江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 段金杰 蔡 婷 竇彥軍 趙啟輝

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PLL頻率合成器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 段金杰 蔡 婷 竇彥軍 趙啟輝

【摘要】介紹一種高穩(wěn)定度的基于鎖相環(huán)技術(shù)的頻率合成器的設(shè)計(jì)方法。它利用鎖相環(huán)技術(shù)閉環(huán)鎖定信號(hào)頻率，同時(shí)使用CPT原子鐘作為參考頻率信號(hào)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定度得以大幅度的提高。介紹了電路中環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】CPT原子鐘；PLL；頻率合成器；穩(wěn)定性

1　引言

穩(wěn)定的頻率源的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)要求很高的先進(jìn)電路設(shè)計(jì)，它是一種用來提供穩(wěn)定的頻率信號(hào)的設(shè)備，它的穩(wěn)定度在很大程度上直接影響一些精密儀器的性能。現(xiàn)在精密儀器設(shè)備對(duì)頻率源的精度和頻譜等指標(biāo)的要求越來越高，所以設(shè)計(jì)一種高穩(wěn)定度的頻率合成器是十分有意義的。

利用鎖相環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)的頻率合成器是一種高性能的頻率源，它可以有效的將參考時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定度傳輸給我們所需要的輸出信號(hào)。一般的鎖相環(huán)常采用圖1所示的電路形式。本設(shè)計(jì)以CPT（相干布居囚禁）原子鐘作為頻率參考，CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-10。如果將這一穩(wěn)定度能傳遞給輸出頻率，我們將會(huì)得到一個(gè)頻率穩(wěn)定度較高的頻率源.同時(shí)通過單片機(jī)進(jìn)行頻率設(shè)定和檢測(cè)就可以十分方便的應(yīng)用到電學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

圖1　一般鎖相環(huán)的電路形式

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

本系統(tǒng)以CPT原子鐘為頻率參考，VCO（壓控振蕩器）產(chǎn)生頻率信號(hào)之后經(jīng)過兩級(jí)分頻器分頻之后通過PD（鑒相器）與參考信號(hào)進(jìn)行比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)過LPF（環(huán)路濾波器）處理之后傳遞給VCO，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制。

一般的CPT原子鐘的輸出頻率為10MHz,所以頻率參考信號(hào)也經(jīng)過分頻器降低頻率之后再進(jìn)行使用。所有分頻器的分頻比由單片機(jī)進(jìn)行控制。新的系統(tǒng)電路組成如圖2所示。

2.1CPT原子鐘

基準(zhǔn)參考頻率采用CPT原子鐘，我們平時(shí)所用的高精度時(shí)鐘一般每年大約會(huì)有1分鐘的誤差，在日常生活中影響不大，但是在高要求的科研生產(chǎn)任務(wù)中準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具是極其重要的。目前世界上最精確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘。CPT原子鐘通是利用原子的相干布居囚禁原理設(shè)計(jì)而成的一種原子鐘，具有功耗低、體積小、性價(jià)比高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　系統(tǒng)框圖

2.2鑒相器上的使用

鑒相器采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路MC145152-2,MC145152-2采用并行輸入方式，由16根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模CMOS-LSI鎖相環(huán)頻率合成器。MC145152-2由雙端輸出相位檢測(cè)器、邏輯控制、10位可編程÷N（3≤N≤1023）計(jì)數(shù)器和6位可編程÷A（3≤N≤63）計(jì)數(shù)器和鎖定檢測(cè)部分組成。

φR和φV為相位檢測(cè)輸出端，輸出的信號(hào)分別為fr和fv可能出現(xiàn)三種情況：（1）頻率fv大于fr或fv相位超前，則φV為低脈沖而φR保持高電平；（2）頻率fv小于fr或fv相位滯后，則φR為低脈沖而φV保持高電平；（3）頻率fv等于fr并且兩者同相那么除了在極短時(shí)間內(nèi)φR和φV為同相低脈沖，二者同時(shí)保持高電平。

2.3環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)采用有源比例積分濾波器，其電路如圖3所示（以 LM358為例）。在設(shè)計(jì)的過程中主要考慮壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（kv）、鑒相器靈敏度（kd）、鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)（a）、環(huán)路自然諧振角頻率(wn)以及環(huán)路總的分頻次數(shù)（n）這幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算。a 的取值范圍為 0.5～1.0，一般選擇a=√2。其中kd=VDD/ 2π（VDD 為運(yùn)算放大器的工作電壓）。

