基于單片機控制的LMX2572鎖相頻率合成器的設計與實現

李 壘

（南京熊貓漢達科技有限公司衛星通信技術研究所，南京 210094）

0 引言

近年來，衛星通信技術的快速發展和各類機載、車載、地面等終端設備的廣泛應用，對終端設備的體積和功耗要求越來越高，傳統的鎖相環和壓控振蕩器為兩種獨立的器件，尺寸較大，無法滿足越來越迫切的產品小型化需求[1][2][3]，本文利用ATMEL公司的8位單片機ATTINY9結合TI公司新一代集成VCO的頻合器LMX2572設計了一款輸出頻率為4875MHz的鎖相頻率源。

設計要求：

（1）相位噪聲＜-70dBc@100Hz，＜-80dBc@ 1kHz，＜-90dBc@10kHz，＜-100dBc@100kHz。

（2）輸出電平≥5dBm。

1 硬件選擇與實現

1.1 硬件選擇

LMX2572是美國TI公司2019年推出的一款低功耗、高性能寬帶合成器，可以輸出12.4MHz到6.4GHz之間的任何頻率且不需要內部倍頻，這就大大減少了混頻輸出的本振產生的分頻和倍頻雜散，PLL可提供優異的性能，在3.3V單電源中的電流消耗僅為75mA。LMX2572允許用戶同步多個器件的輸出，并可支持需要輸入和輸出之間具有確定延遲的應用并提供了一個可精準調節相位的選項，以解決電路板上或器件內的延遲不匹配問題；芯片內部的頻率斜升發生器可在自動斜坡生成選項或手動選項中最多合成2段斜坡，以實現最大的靈活性。通過快速校準算法，用戶可在不到20μs的時間內改變頻率。LMX2572集成了通過3.3V單電源供電的LDO，無需再配備板載低噪聲LDO，綜合以上描述LMX2572為目前業界同類產品中比較領先的一款芯片，在100kHz偏頻和6.4GHz載波的情況下具有-106dBc/Hz的超低相位噪聲[4]。

單片機選用的是ATMEL公司ATTINY9芯片，該單片機是一個6個引腳的8位單片機，尺寸小，功耗低，其內部含有32Byte的可編程可擦除存儲器[5]。在設計時，為了減少單片機中的雜散干擾，在單片機與LMX2572連接之間接入10k電阻和皮法級別的接地電容。

1.2 系統結構原理

該鎖相頻率合成器的具體實現結構如圖1所示。本系統由頻率合成器LMX2572、單片機、環路濾波器、參考源組成。參考源為高穩定度和高準確度的晶體振蕩器產生的10MHz經過5倍頻而來，然后利用鎖相環路良好的跟蹤特性，使內部壓控振蕩器的輸出頻率準確地穩定在參考頻率或某次諧波上。LMX2572中設有預分頻器和倍頻器，可根據需要選用哪種電路來獲得鑒相頻率，本文采用100MHz鑒相。下圖中fo為輸出頻率，fosc為晶振頻率，fREF為參考頻率，fcom為輸出頻率分頻后的鑒相比較頻率。

圖1 LMX2572鎖相頻率合成器結構框圖

1.3 系統硬件實現

4875MHz輸出頻率時的原理圖如圖2所示。圖中LMX2572的CP腳外接電容8.2nF、180nF和電阻47Ω構成的兩階環路濾波器，其環路帶寬為45kHz左右。LMX2572各供電管腳的濾波電容排版時盡量接近管腳，降低電源的低頻干擾。

2 系統軟件實現

利用TI公司的輔助設計工具TICSPRO-SW軟件計算出125組寄存器值，很多項只有地址位，可以忽略，針對單一頻點輸出的特點，刪除掉多余的無關項和冗余項，最后選取寄存器值如下：

R46：0x2E07F1 R45：0x2DCE1F

R44：0x2C1F83 R43：0x2B02EE

R39：0x2703E8 R37：0x258205

R36：0x240030

R34：0x220010 R12：0x0C5001

R11：0x0BB018 R10：0x0A10F8

R9：0x091004 R0：0x00211C

3 模擬仿真

利用TI公司的仿真軟件PLLatinum Sim設置如下：參考頻率為50MHz，鑒相頻率為100MHz，電荷泵電流為5mA，輸出頻率為4875MHz，環路帶寬為45kHz，相位裕度選用60°由模擬仿真曲線圖3可以看出各個典型值的相位噪聲為：-90dBc@100Hz，

-100dBc@1kHz，-100dBc@10kHz，-110dBc@ 100kHz，完全滿足設計要求。

圖2 模擬仿真曲線圖

4 實物測試結果

根據原理圖結合射頻電路板設計規范制作了實物電路板，對較為敏感的芯片供電腳處都加了相應電容進行濾波處理，尤其是單片機和頻合器通信電路上數據線要盡量短并濾波處理，減少雜波對數字信號的干擾。

利用是德科技的N9030A型頻譜儀對實物電路進行了測試，輸出頻率在SPAN 200k下如圖4（a）所示，可以看出頻率比較干凈，沒有明顯的近端雜散；圖4（b）為頻寬為5GHz下的遠端雜散，可以看出在信號的1/2分頻處沒有雜散輸出，此頻合器的近端和遠端雜散都是非常優良的，頻合器電平輸出頻譜儀測試大小為-0.15dBm左右，用校準后的功率計準確測試為7dBm左右；圖4（c）為頻譜儀自動相位噪聲測試模式下的實測值，分別為為-78dBc@100Hz、-95dBc @1kHz、-100dBc@10kHz、-105dBc@100kHz完全滿足設計要求。

圖3 實測結果曲線

5 結束語

頻率源作為衛星通信系統的最核心的部件之一，相較于其他如雷達系統，對相位噪聲的要求很高，如果近端相噪不好會影響后續的調制解調的難度，導致誤碼率上升，嚴重者會引起通信中斷。本文設計的頻率源，選用了最新一代的頻合器芯片，空間尺寸小、功耗低，性能可靠，而且可以通過改變單片機軟件控制關鍵字及利用芯片的輸出頻率速度快的特點獲得一系列跳頻源，增加通信的抗干擾能力，具有較好的擴展性，有著廣泛的應用前景。