基于ADF4106 鎖相環(huán)的頻率源設(shè)計與實現(xiàn)

宋才賢，王利強

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

自頻率合成技術(shù)問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已逐漸形成了4 種主要的合成方法，包括直接頻率合成技術(shù)、間接頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和混合式頻率合成技術(shù)[1]。當(dāng)前市面上有很多DDS 芯片開發(fā)而成的頻率源，這些頻率源有輸出波形失真小、頻率轉(zhuǎn)換速度快、高分辨率和輸出頻率高等優(yōu)點。雖然這些頻率源性能突出，但也存在著不少缺點，例如合成信號雜散高、容易在工作時產(chǎn)生截斷噪聲，而且構(gòu)成頻率源的DDS 芯片的控制部分需要用到高速處理器，應(yīng)用存在局限性。至今，頻率源經(jīng)歷了高速發(fā)展，高頻、超高頻和微波頻率源，已形成標(biāo)準(zhǔn)系列。間接頻率合成技術(shù)——鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)穩(wěn)定性高、精度高，且成本和功耗都較低[2]。基于鎖相環(huán)的優(yōu)點，本文利用鎖相環(huán)基本原理，設(shè)計頻率源中的一種高性能頻率源——鎖相環(huán)頻率源。

1 鎖相環(huán)頻率源的工作原理

本文采用ADF4106 高集成度鎖相環(huán)芯片來設(shè)計頻率源。鎖相技術(shù)采用相位負(fù)反饋原理，通過比較輸入信號和VCO 輸出信號的相位差，產(chǎn)生與相位差成正比的誤差電壓，利用該誤差電壓來控制振蕩器的輸出頻率，使其與輸入信號頻率相等[3-5]。頻率源的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)由晶體振蕩器、參考R 分頻器、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）、程序N 分頻器和STC15W4K56S4單片機等部分構(gòu)成。通過STC15W4K56S4單片機來對頻率源進(jìn)行控制，頻率源便可輸出對應(yīng)頻率的信號。

圖1 頻率源的整體結(jié)構(gòu)

2 鎖相環(huán)頻率源的硬件設(shè)計

2.1 硬件的選擇與分析

2.1.1 ADF4106 鎖相環(huán)芯片

本文采用ADI 公司生產(chǎn)的ADF4106 鎖相環(huán)芯片，其具有高頻率上限和卓越的性能。該芯片由低噪聲數(shù)字鑒相器（PDF）、精確的充電泵、可編程的基準(zhǔn)分頻器、可編程的A（6 位）和B（13 位）計數(shù)器以及雙模式前置分頻器（P/P+1）等組成[6]。ADF4106 最顯著的特點是其極高的工作頻率，最高可達(dá)6 GHz。使用ADF4106 設(shè)計的鎖相環(huán)路具有寬廣的帶寬，因此，在高頻系統(tǒng)中不需要使用倍頻器，從而消除了倍頻器帶來的諧波、雜波和噪聲干擾，有助于提高系統(tǒng)性能，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低功耗和設(shè)備成本[7]。ADF4106 中的鑒相器在鎖相環(huán)路中扮演相位比較的角色，先將2 個輸入信號相減，以獲取其之間的相位差，然后將相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓輸出。鑒相器可以被視為將相位差轉(zhuǎn)換為電壓的裝置，在理想情況下，鑒相器的輸出電壓平均分量與2 個輸入信號的相位差成正比，其傳輸特性為

式中：Ad為鑒相靈敏度，V/rad。

2.1.2 壓控振蕩器

壓控振蕩電路是一種輸出頻率與輸入控制電壓存在對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路。其輸出信號頻率取決于輸入控制電壓，而輸入控制電壓則決定了振蕩器的工作狀態(tài)。在鎖相環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號電壓，而壓控振蕩器則是一個受控部件。經(jīng)過綜合考慮，本文采用高致遠(yuǎn)電子公司生產(chǎn)的MVE 系列壓控振蕩器，其輸出頻率范圍為515~1 150 MHz，控制端電壓為0~12 V。

2.2 環(huán)路濾波器的設(shè)計

環(huán)路濾波器的設(shè)計對鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用，環(huán)路濾波器一般是由線性元件電阻和電容構(gòu)成的線性電路。環(huán)路濾波器可以提高電路的抗干擾性能，可以濾除鑒相器輸出誤差電壓Vd（t）中的高頻成分和噪聲，提取平均分量并用于控制壓控振蕩器的頻率[8]。其輸出電壓Vc（t）和輸入電壓Vd（t）的關(guān)系可用常系數(shù)線性微分方程式表示，設(shè)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F（s），則

