高穩(wěn)定度鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

一、引言

本文介紹一種高穩(wěn)定度和相位噪聲的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，適用于對(duì)頻率源指標(biāo)要求較高，鎖定時(shí)間要求較低的場(chǎng)合，而且相對(duì)于單個(gè)高穩(wěn)定度和相位噪聲的頻率源來說成本較低。

鎖相環(huán)電路是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，它的基本原理是利用相位誤差電壓取消除頻率誤差，所以當(dāng)電路達(dá)到平衡之后，雖然有剩余相位誤差存在，但頻率誤差可以降低到零，從而實(shí)現(xiàn)無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。而且鎖相環(huán)電路還具有科研不用電感線圈、易于集成化、性能優(yōu)越等許多有點(diǎn)，因此廣泛用于通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、導(dǎo)航、儀表和電機(jī)都方面。

圖1是一個(gè)鎖相環(huán)的構(gòu)成框圖，PLL電路基本上由下述三大部分組成：

鑒相器（phase Detector或phase Comparator）鑒相器用于檢測(cè)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差；環(huán)路濾波器（loop Filter）是將鑒相器輸出含有紋波的電流信號(hào)平均化，將此變換為交流成分少的直流信號(hào)的低通濾波器。環(huán)路濾波器除濾除紋波功能外，還有一種重要作用，即決定穩(wěn)定進(jìn)行PLL環(huán)路控制的傳輸特性；壓控振蕩器（Voltage Controlled Osillator）就是用輸入直流信號(hào)控制振蕩頻率，他是一種可變頻率振蕩器。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，要求信號(hào)的頻率越來越穩(wěn)定，一般的振蕩器已經(jīng)不能滿足要求，于是出現(xiàn)了高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的時(shí)鐘振蕩源。但是高穩(wěn)定度的時(shí)鐘振蕩源價(jià)格比較昂貴，對(duì)于成本的節(jié)約上有很大的限制。于是利用鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生高精度高穩(wěn)定度的頻率源應(yīng)運(yùn)而生，只需要一個(gè)成本不高的時(shí)鐘源和一個(gè)高穩(wěn)晶振就可以實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定度的時(shí)鐘頻率輸出，圖2是一個(gè)高穩(wěn)定度鎖相環(huán)的框圖電路。

二、電路框圖

本文利用的是單片機(jī)STC12C5410AD和鑒相器芯片ADF4001以及一個(gè)高穩(wěn)壓控晶振實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)電路，電路框圖如圖3所示。

1.器件選擇

單片機(jī)用普通的單片機(jī)即可，本設(shè)計(jì)使用的是STC系列單片機(jī)，也可以使用51系列的單片機(jī)；ADF4001是AD公司的一款鑒相器芯片，最大輸出頻率可到200MHz，它內(nèi)部含有一個(gè)13位、一個(gè)14位的分頻器，可以對(duì)輸入頻率進(jìn)行分頻，使鑒相頻率一致；高穩(wěn)定度的壓控晶振可以自己選擇，適合自己要求的，表1是我們自己選擇的恒溫晶振部分指標(biāo)。

2.環(huán)路設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是鎖相環(huán)的重點(diǎn)，它決定了鎖相環(huán)的指標(biāo)好壞。環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在環(huán)路帶寬上，環(huán)路帶寬會(huì)影響鎖定時(shí)間、相位噪聲和短穩(wěn)等指標(biāo)。環(huán)路帶寬與鎖定時(shí)間成反比關(guān)系；大于環(huán)路帶寬部分的相位噪聲由晶振決定，小于環(huán)路帶寬部分的相位噪聲由參考信號(hào)決定。環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)方法比較多，各有優(yōu)勢(shì)，下面是本設(shè)計(jì)采用的參數(shù)計(jì)算方法，環(huán)路帶寬設(shè)置為0.5Hz、相位裕度45°，鑒相頻率100kHz。采用三階無源濾波器。圖4是我們的三階無源濾波器電路。

首先已知相位裕度φ、參考頻率fc、鑒相頻率fcomp、壓控靈敏度Kv、鑒相靈敏度Kφ、輸出頻率fout、時(shí)間常數(shù)T31（取0到1之間）。

根據(jù)以上公式和已知條件，即可計(jì)算除電路中各個(gè)元器件的值。當(dāng)然這只是一種環(huán)路濾波器的計(jì)算方法，也可以使用AD公司提供的ADIsimPLL軟件進(jìn)行計(jì)算，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

