高彥，曹文田，劉宗武

（78156部隊(duì)，甘肅蘭州，730020）

基于無(wú)線收發(fā)信機(jī)的高頻鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

高彥，曹文田，劉宗武

（78156部隊(duì)，甘肅蘭州，730020）

在無(wú)線收發(fā)信機(jī)電路中，除了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)外，還有一個(gè)非常重要的部分就是本地振蕩電路。為了保證本地振蕩模塊輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定性和較低的相位噪聲，通常本振采用鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別在無(wú)線通信領(lǐng)域。本文闡述了鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

鎖相環(huán)；鑒相器；環(huán)路濾波器；壓控振蕩器

0 引言

鎖相技術(shù)是一種相位負(fù)反饋技術(shù)，鎖相環(huán)電路具有極其優(yōu)良的性能，它的主要特點(diǎn)是：鎖定時(shí)無(wú)剩余偏差、具有良好的窄帶載波跟蹤性能、具有良好的寬帶調(diào)制跟蹤性能、門(mén)限性能好等，因此鎖相環(huán)電路在電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，特別是無(wú)線通信領(lǐng)域。通常在設(shè)計(jì)收發(fā)信機(jī)時(shí)，對(duì)于比較低的頻率信號(hào)，很容易用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于類(lèi)似410MHz的高頻信號(hào)，用晶體振蕩器不易實(shí)現(xiàn)，所以我們采用鎖相環(huán)(PLL)頻率合成的方法來(lái)產(chǎn)生。本文從鎖相環(huán)的原理開(kāi)始分析，給出了高頻鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)思路和電路實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)果驗(yàn)證。

1 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)組成

鎖相環(huán)的基本組成包括三個(gè)基本的部件，鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)。

（1）鑒相器。鑒相器是相位比較裝置，所以有時(shí)也叫做相位比較器或相敏檢波器。它把輸出信號(hào)u2(t)和參考信號(hào)u1(t)相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差e的誤差電壓ud(t)。

（2）環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）壓控振蕩器。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號(hào)的頻率接近，也就是使差拍頻率越來(lái)越低，直到消除頻率差而鎖定[2]。鎖相環(huán)總是能使輸出依賴(lài)跟蹤輸入信號(hào)相位的，環(huán)路總是鎖定的。但是，當(dāng)一個(gè)較大的頻率階躍加到輸入信號(hào)是可能會(huì)引起環(huán)路失鎖。當(dāng)然，鎖相環(huán)本身的控制機(jī)構(gòu)會(huì)努力去再次鎖定。這就引出鎖相環(huán)得一個(gè)非常重要的性能即鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。

2 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

擬設(shè)計(jì)的高頻鎖相環(huán)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 鎖相環(huán)的技術(shù)指標(biāo)

此鎖相環(huán)的核心是頻率合成器芯片ADF4116。使用單片機(jī)ATTINY26對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行操作，設(shè)定參考分頻器和程序寄存器分頻比及其他工作狀態(tài)。參考頻率選擇高穩(wěn)定度（±1PPM）的10MHz溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，輸入ADF4116后首先經(jīng)過(guò)參考分頻器，分頻后作為鑒相器的參考頻率。鑒相器輸出的電流大小反映了反饋頻率和參考頻率的差別，環(huán)路濾波器采用RC三階環(huán)路濾波器，由于壓控振蕩器的輸入端的電壓較大，而頻率合成器輸出電壓小，所以選擇了運(yùn)算放大器芯片AD820把誤差電壓信號(hào)放大，控制壓控振蕩器POS-535，輸出信號(hào)即為410MHz的本地振蕩器信號(hào)。下面具體介紹鎖相環(huán)的各個(gè)部分模塊電路設(shè)計(jì)和仿真。

（1）頻率合成器。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇了ADI公司的頻率合成器[芯片AD4116，它集成了一個(gè)低噪聲的數(shù)字鑒相器、一個(gè)可編程的分頻器以及其它模塊。另外可以通過(guò)簡(jiǎn)單的3-Wire接口控制片內(nèi)的寄存器，從而方便地控制芯片的工作狀態(tài)。

（2）單片機(jī)。選用Atmel公司的ATTINY26對(duì)頻率合成器進(jìn)行控制，這個(gè)控制器已經(jīng)夠用，沒(méi)有必要使用ATmega8/16等比較高端的單片機(jī)。

（3）環(huán)路濾波器。采用三階環(huán)路濾波器，環(huán)路帶寬20kHz。主要作用是衰減誤差電壓的高頻分量，提高抗干擾能力。

（4）運(yùn)算放大器。由于三階環(huán)路是有條件穩(wěn)定的，而本鎖相環(huán)又需要加一級(jí)運(yùn)放來(lái)放大誤差電壓，因此設(shè)計(jì)中，將無(wú)源三階濾波器和運(yùn)放和二為一，采用二階有源比例積分濾波器,既可以增加環(huán)路的穩(wěn)定性，又可以有一定的高頻增益，有利于環(huán)路的捕捉特性，還可提供足夠的電壓驅(qū)動(dòng)后級(jí)壓控振蕩器。采用ADI公司的運(yùn)算放大器AD820，實(shí)際上是用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)二階的低通濾波器電路，它的使用可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（5）壓控振蕩器。當(dāng)輸出410MHz的信號(hào)時(shí)，調(diào)諧靈敏度是20MHz/V，同時(shí)調(diào)諧電壓為8V。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 POS-535的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)方案仿真驗(yàn)證

利用ADI公司仿真軟件對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行性能仿真，仿真結(jié)果從圖1、圖2可以看出，輸出信號(hào)的中心頻率完全達(dá)到了410MHz的設(shè)計(jì)要求，頻率誤差上也隨著不斷的鎖定也逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了鎖相環(huán)電路的基本組成和工作原理，著重從穩(wěn)定性的角度出發(fā)，對(duì)高頻的鎖相環(huán)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)軟件仿真及實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖1 輸出頻率－時(shí)間圖

圖2 相位噪聲圖

[1]楊必文.一種CMOS電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2014.

[2]陳超.CMOS壓控振蕩器的研究[D].南京理工大學(xué),2013

Design of high frequency PLL circuit based on wireless transceiver

Gao Yan,Cao Wentian,Liu Zongwu
(unit 78156,Lanzhou Gansu，730020)

In the wireless transceiver circuit,except for transmitter and receiver,there is a very important part is the local oscillator circuit In order to ensure the stability of the local oscillation frequency of the output signal module and low phase noise,usually the vibration using PLL technology to achieve,especially in the field of wireless communications.This paper expounds the the basic structure and working principle of the phase-locked loop

Phase locked loop;phase discriminator;loop filter;voltage controlled oscillator