宋才賢,王利強(qiáng)
(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院,天津 300222)
自頻率合成技術(shù)問世以來,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已逐漸形成了4 種主要的合成方法,包括直接頻率合成技術(shù)、間接頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和混合式頻率合成技術(shù)[1]。當(dāng)前市面上有很多DDS 芯片開發(fā)而成的頻率源,這些頻率源有輸出波形失真小、頻率轉(zhuǎn)換速度快、高分辨率和輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然這些頻率源性能突出,但也存在著不少缺點(diǎn),例如合成信號雜散高、容易在工作時(shí)產(chǎn)生截?cái)嘣肼?,而且?gòu)成頻率源的DDS 芯片的控制部分需要用到高速處理器,應(yīng)用存在局限性。至今,頻率源經(jīng)歷了高速發(fā)展,高頻、超高頻和微波頻率源,已形成標(biāo)準(zhǔn)系列。間接頻率合成技術(shù)——鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)穩(wěn)定性高、精度高,且成本和功耗都較低[2]。基于鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn),本文利用鎖相環(huán)基本原理,設(shè)計(jì)頻率源中的一種高性能頻率源——鎖相環(huán)頻率源。
本文采用ADF4106 高集成度鎖相環(huán)芯片來設(shè)計(jì)頻率源。鎖相技術(shù)采用相位負(fù)反饋原理,通過比較輸入信號和VCO 輸出信號的相位差,產(chǎn)生與相位差成正比的誤差電壓,利用該誤差電壓來控制振蕩器的輸出頻率,使其與輸入信號頻率相等[3-5]。頻率源的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)由晶體振蕩器、參考R 分頻器、鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)、程序N 分頻器和STC15W4K56S4單片機(jī)等部分構(gòu)成。通過STC15W4K56S4單片機(jī)來對頻率源進(jìn)行控制,頻率源便可輸出對應(yīng)頻率的信號。
圖1 頻率源的整體結(jié)構(gòu)
2.1.1 ADF4106 鎖相環(huán)芯片
本文采用ADI 公司生產(chǎn)的ADF4106 鎖相環(huán)芯片,其具有高頻率上限和卓越的性能。該芯片由低噪聲數(shù)字鑒相器(PDF)、精確的充電泵、可編程的基準(zhǔn)分頻器、可編程的A(6 位)和B(13 位)計(jì)數(shù)器以及雙模式前置分頻器(P/P+1)等組成[6]。ADF4106 最顯著的特點(diǎn)是其極高的工作頻率,最高可達(dá)6 GHz。使用ADF4106 設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)路具有寬廣的帶寬,因此,在高頻系統(tǒng)中不需要使用倍頻器,從而消除了倍頻器帶來的諧波、雜波和噪聲干擾,有助于提高系統(tǒng)性能,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低功耗和設(shè)備成本[7]。ADF4106 中的鑒相器在鎖相環(huán)路中扮演相位比較的角色,先將2 個(gè)輸入信號相減,以獲取其之間的相位差,然后將相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓輸出。鑒相器可以被視為將相位差轉(zhuǎn)換為電壓的裝置,在理想情況下,鑒相器的輸出電壓平均分量與2 個(gè)輸入信號的相位差成正比,其傳輸特性為
式中:Ad為鑒相靈敏度,V/rad。
2.1.2 壓控振蕩器
壓控振蕩電路是一種輸出頻率與輸入控制電壓存在對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路。其輸出信號頻率取決于輸入控制電壓,而輸入控制電壓則決定了振蕩器的工作狀態(tài)。在鎖相環(huán)路中,輸入控制電壓是誤差信號電壓,而壓控振蕩器則是一個(gè)受控部件。經(jīng)過綜合考慮,本文采用高致遠(yuǎn)電子公司生產(chǎn)的MVE 系列壓控振蕩器,其輸出頻率范圍為515~1 150 MHz,控制端電壓為0~12 V。
環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)對鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用,環(huán)路濾波器一般是由線性元件電阻和電容構(gòu)成的線性電路。環(huán)路濾波器可以提高電路的抗干擾性能,可以濾除鑒相器輸出誤差電壓Vd(t)中的高頻成分和噪聲,提取平均分量并用于控制壓控振蕩器的頻率[8]。其輸出電壓Vc(t)和輸入電壓Vd(t)的關(guān)系可用常系數(shù)線性微分方程式表示,設(shè)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F(s),則
