高頻快速鎖相源設計

王昊，沙莎

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.吉林東光奧威汽車制動系統有限公司，長春 130012）

近年來在陸、海、空等各大通信領域，無線電通信都發揮著重要的作用，無線電通信系統可以使己方得到更好地保護，同時能夠有效破壞或消弱敵方［1］。在現代通信電子系統中跳頻源技術為完成高性能的指標發揮著不可替代的作用，但該技術系統要求頻率源在各項性能指標上都要具備較高的水平。鎖相環路同步原理，促進了鎖相環頻率源技術的發展，為其成功提供了有力的基礎。依靠這一技術很多離散頻率在參考晶體振蕩器的作用下實現綜合，這個參考晶體振蕩器具有很強的穩定性與精確性。鎖相環已經成為現代通信系統中不可替代的一部分。

1 鎖相環路主要工作原理

鎖相環路的簡稱為鎖相環（PLL），鎖相環屬于反饋控制電路。鎖相環的主要特征是對環路內部振蕩信號的相位與頻率控制，通過外部輸入的參考信號來完成。

圖1 鎖相環組成原理框圖

壓控振蕩器（VCO）、鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）是鎖相環的主要構成部分，如圖1所示。

在鎖相環中，相位比較器是鑒相器的另一種叫法，其主要用途表現為對輸入與輸出信號的相位差檢測，同時還能轉化得到相位差信號，Uc(t)電壓信號是相位差信號輸出時呈現的形式，受低通濾波器濾波的影響，使Uc(t)即壓控振蕩器的控制電壓得以出現，進而成功實現對振蕩器輸出信號頻率控制［3］。

鎖相環里面裝有鑒相器，其基本構成部分為模擬乘法器，如圖2所示。

圖2 模擬乘法器組成的鑒相器

鑒相器對壓控振蕩器輸出的信號電壓與外界輸入的信號電壓設定如下：

式中，ω0是在直流電壓或輸入控制電壓為零時，壓控振蕩器的振蕩角頻率。在模擬乘法器的作用下，輸出電壓UD為：

在低通濾波器LF的作用下，可以把式（3）中的ω0與頻分量進行過濾，壓控振蕩器的輸入控制電壓即剩下的差頻分量用uc(t) 表示，如式（4）所示：

Uc(t)這個值是恒定不變的。在上式結果不為零的條件下，表示尚沒有鎖定鎖相環的相位，輸出信號、輸入信號具有不一樣的頻率，隨著時間的變化Uc(t)也相應發生改變。

圖3 單環鎖相源相位模型

2 環路濾波器設計

對鑒相器輸出電壓里面存在的噪聲與高頻成分濾除，是環路濾波器的的主要功能，這樣可以使環路達到性能要求，使得系統的穩定性更加可靠。

就分數分頻電荷泵鎖相環來說，如果處于穩態條件下，分頻器參考頻率 fref和輸出頻率 fdiv是具有一定的差異的，其呈現出周期性變化，但在環路濾波器與電荷泵的共同影響下，控制電壓能夠成功實現振調諧蕩。壓控振蕩器的輸出信號頻譜形成分雜散，同壓控振蕩器輸出信號中心頻率遠遠偏離，具體偏離的大小基本都是與αfref成整數關系，以α表示分頻比的分數。為了提高關于分數雜散現象的控制效率，將二階無源環路濾波器（如圖4所示）作為基點，利用新增加的極點，構建三階無源環路濾波器（如圖5所示）。

閉環鎖相環具備可靠的系統穩定性，是鎖相環開環相位裕度增大的前提保障，采用一階無源環路濾波器，即通過串聯一個電阻相和一個濾波電容來實現（如圖6所示）以提高穩定性。

圖4 二階無源環路濾波器

圖5 三階無源環路濾波器

圖6 一階無源環路濾波器

3 8GHz跳頻源設計

以鎖相環的主要原理為依據，對鎖相環直接輸出系統進行設計，見圖7所示。其中，50MHz晶振單元能夠直接產生基準振蕩頻率，鎖相集成電路ADF4112發揮鑒相器的作用，分頻器采用HMC365，低通濾波采用無源低通濾波電路，VCO系統采用HMC509，輸出頻率在7.8～8.6GHz之間。

圖7 鎖相環直接輸出方案原理框圖

ADF4112作為電荷泵，輸出電壓范圍較小，所以采用DSP綜合控制ADF4112和D/A的方式提供壓控振蕩器HMC509所需的電壓。由此可見，ADF4112居于核心地位，外部壓控振蕩器必須有相應的控制電壓，環路濾波器的設計也要滿足相關要求，才能實現功耗小、噪聲低、高穩定度強的特點。

DSP對鎖相頻率合成器進行控制，在依靠DSP對D/A和ADF4112控制，ADF4112電荷泵在底通濾波器的作用下，能夠產生直流電壓，DSP控制D/A產生基準電壓，完成了對另外的直流電壓的同時輸出。在加法器的作用下，兩個直流電壓發生疊加，繼而產生的高電壓，實現VCO具有控制作用。這一電壓具有很強的變化性，每隔T秒時間DSP就會將頻點（具有差異）的控制字分別向ADF4112與D/A寫入，這樣就完成了跳頻。經過測試觀察，當系統的頻率達到7.8GHz的時候可以被鎖定，跳頻信號源最低頻率也是7.8GHz。

圖8 壓控振蕩器電壓控制曲線

經過測試當系統處于8.64GHz的條件下會發生臨界失鎖現象，即系統輸出頻率大致范圍為7.8～8.64GHz左右。

4 結束語

本文從原理方面對鎖相環路的構成進行了介紹，在ADF4112鎖相環這個基礎上，認真研究設計了直接輸出相關方案，對系統技術指標，利用系統調試檢驗，確定輸出頻率在7.8～8.64GHz范圍具有可調性。

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