基于無線收發信機的高頻鎖相環電路設計

高彥，曹文田，劉宗武

（78156部隊，甘肅蘭州，730020）

基于無線收發信機的高頻鎖相環電路設計

高彥，曹文田，劉宗武

（78156部隊，甘肅蘭州，730020）

在無線收發信機電路中，除了發射機和接收機外，還有一個非常重要的部分就是本地振蕩電路。為了保證本地振蕩模塊輸出信號的頻率穩定性和較低的相位噪聲，通常本振采用鎖相環技術來實現，特別在無線通信領域。本文闡述了鎖相環的基本結構和工作原理。

鎖相環；鑒相器；環路濾波器；壓控振蕩器

0 引言

鎖相技術是一種相位負反饋技術，鎖相環電路具有極其優良的性能，它的主要特點是：鎖定時無剩余偏差、具有良好的窄帶載波跟蹤性能、具有良好的寬帶調制跟蹤性能、門限性能好等，因此鎖相環電路在電子系統中得到了廣泛的應用[1]，特別是無線通信領域。通常在設計收發信機時，對于比較低的頻率信號，很容易用晶體振蕩器實現，但對于類似410MHz的高頻信號，用晶體振蕩器不易實現，所以我們采用鎖相環(PLL)頻率合成的方法來產生。本文從鎖相環的原理開始分析，給出了高頻鎖相環的設計思路和電路實現方法，并通過仿真實驗進行了結果驗證。

1 鎖相環結構組成

鎖相環的基本組成包括三個基本的部件，鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)。

（1）鑒相器。鑒相器是相位比較裝置，所以有時也叫做相位比較器或相敏檢波器。它把輸出信號u2(t)和參考信號u1(t)相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差e的誤差電壓ud(t)。

（2）環路濾波器。環路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。

（3）壓控振蕩器。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率接近，也就是使差拍頻率越來越低，直到消除頻率差而鎖定[2]。鎖相環總是能使輸出依賴跟蹤輸入信號相位的，環路總是鎖定的。但是，當一個較大的頻率階躍加到輸入信號是可能會引起環路失鎖。當然，鎖相環本身的控制機構會努力去再次鎖定。這就引出鎖相環得一個非常重要的性能即鎖相環的穩定性。

2 鎖相環電路設計

擬設計的高頻鎖相環的技術指標如表1所示。

表1 鎖相環的技術指標

此鎖相環的核心是頻率合成器芯片ADF4116。使用單片機ATTINY26對內部寄存器進行操作，設定參考分頻器和程序寄存器分頻比及其他工作狀態。參考頻率選擇高穩定度（±1PPM）的10MHz溫度補償晶體振蕩器，輸入ADF4116后首先經過參考分頻器，分頻后作為鑒相器的參考頻率。鑒相器輸出的電流大小反映了反饋頻率和參考頻率的差別，環路濾波器采用RC三階環路濾波器，由于壓控振蕩器的輸入端的電壓較大，而頻率合成器輸出電壓小，所以選擇了運算放大器芯片AD820把誤差電壓信號放大，控制壓控振蕩器POS-535，輸出信號即為410MHz的本地振蕩器信號。下面具體介紹鎖相環的各個部分模塊電路設計和仿真。

（1）頻率合成器。在實際設計中，選擇了ADI公司的頻率合成器[芯片AD4116，它集成了一個低噪聲的數字鑒相器、一個可編程的分頻器以及其它模塊。另外可以通過簡單的3-Wire接口控制片內的寄存器，從而方便地控制芯片的工作狀態。

（2）單片機。選用Atmel公司的ATTINY26對頻率合成器進行控制，這個控制器已經夠用，沒有必要使用ATmega8/16等比較高端的單片機。

（3）環路濾波器。采用三階環路濾波器，環路帶寬20kHz。主要作用是衰減誤差電壓的高頻分量，提高抗干擾能力。

（4）運算放大器。由于三階環路是有條件穩定的，而本鎖相環又需要加一級運放來放大誤差電壓，因此設計中，將無源三階濾波器和運放和二為一，采用二階有源比例積分濾波器,既可以增加環路的穩定性，又可以有一定的高頻增益，有利于環路的捕捉特性，還可提供足夠的電壓驅動后級壓控振蕩器。采用ADI公司的運算放大器AD820，實際上是用運算放大器實現二階的低通濾波器電路，它的使用可以增加系統的穩定性。

（5）壓控振蕩器。當輸出410MHz的信號時，調諧靈敏度是20MHz/V，同時調諧電壓為8V。其主要技術指標如表2。

表2 POS-535的相關技術指標

3 設計方案仿真驗證

利用ADI公司仿真軟件對鎖相環進行性能仿真，仿真結果從圖1、圖2可以看出，輸出信號的中心頻率完全達到了410MHz的設計要求，頻率誤差上也隨著不斷的鎖定也逐漸趨于穩定，達到了設計要求。

4 結束語

本文分析了鎖相環電路的基本組成和工作原理，著重從穩定性的角度出發，對高頻的鎖相環電路進行設計，給出了鎖相環的設計方法，并通過軟件仿真及實際電路的設計和調試，驗證了設計的正確性。

圖1 輸出頻率－時間圖

圖2 相位噪聲圖

[1]楊必文.一種CMOS電荷泵鎖相環設計[D].電子科技大學,2014.

[2]陳超.CMOS壓控振蕩器的研究[D].南京理工大學,2013

Design of high frequency PLL circuit based on wireless transceiver

Gao Yan,Cao Wentian,Liu Zongwu
(unit 78156,Lanzhou Gansu，730020)

In the wireless transceiver circuit,except for transmitter and receiver,there is a very important part is the local oscillator circuit In order to ensure the stability of the local oscillation frequency of the output signal module and low phase noise,usually the vibration using PLL technology to achieve,especially in the field of wireless communications.This paper expounds the the basic structure and working principle of the phase-locked loop

Phase locked loop;phase discriminator;loop filter;voltage controlled oscillator