環(huán)路濾波電路對信號的動態(tài)響應(yīng)取決于環(huán)路濾波的階數(shù)和噪聲帶寬。本次環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將ADF4106 鑒相器輸出的鑒相電壓經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后轉(zhuǎn)換成壓控振蕩器的控制電壓。通過仿真軟件ADIsimPLL 設(shè)置相關(guān)參數(shù),直接生成構(gòu)成環(huán)路濾波器的電阻和電容等參數(shù)值,如圖2 所示。
圖2 環(huán)路濾波器接線圖
對鎖相環(huán)頻率源的設(shè)計(jì)有諸多考慮,如圖3 所示。ADF4106 芯片的2 腳CP 出來需要接入環(huán)路濾波電路,目的是對充電泵輸出的鑒相器電壓信號濾除紋波。經(jīng)環(huán)路濾波電路輸出的信號接入到壓控振蕩電路的諧調(diào)電壓輸入端(VT),然后將壓控振蕩電路的輸出接入到ADF4106 芯片的6 腳RFINA 形成鎖相環(huán)路。ADF4106芯片的8 腳REFIN 接入有源晶振輸入一個(gè)時(shí)鐘信號,壓控振蕩電路便輸出一個(gè)不同頻率的信號,這個(gè)不同頻率的信號接回到ADF4106 芯片,經(jīng)過ADF4106 芯片內(nèi)置程序分頻器N分頻后,與晶振輸出經(jīng)過R分頻后的信號進(jìn)行相位比較,如果相位相同,則諧調(diào)電壓穩(wěn)定,壓控振蕩電路輸出的信號便穩(wěn)定;如果相位不同,諧調(diào)電壓就要做相應(yīng)調(diào)整,從而壓控振蕩器輸出信號的頻率便也會做相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)其相位調(diào)整一致時(shí),整個(gè)反饋環(huán)路就穩(wěn)定了,這個(gè)時(shí)候鎖相完成,最終輸出一個(gè)頻率穩(wěn)定的信號。要實(shí)現(xiàn)上述過程,離不開STC15W4K56S4 單片機(jī)的控制,ADF4106 中引腳名為LE、DATA、CLK 的引腳對應(yīng)連接STC15W4K56S4 單片機(jī)的P4.0、P3.3、P3.5 引腳。通過按鍵模塊改變ADF4106 內(nèi)分頻器參數(shù)的值,并將分頻器參數(shù)的值于0.96OLED 液晶顯示屏顯示出來,同時(shí)頻率源輸出對應(yīng)頻率的信號。
圖3 頻率源整體電路原理圖
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)大體上采用層次化的設(shè)計(jì)方式。先要對0.96OLED 液晶顯示器初始化,然后對ADF4106 芯片初始化輸出,之后進(jìn)行按鍵掃描,當(dāng)按鍵沒有按下時(shí),一直進(jìn)行按鍵掃描,當(dāng)按鍵按下時(shí),系統(tǒng)將對按鍵輸入信號進(jìn)行識別,之后STC15W4K56S4 單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送指令給ADF4106,對ADF4106 芯片內(nèi)R 分頻器、N 分頻器的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置,使得系統(tǒng)輸出對應(yīng)頻率的信號,之后重新回到按鍵掃描,如此循環(huán)往復(fù)。頻率源整體軟件流程圖如圖4 所示。
圖4 頻率源整體軟件流程圖
如圖5 所示,使用環(huán)路濾波電路設(shè)計(jì)軟件——ADIsimPLL 進(jìn)行仿真,通過設(shè)置VCO 的輸出頻率范圍、鑒相器頻率(fr/R)、壓控靈敏度(Kv)及參考頻率等參數(shù),可得仿真結(jié)果。當(dāng)設(shè)置fr/R為25.00 kHz,N為25 803 時(shí),運(yùn)用公式fo=N×fr/R,可得頻率源輸出頻率為645.07 MHz,如圖5 中的頻率-時(shí)間圖,仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致,表明環(huán)路濾波器元器件參數(shù)值設(shè)置合理,頻率源整體設(shè)計(jì)合理。
圖5 ADIsimPLL 軟件仿真
通過示波器顯示所設(shè)置輸出信號的波形。設(shè)置頻率源輸出515 MHz 信號,頻率源實(shí)際輸出信號波形如圖6所示;設(shè)置頻率源輸出805 MHz 信號,頻率源實(shí)際輸出信號波形如圖7 所示。通過對實(shí)際輸出信號的多次測試和觀察,發(fā)現(xiàn)實(shí)際輸出信號的頻率與設(shè)置輸出信號的頻率一致。
圖6 頻率源輸出515MHz 信號
圖7 頻率源輸出805MHz 信號
在電子通信系統(tǒng)中,頻率源的作用至關(guān)重要,其性能直接決定通信質(zhì)量的優(yōu)劣。本文詳細(xì)講述了鎖相環(huán)式頻率源設(shè)計(jì)的基本原理,并在此基礎(chǔ)上做了實(shí)際的研究。本設(shè)計(jì)通過STC15W4K56S4 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對頻率源輸出信號的實(shí)時(shí)控制。通過ADIsimPLL 軟件對環(huán)路濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過設(shè)置相關(guān)參數(shù),對輸出信號進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果符合研究預(yù)期。調(diào)試結(jié)果分析表明,本頻率源能夠輸出515~805 MHz 的設(shè)定頻率信號,應(yīng)用范圍廣泛。