基于ＡＤＦ４１１３的锁相环频率合成器_锁相环频率合成器

　　摘要：频率合成技术是现代通信电子系统实现高性能指标的关键技术之一,很多电子设备的功能实现都直接依赖于所用频率合成器的性能,因此人们常将频率合成器称为电子系统的“心脏”。
　　在无线通信领域中，高性能频率源是通信设备、雷达、电子侦察和对抗设备、精密测量仪器的核心部件。现代通信系统对频率源的精度、分辨率、转换时间及频谱纯度等提出了越来越高的要求，性能卓越的频率源均通过频率合成技术来实现。本文所讨论的锁相环频率合成技术是基于锁相环路的同步原理，由一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器，综合出大量离散频率的一种技术。锁相环频率合成器是一种相位锁定装置，是一种频率稳定度较高的离散间隔型频率信号发生器。
　　关键词：频率源；频率合成；锁相环
　　
　　频率源技术是一项技术难度很大的先进电路技术。它的好坏直接影响雷达，导航通讯，空间电子技术及仪器仪表等的性能指标。主要发达国家掌握这项技术，它们的电子系统性能好，他们的合成信号源，频谱分析仪，网络分析仪等高价向国内倾销，这些仪表的关键技术是有一个好的频率源。频率源的好坏直接影响微波系统高频系统的性能是这些系统中的核心。频率源是所有电子系统（雷达、通讯、测控、导航等）的基本信号来源，其主要包括固定频率源和合成频率源两类。
　　固定频率源通常包括固定频率振荡器、固定点频锁相源和晶振倍频器等。合成频率源又称频率合成器或频率综合器，其构成方式可分为直接式和间接式。采用锁相环技术的间接频率合成器目前应用最为广泛。
　　
　　 一、PLL的概述
　　
　　为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO和PLL ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复，到锁频的目的。
　　PLL是作为闭环控制系统工作，用于比较基准信号与VCO的相位。增设基准和反馈分频器的频率合成器负责比较两个由分频器的设定值调节相位。该相位比较在相位检波器中完成，在大多数系统中，这种相位检波器是一个相位和频率检波器。该相位-频率检波器生成一个误差电压，此误差电压在±2π的相位误差范围内近似为线性，并在误差大于±2π的情况下保持恒定。相位-频率比较器所采用的这种双模式操作可生成针对大频率误差（比如，当PLL在上电期间起动时）的较快的PLL锁定时间，并避免被锁定于谐波之上。
　　
　　二、工作原理
　　
　　锁相环是频率合成技术的基础。锁相环路(PLL)通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LP)、压控振荡器(VCO)和可变程序分频器组成。
　　锁相环路是一个相位误差控制系统，它比较输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差，产生一个对应于两个信号相位差的误差电压，该误差电压经处理后去调整压控振荡器的频率（相位）。当环路锁定时，输入信号与压控振荡器输出信号频差为零，相位差不再随时间变化，此时，误差控制电压为一固定值，压控振荡器输出频率与输入信号频率相等，即fo=fr。锁相环路的这一特点，使它在自动频率控制中得到应用，以实现精确的频率控制。环路在锁定时要得到一定的控制电压，则鉴相器必须有一个非零的输出，即，环路作用必须有相位差，相位差维持着两信号的同步，使输出信号频率稳定。
　　锁相环基本原理方框图如图1所示。�
　　
　　鉴相器又称比相器，对输入信号与环路输出信号的相位进行比较, 产生误差控制电压；环路滤波器滤除误差电压中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性；压控振荡器的振荡频率受环路滤波器输出电压的控制，使压控振荡器输出信号频率向输入信号频率靠拢，两个信号间的相位差减小。可变程序分频器的作用是使压控振荡器的输出频率经分频后再与参考频率进行相位比较，从而产生误差控制电压，并以误差控制电压来调整压控振荡器的相位。
　　
　　三、锁相环芯片ADF4113介绍
　　
　　ADF4113是美国ADI公司最新生产的锁相环芯片，它是一种频率上限高、性能好的集成数字锁相环频率合成器芯片，集成锁相环芯片ADF4113具有较高的工作频率，最高达到4.0GHz，它主要应用于无线发射机和接收机中，为上下变频提供本振信号。该芯片主要由低噪声数字鉴相器，精确电荷泵，可编程参考分频器，可编程A、B计数器及双模前置分频器（P/P＋1）等部件组成。数字鉴相器用来对R计数器和N计数器的输出相位进行比较，然后输出一个与二者相位误差成比例的误差电压。鉴相器内部还有一个可编程延迟单元，用来控制翻转脉冲的宽度，这个翻转脉冲保证鉴相器的传递函数没有死区，因此，降低了相位噪声和参考杂散。精确电荷泵采用可编程电流设置完成输出。可编程参考分频器实际上是一个14bit的R计数器，主要完成对外部恒温晶振进行分频，分频比的范围是1至16383，从而得到参考频率。可编程A、B计数器及双模前置分频器（P/P＋1）共同完成主分频比N（N=BP＋A）, 双模前置分频器（P/P＋1）也是可编程的，P的取值有几种模式：8/9，16/17，32/33，64/65。
　　ADF4113的最大特点就是它的极高的工作频率，使得许多高频系统的倍频装置得以精简，还简化了系统结构，降低了功耗和设备成本。因此，它在高频电路系统中得到广泛应用。
　　
　　 四、编程控制
　　
　　ADF4113的数字部分包括一个24位输入移位寄存器、一个14位R计数器和一个19位N计数器（含A、B计数器）。锁定频率按公式fVCO =〔( P ×B ) +A 〕×fref /R 计算。其中: P为预设分频模值; A 、B为对应于待锁定信号的可配置6位、13位分频器计数值; fref为鉴相器工作基准频率; R对应于基准频率的分频器的13位计数器设定值。关于分频模值P的选取, 电路提供有8、16、32、64 四种,选择依据是fVCO /P的值要小于200MHz。给ADF4113配置数据时要严格按照AD 公司给定的时序(参见图4) ,每个寄存器24位,传送时,高位在前低位在后,在LE端处于低电平时, CLOCK给出上升沿,数据由单片机经DATA端移存至ADF4113内部寄存器。图中标识的时间t1～ t6的最小值均为纳秒级,单片机的工作频率处于微秒级,时序上完全满足要求。
　　
　　ADF4113的内部寄存器有四个, 包括Ｒ计数锁存器、Ｎ计数锁存器、功能锁存器以及初始化锁存器。寄存器的识别靠传送数据的末两位DB0，DB1来区分。
　　环路滤波器的输出去驱动压控振荡器，在这里，压控振荡器选用Hittite Microwave公司的HMC506LP4，它具有很高的振荡频率；该器件适用于4GHz频率范围内的测试设备、军事、微波无线、航空、工业控制、实验室等应用场合。它具有良好的相位噪声参数，适合作为本频率合成器的压控振荡器。压控振荡器的输出与分频器相连又反馈到ADF4113的射频输入端，形成环路，进而推动射频输出端。
　　
　　 五、结论
　　
　　与低频电路相比，高频模拟电路的布局对电路性能影响较大，尤其是对于工作频率较高的射频模拟电路更是如此，以高集成度的ADF4113为核心的频率合成器，实现了高频率源的设计。利用频谱分析仪测试，系统的输出增益较高，锁频速度快，稳定度高等特点，从而满足高频通信系统提供频率源实用要求。