決定了頻率合成器最終的雜散、相位噪聲、環(huán)路穩(wěn)定性以及捷變時(shí)間等性能。環(huán)路帶寬和相位裕量是影響鎖相環(huán)頻率合成器的兩個(gè)關(guān)鍵因素，環(huán)路帶寬越寬，頻率合成器的鎖定時(shí)間越短，但是相位噪聲會(huì)變得越差[3]。環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)主要分為無(wú)源環(huán)路濾波器和有源環(huán)路濾波器。采用有源環(huán)路濾波器將會(huì)增加相位噪聲、復(fù)雜度以及成本，且有源環(huán)路濾波器主要用于電荷泵電壓低于 VCO 調(diào)諧電壓的情況。因此，本文選用3階無(wú)源環(huán)路濾波器2R3C結(jié)構(gòu)，首先利用ADIsimPLL軟件對(duì)不同的環(huán)路帶寬進(jìn)行仿真，最終確定環(huán)路帶寬為20KHz。環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3階無(wú)源環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)

經(jīng)計(jì)算并且優(yōu)化后元器件數(shù)值為：C1=1.5 n，C2=22 n，C3=680 p，R1=100，R2=820。對(duì)于環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，可以利用ADI公司的ADIsimPLL軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并且能夠觀察到設(shè)計(jì)的頻率合成器的性能，該頻率合成器在2GHz處的相位噪聲仿真曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，在偏離載波頻率10KHz處的相位噪聲大約為-94dBc/Hz。這是個(gè)理想值，實(shí)際制作出來(lái)的頻率源測(cè)試的相位噪聲會(huì)變得差些[4]。

圖2 2.0GHz頻率處的相位噪聲曲線

1.3 寬頻段頻率源的硬件電路設(shè)計(jì)

ADF4350寬頻段頻率合成器的硬件電路主要包括電源電路模塊、MCU電路模塊、環(huán)路路濾波器、芯片外圍電路和頻率顯示模塊等，其原理框圖如下圖3所示。

圖3 ADF4350頻率合成器硬件電路原理框圖

本設(shè)計(jì)參考源采用兩種方式提供，一種是10MHz的溫度補(bǔ)償晶振，另一種是外部參考源。有兩種鎖定模式，正常鎖定模式和快速鎖定模式，并且有LED鎖定指示。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，相位噪聲和雜散是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，如果設(shè)計(jì)時(shí)濾波不充分、接地不當(dāng)和PCB設(shè)計(jì)不正確，會(huì)導(dǎo)致頻率源的指標(biāo)嚴(yán)重惡化。為了能夠得到較好的輸出信號(hào)，需要采用優(yōu)質(zhì)電源并加強(qiáng)濾波和退耦，對(duì)溫補(bǔ)晶振的電源、VCO電源和電荷泵電源要加強(qiáng)去耦，在靠近電源引腳處依次放置10p、100p、100n和10u（有極性）電容，這樣可以有效減少電源紋波引入的雜散和最大限度濾除電源線上的干擾[5]。該電路同時(shí)存在數(shù)字電路部分和模擬電路部分，為了減少數(shù)字電路對(duì)模擬電路產(chǎn)生的干擾，通常情況下將數(shù)字部分和模擬部分分別接地，最后兩者通過(guò)射頻電感或者0歐姆電阻連接在一點(diǎn)。ADF4350采用雙端差分輸出，可以提高共模抑制比。并且通過(guò)射頻扼流電感連接到VCO的電源端，可以獲得更好的匹配性能，能夠有效提高輸出功率。

1.4 寬頻段頻率源的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括單片機(jī)程序和上位機(jī)程序，單片機(jī)程序采用IAR環(huán)境開發(fā)，其功能接收上位機(jī)串口的數(shù)據(jù)并寫入ADF4350的內(nèi)部寄存器和實(shí)現(xiàn)頻率的正確的顯示。上位機(jī)程序采用VB6.0開發(fā)，其功能是按照ADF4350的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編寫，并通過(guò)串口發(fā)給單片機(jī)。ADF4350有兩路差分輸出，設(shè)計(jì)時(shí)只使用了主差分輸出，輔助差分輸出關(guān)閉。ADF4350的數(shù)字接口是與SPI兼容的串行接口，用于將數(shù)據(jù)寫入器件，其單片機(jī)控制程序采用IO口嚴(yán)格模擬SPI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。其串行時(shí)鐘信號(hào)線CLK、串行數(shù)據(jù)線DATA、加載使能LE和芯片使能CE分別連接MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3引腳。在CLK上升沿將32位數(shù)據(jù)逐位寫入對(duì)應(yīng)的寄存器，當(dāng)LE變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)被傳輸至對(duì)應(yīng)的鎖存器。頻率控制部分只要保證電平和送數(shù)時(shí)序正確，就能夠完成對(duì)ADF4350芯片的配置，其程序可以通過(guò)BSL下載到MCU里面[6]。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

利用R&S頻譜儀對(duì)頻率源輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試相位噪聲時(shí)，將頻譜儀的中心頻率設(shè)置為2000MHz，將RBW設(shè)為10KHz，VBW設(shè)為30kHz，SPAN設(shè)為500kHz，測(cè)試結(jié)果如下圖4所示，其值為-95.7dBc/Hz @100kHz。

圖4 2000M射頻輸出信號(hào)偏離載波100K處的相位噪聲

測(cè)試雜散時(shí)，將頻譜儀的中心頻率設(shè)置為2000MHz，將RBW設(shè)為1kHz，VBW設(shè)為3kHz，SPAN設(shè)為100MHz，測(cè)試結(jié)果如下圖5所示，其值為-67.1dBc。

圖5 2000M射頻輸出信號(hào)的雜散

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ADF4350芯片實(shí)現(xiàn)了寬頻段覆蓋的頻率合成器，可以作為收發(fā)信機(jī)的本振源。從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，該頻率合成器具有較好的雜散水平和較低的相位噪聲，能夠滿足教研室寬頻帶多制式軟件無(wú)線電樣機(jī)的本振源的要求。該頻率源成本低和操作方便，能夠很好用于實(shí)際應(yīng)用中。

【參考文獻(xiàn)】

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[5]劉永智，徐盛旺，高樹廷.超寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)， 2009，12.

[6]萬(wàn)琰.基于單片機(jī)控制的ADF4106鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用， 2009， 11.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]