一般環(huán)路濾波器首選無源濾波器，因?yàn)闊o源濾波器相對(duì)于有源濾波器來說，引入的相位噪聲更小一點(diǎn)。除非壓控電壓超出了無源濾波器的輸出電壓范圍，我們才選擇有源濾波器。

3.軟件部分

表2是ADF4001內(nèi)部寄存器設(shè)置圖表。

根據(jù)寄存器配置表所寫的程序如下

表1 高穩(wěn)晶振指標(biāo)

表2 測(cè)試結(jié)果

圖1 PLL電路/頻率合成器構(gòu)成

圖2 高穩(wěn)定度鎖相環(huán)框圖電路

圖3 高精度鎖相環(huán)電路框圖

圖4 三階無源濾波器電路

圖5 vco輸出功率分配電路

表2 ADF4001內(nèi)部寄存器設(shè)置圖表

4.注意問題

（1）電源

因?yàn)槲覀兪褂玫氖歉哽`敏度的壓控晶振，對(duì)電壓特別敏感，所以在處理電源濾波上要非常到位，特別是ADF4001的供電電壓必須適用穩(wěn)定度高的穩(wěn)壓器，因?yàn)楣╇婋妷褐苯佑绊懫骷?nèi)部電荷泵的電流，從而影響環(huán)路輸出電壓，導(dǎo)致晶振輸出穩(wěn)定度變差。我們?cè)阼b相器電源引腳一次放置0.1uF、0.01uF、100pF的電容，最大限度濾除電源線上的干擾。還在電源線上串一個(gè)小電阻，進(jìn)一步對(duì)噪聲進(jìn)行隔離。

（2）VCO的輸出功率分配

VCO的輸出通過一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)端口匹配到50歐姆，如圖所示，利用三個(gè)18歐姆的電阻組成的T型網(wǎng)絡(luò)完成。這樣做會(huì)使B點(diǎn)和C點(diǎn)的功率比A點(diǎn)的功率低6dB，設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意。圖5是輸出功率的電阻分配圖。

總之，要取得良好的相位噪聲和短穩(wěn)，要在各個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，還應(yīng)該注意以下的問題：

1）PLL芯片工作的電源紋波足夠低——不會(huì)惡化噪聲基底

2）PLL芯片的RF反饋輸入（VCO的輸出）具有合適的驅(qū)動(dòng)能力——不容許計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤計(jì)數(shù)

3）PLL芯片的REF參考輸入具有合適的驅(qū)動(dòng)能力——不容許計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤。

4）PLL環(huán)路濾波器的電阻不會(huì)增加任何額外噪聲——不高于熱噪聲

5）VCO的工作電壓紋波足夠小——不會(huì)惡化由于頻率牽引引起的相位噪聲。

6）環(huán)路濾波器屏蔽足夠好——VCO控制線上不會(huì)串入其他干擾信號(hào)，防止來源于數(shù)字電路的窄脈沖信號(hào)出現(xiàn)在濾波器的輸入端并直接耦合到輸出端。

三、測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過不斷的調(diào)試，測(cè)試結(jié)果如表2

由測(cè)試結(jié)果科研看出，經(jīng)過鎖相環(huán)之后，穩(wěn)定度和相位噪聲的指標(biāo)跟晶振的指標(biāo)基本一致，改善了時(shí)鐘源的指標(biāo)。

四、結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度和相位噪聲的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，適用于對(duì)頻率源指標(biāo)要求較高，鎖定時(shí)間要求較低的場(chǎng)合，而且相對(duì)于單個(gè)高穩(wěn)定度和相位噪聲的頻率源來說成本較低。由于本人水平有限以及研究場(chǎng)合等因素制約，難免會(huì)存在一些瑕疵，仍需近深入研究，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的完善和提高。

[1]姜艷波,等編著.穩(wěn)態(tài)電路與鎖相環(huán)電路實(shí)例——CMOS數(shù)字集成電路應(yīng)用百例[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2009-05.

[2]黃智偉.鎖相環(huán)與頻率合成器電路設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2008-10.

[3]F.M.Gardner,Phaselock Techniques,2nd ed.,Wiley,New York,1979.