成都信息工程大學(xué) 胡 格 王志鵬 文繼國(guó)

1 引言

頻率源是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)的重要功能單元，在收發(fā)射機(jī)、雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗和檢測(cè)儀器等電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，它的性能直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能[1]。隨著雷達(dá)等信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率源的穩(wěn)定性、相位噪聲、雜散和體積等性能指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求[2]。頻率源的設(shè)計(jì)方法有直接頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成、直接數(shù)字頻率合成、PLL+DDS頻率合成[3-4]。本文所設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)頻源是通過(guò)采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)頻率然后放大再通過(guò)倍頻，最后濾波得到我們最終所需的信號(hào)。

圖1 LMX2594功能框圖

2 鎖相環(huán)的工作原理

LMX2594是德州儀器生產(chǎn)的一款較高性能的寬帶合成器，能產(chǎn)生10MHz至 15GHz 范圍內(nèi)的任何頻率，其顯著特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)非常低的帶內(nèi)噪聲和集成抖動(dòng)。高速N分頻器沒(méi)有預(yù)分頻器，能夠有效減少雜散的數(shù)量和振幅。還有一個(gè)可減輕整數(shù)邊界雜散的可編程輸入乘法器。LMX2594可以是單端輸入輸出，也可以是差分輸入輸出。參考信號(hào)先由管腳 OSCINM 或 OSCINP 進(jìn)入芯片，經(jīng)過(guò)倍頻，R分頻器，然后再送到鑒相器。鑒相器的輸出經(jīng)過(guò)電荷泵后由管腳CPOUT 輸出至外部的環(huán)路濾波器，濾波后再經(jīng)過(guò)管腳VTUNE來(lái)控制VCO，VCO信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)可編程的N分頻器來(lái)控制需要的頻率，最后通過(guò)RFOUT輸出。

外部控制信號(hào)通過(guò)CSB、SCK、SDI管腳以總線的形式寫(xiě)進(jìn)芯片內(nèi)部寄存器；管腳MUXOUT不僅可以配置鎖定監(jiān)控輸出，還可以輸出內(nèi)部寄存器的值。圖1所示為L(zhǎng)MX2594的功能框圖，從圖中可以清楚地看出該芯片的各個(gè)功能模塊。

該芯片的輸出為：

圖2 K波段點(diǎn)頻源方案框圖

圖3 環(huán)路濾波器

圖4 時(shí)序圖

式中：Fout為芯片的輸出功率；k為VCO的分頻系數(shù)，根據(jù)芯片規(guī)定，k為0.5是倍頻輸出，k為1是基頻輸出，分頻輸出k只能設(shè)定為2~62的偶數(shù)；Fvco為VCO的輸出頻率；Fpfd為鑒相器頻率；R為參考支路分頻系數(shù)；Nint為反饋支路分頻系數(shù)的整數(shù)部分；Nfrac為反饋支路分頻系數(shù)的小數(shù)部分[5]。

3 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我們?cè)O(shè)計(jì)的K波段PLL頻率源的方案框圖如圖2所示。

恒溫晶振輸出頻率為100MHz信號(hào)給鎖相環(huán)LMX2594作為參考頻率，LMX2594鎖相輸出11900MHz信號(hào)，信號(hào)先經(jīng)過(guò)安華高公司生產(chǎn)的AMMC-5618放大器芯片放大后再進(jìn)入倍頻電路。倍頻電路采用TriQuint公司提供的TGA4040倍頻器進(jìn)行2倍頻，然后通過(guò)介質(zhì)帶通濾波器提取我們所需的信號(hào)，最后輸出23800MHz信號(hào)。

3.1 參考頻率的選擇

參考頻率的選擇對(duì)頻率源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，參考頻率的相噪和雜散越好，那么我們就會(huì)有較大的空間來(lái)選擇頻率合成方式和器件，輸出信號(hào)的相噪和雜散也會(huì)有一個(gè)好的指標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要從性能和成本方面考慮選擇溫補(bǔ)晶振或是恒溫晶振。我們參考LMX2594數(shù)據(jù)手冊(cè)，選取100MHz的有源晶振作為參考頻率。

