一種基于PLL的P波段可控頻率源

劉文豹 楊自強 陳濤

摘要：介紹了一種P波段可控頻率源的設計方案和相關理論，采用PLL即鎖相技術實現P波段的頻率產生，具有相位噪聲低，雜散低的特點。利用單片機作為數據處理核心對鎖相環的鑒相器進行置數和控制，實現了480～540MHz、步進為1MHz的可控頻率輸出。該頻率源的主要性能指標為：輸出頻率480～540MHz，頻率步進為1MHz，相位噪聲優于-82dBc@1kHz，雜散抑制優于-60dBc，鎖相環直接輸出功率為0.6～1.1dBm。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/164388.htm關鍵詞：P波段；可控頻率源；PLL；鑒相器；單片機

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.009

頻率源作為電子系統的核心，是決定電子系統性能的關鍵設備。雷達、通信、電子偵察和對抗設備中，高性能的頻率源是實現其整體設備高性能指標的關鍵技術之一。頻率源的相位噪聲和雜散抑制的性能直接影響整個系統的性能。其中采用鎖相環設計的頻率源具有輸出頻率高、頻率穩定度高、頻率純、低相噪、雜散抑制好等優點。

鎖相環的基本原理

PLL（鎖相環）是一種反饋控制電路，PLL在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相同時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱的由來。PLL通常由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鑒相器把輸入信號的相位與壓控振蕩器輸出信號的相位進行比較，輸出一個正比于兩個輸入信號相位差的電壓（或者電流）加到環路濾波器上，抑制噪聲和高頻分量后，再加到壓控振蕩器上，控制其頻率變化，使輸入信號與壓控振蕩器信號之間的相位差逐漸減小，最后達到動態鎖定。鎖相環的基本結構如圖1。

其中N分頻器是由單片機編程控制的，因此這種合成器又體現了程序設計和鎖相技術的結合。從總體結構看，它由單片機、鎖相環和可編程分頻器三部分組成。

電路設計與實現

本設計設計目標是一個可控的鎖相環頻率合成器。因此本電路結合典型鎖相環電路和單片機控制電路，通過單片機改變鎖相環中的鑒相器的分頻比來改變最終的頻率輸出。鎖相環中的低通濾波器采用運算放大器構成的有源低通濾波器。基本設計框圖如圖2。

鑒相器我們采用了RU-16封裝的ADF4112，ADF4112是一種直接數字式頻率合成器，它由一個低噪聲的數字相位/頻率檢波器PFD，一個精密的充電泵，一個可編程的參基準分頻器，可編程的A、B計數器，和一個雙模式的前置分頻器（P/P+1）。A（6位）和B（13位）計數器連同雙模式的前置分頻器（P/P+1），能實現一個分頻比為N的分頻器。除此之外，14位的基準計數器（R計數器）允許在PFD的輸入端選擇REFIN的頻率輸入。通過對R、P、A、B的編程可使電路輸出頻率變化。

裝的AVR單片機Atmega8，參考晶振采用10MHz有源晶振，顯示采用共陰四聯數碼管。該設計整體電路原理圖如圖3。

本設計的最終實物圖如圖5，采用按鍵控制輸出頻率的大小，并可通過數碼管進行顯示。采用SMA接頭輸出。

采用HP8591E頻譜儀分別對該頻率源的雜散、相噪和輸出功率進行測試。測試結果顯示該P波段頻率源輸出相位噪聲和雜散均滿足要求，輸出相位噪聲均優于-82dBc@1kHz，雜散抑制優于-60dBc，輸出頻率與顯示輸出頻率一致。各頻點輸出功率與頻率的關系如圖6。

結語

本設計采用鎖相環與單片機編程相結合的方法，研制出一個輸出頻率可控、低相位噪聲、低雜散的P波段頻率源。該設計電路結構簡單，體積小巧，性能優良，能夠用于實際電路中為各種收發通信系統提供本振。在多通道的收發系統中可提供可變的頻率源，可簡化收發系統的電路形式，降低成本。

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