在這里要注意的是wn的值直接決定了環(huán)路濾波器的捕捉時(shí)間，為了使環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制作用，wn要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鑒相頻率，一般情況下鑒相頻率為wn的30到1000倍。

圖3　環(huán)路濾波器電路模型

2.4壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

MC1648是MOTOROLA公司生產(chǎn)的一款壓控振蕩器，產(chǎn)生信號(hào)的頻率可以達(dá)到225MHz。如圖4所示，利用C1和L1產(chǎn)生一個(gè)tank回路，變?nèi)荻O管D1、D2包含在tank回路中用來提供給VCO提供一個(gè)可變的電壓輸入，變?nèi)荻O管接反了也是可以震蕩的，但是環(huán)路不能鎖定。輸出頻率越高選擇的電容越小，電感也越小。計(jì)算公式為：

Cs為靜態(tài)電容C1，C1盡量選擇獨(dú)石電容，保證電容的穩(wěn)定性。

Cd為變?nèi)荻O管的電容值。AGC內(nèi)部電路可以設(shè)定輸出信號(hào)tank環(huán)路的峰峰值，由于tank環(huán)路的電壓變化為輸出緩沖器提供電壓，AGC的電位直接影響到輸出波形，如果輸出頻率超過100MHz，應(yīng)該增加tank環(huán)路的峰峰值以便于使輸出信號(hào)更加尖銳，這可以通過在AGC端和最高電源之間串聯(lián)一個(gè)最小1K?的電阻。

圖4　壓控振蕩器電路

2.5分頻器及其控制電路

參考頻率信號(hào)的分頻采用MC145159-2內(nèi)置的R分頻器，R分頻器由TTL電平控制共有八種分頻比，分別為8，64，128，256，512，1024，1160，2048。

輸出信號(hào)因?yàn)轭l率過高，加上前置分頻器。前置分頻器采用MC12022，通過控制前置分頻器的SW和MC兩端進(jìn)行分頻比的選擇，可以實(shí)現(xiàn)64，65，128，129四種分頻比，在這里為了描述方便我們定義為H分頻。經(jīng)過前置分頻處理的信號(hào)直接傳遞給MC145152-2的信號(hào)輸入端，然后利用內(nèi)部的N分頻和A分頻進(jìn)行分頻處理。10位÷N計(jì)數(shù)器，6位÷A計(jì)數(shù)器。

所有的分頻處理都采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行控制，通過矩陣鍵盤設(shè)置分頻比。MC145152-2的LD為鎖定信號(hào)輸出端，當(dāng)環(huán)路鎖定之后輸出高電平，失鎖狀態(tài)下輸出低電平，將這個(gè)引腳連接到單片機(jī)的IO口，當(dāng)環(huán)路鎖定的時(shí)候單片機(jī)可以通過外圍電路給出提示。

3　測(cè)試數(shù)據(jù)

用Aglient 53132A頻率計(jì)測(cè)試輸出的信號(hào)，每30s記錄一個(gè)數(shù)值，連續(xù)記錄三個(gè)數(shù)值，結(jié)果如下。

參考頻率　理論輸出值　實(shí)際值1　實(shí)際值2　實(shí)際值3 10MHz　 80MHz　 80.000002.123　 80.000002.117　 80.000002.125 10MHz　 160MHz　 160.000005.75　 160.000005.82　 160.000005.72 10MHz　 180MHz　 180.000013.25　 180.000013.46　 180.000013.38

4　結(jié)語

采用高精度的CPT原子鐘作為參考信號(hào)，使得輸出的信號(hào)具備高穩(wěn)定度、高精度等優(yōu)點(diǎn)。通過PLL技術(shù)設(shè)計(jì)的頻率合成器，具有頻率穩(wěn)定度高，信號(hào)穩(wěn)定，可以很好的應(yīng)用在通信、儀器儀表等行業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

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段金杰（1994―），男，山東日照人，大學(xué)本科，研究方向：電子信息工程。

蔡婷（1994―），女，湖北武漢人，大學(xué)本科，研究方向：自動(dòng)化控制。

作者簡(jiǎn)介：