3.2 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)電路中的一個(gè)重要組成部分，其鎖相輸出信號(hào)的相位噪聲、雜散以及鎖定時(shí)間與環(huán)路濾波器有著密切的關(guān)系。環(huán)路濾波器一般是線性電路，由運(yùn)算放大器，線性元件電容以及電阻組成。本文采用TI公司的PLLatinum Sim軟件設(shè)計(jì)出四階無(wú)源環(huán)路濾波器，如圖3所示，環(huán)路濾波器電路兩端分別接CPOUT管腳和VTUNE管腳。

3.3 電源的設(shè)計(jì)

由鎖相環(huán)芯片LMX2594的數(shù)據(jù)手冊(cè)知該芯片采用單個(gè)3.3V電源供電。為了實(shí)現(xiàn)更好的性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)電源采取模電和數(shù)電分開(kāi)供電的方式來(lái)提高電路的抗干擾性能，將Charge pump supply、VCO supply和digital supply分別分開(kāi)供電，單片機(jī)供電與digital supply共用一個(gè)電源腳。供電方式采取二級(jí)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓芯片分別為TPS62130和HMC1060。電源提供+15V電壓，經(jīng)過(guò)TPS62130輸出+5.3V電壓，+5.3V電壓經(jīng)過(guò)HMC1060輸出3個(gè)+3.3V電壓，分別供給LMX2594和C8051F330使用。

3.4 軟件的設(shè)計(jì)

LMX2594共有113個(gè)寄存器。其中包括整數(shù)分頻比寄存器、小數(shù)分頻比寄存器、鎖定監(jiān)測(cè)、輸出功率設(shè)定寄存器和VCO校準(zhǔn)寄存器等。通過(guò)SPI編程控制LMX2594內(nèi)部寄存器和監(jiān)視芯片內(nèi)部的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是Silicon公司的C8051F330，該單片機(jī)體積小，功能齊全。

數(shù)據(jù)寫(xiě)入是通過(guò)SPI總線的形式，寄存器的配置是通過(guò)SCK、SDI、CSB三個(gè)引腳，時(shí)序圖如圖4所示。

SCK是來(lái)自單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，SCK第一個(gè)上升沿，SDI為高電平即開(kāi)始寫(xiě)，CSB為寫(xiě)使能，低電平有效。SDI先輸入6位寄存器地址信號(hào)，再輸入16位數(shù)據(jù)，該16位數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)地址寄存器的值，在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)被送入芯片，高位先進(jìn)[6]。

本設(shè)計(jì)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯環(huán)境是KEIL uvision4，編譯后通過(guò)下載器USB Debug Adapter下載到單片機(jī)執(zhí)行。

4 整機(jī)測(cè)試

本文采用Agilent E4446A頻譜儀對(duì)該頻率源的相噪和雜散進(jìn)行了測(cè)試[7]。利用LMX2594產(chǎn)生11.9GHz的信號(hào)源，放大倍頻后得到23.8GHz的信號(hào)源。相噪測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。圖7為功率測(cè)試結(jié)果。圖8為23.8GHz點(diǎn)頻源的雜散。圖9為點(diǎn)頻源的實(shí)物圖。

圖5 1KHz相噪

圖6 10KHz相噪

圖7 23.8GHz功率

圖8 23.8GHz雜散

圖5顯示的是偏離載波1KHz時(shí)該點(diǎn)頻源的相噪為-91dBc/Hz；圖6顯示的是偏離載波10KHz時(shí)該點(diǎn)頻源的相噪為-97dBc/Hz；圖7顯示的是該點(diǎn)頻源的功率為12dBm；圖8顯示的是該點(diǎn)頻源的雜散為-65dBc；圖9是該點(diǎn)頻源的實(shí)物圖。

圖9 點(diǎn)頻源實(shí)物圖