環(huán)路濾波電路對信號的動態(tài)響應(yīng)取決于環(huán)路濾波的階數(shù)和噪聲帶寬。本次環(huán)路濾波器設(shè)計的重點是將ADF4106 鑒相器輸出的鑒相電壓經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后轉(zhuǎn)換成壓控振蕩器的控制電壓。通過仿真軟件ADIsimPLL 設(shè)置相關(guān)參數(shù)，直接生成構(gòu)成環(huán)路濾波器的電阻和電容等參數(shù)值，如圖2 所示。

圖2 環(huán)路濾波器接線圖

2.3 頻率源硬件電路的總體設(shè)計

對鎖相環(huán)頻率源的設(shè)計有諸多考慮，如圖3 所示。ADF4106 芯片的2 腳CP 出來需要接入環(huán)路濾波電路，目的是對充電泵輸出的鑒相器電壓信號濾除紋波。經(jīng)環(huán)路濾波電路輸出的信號接入到壓控振蕩電路的諧調(diào)電壓輸入端（VT），然后將壓控振蕩電路的輸出接入到ADF4106 芯片的6 腳RFINA 形成鎖相環(huán)路。ADF4106芯片的8 腳REFIN 接入有源晶振輸入一個時鐘信號，壓控振蕩電路便輸出一個不同頻率的信號，這個不同頻率的信號接回到ADF4106 芯片，經(jīng)過ADF4106 芯片內(nèi)置程序分頻器N分頻后，與晶振輸出經(jīng)過R分頻后的信號進(jìn)行相位比較，如果相位相同，則諧調(diào)電壓穩(wěn)定，壓控振蕩電路輸出的信號便穩(wěn)定；如果相位不同，諧調(diào)電壓就要做相應(yīng)調(diào)整，從而壓控振蕩器輸出信號的頻率便也會做相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)其相位調(diào)整一致時，整個反饋環(huán)路就穩(wěn)定了，這個時候鎖相完成，最終輸出一個頻率穩(wěn)定的信號。要實現(xiàn)上述過程，離不開STC15W4K56S4 單片機的控制，ADF4106 中引腳名為LE、DATA、CLK 的引腳對應(yīng)連接STC15W4K56S4 單片機的P4.0、P3.3、P3.5 引腳。通過按鍵模塊改變ADF4106 內(nèi)分頻器參數(shù)的值，并將分頻器參數(shù)的值于0.96OLED 液晶顯示屏顯示出來，同時頻率源輸出對應(yīng)頻率的信號。

圖3 頻率源整體電路原理圖

3 鎖相環(huán)頻率源的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計大體上采用層次化的設(shè)計方式。先要對0.96OLED 液晶顯示器初始化，然后對ADF4106 芯片初始化輸出，之后進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)按鍵沒有按下時，一直進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)按鍵按下時，系統(tǒng)將對按鍵輸入信號進(jìn)行識別，之后STC15W4K56S4 單片機通過數(shù)據(jù)線發(fā)送指令給ADF4106，對ADF4106 芯片內(nèi)R 分頻器、N 分頻器的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，使得系統(tǒng)輸出對應(yīng)頻率的信號，之后重新回到按鍵掃描，如此循環(huán)往復(fù)。頻率源整體軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 頻率源整體軟件流程圖

4 仿真、調(diào)試結(jié)果分析

4.1 鎖相環(huán)軟件仿真

如圖5 所示，使用環(huán)路濾波電路設(shè)計軟件——ADIsimPLL 進(jìn)行仿真，通過設(shè)置VCO 的輸出頻率范圍、鑒相器頻率（fr/R）、壓控靈敏度（Kv）及參考頻率等參數(shù)，可得仿真結(jié)果。當(dāng)設(shè)置fr/R為25.00 kHz，N為25 803 時，運用公式fo=N×fr/R，可得頻率源輸出頻率為645.07 MHz，如圖5 中的頻率-時間圖，仿真結(jié)果與理論計算值基本一致，表明環(huán)路濾波器元器件參數(shù)值設(shè)置合理，頻率源整體設(shè)計合理。

圖5 ADIsimPLL 軟件仿真

4.2 調(diào)試結(jié)果分析

通過示波器顯示所設(shè)置輸出信號的波形。設(shè)置頻率源輸出515 MHz 信號，頻率源實際輸出信號波形如圖6所示；設(shè)置頻率源輸出805 MHz 信號，頻率源實際輸出信號波形如圖7 所示。通過對實際輸出信號的多次測試和觀察，發(fā)現(xiàn)實際輸出信號的頻率與設(shè)置輸出信號的頻率一致。

圖6 頻率源輸出515MHz 信號

圖7 頻率源輸出805MHz 信號

5 結(jié)論

在電子通信系統(tǒng)中，頻率源的作用至關(guān)重要，其性能直接決定通信質(zhì)量的優(yōu)劣。本文詳細(xì)講述了鎖相環(huán)式頻率源設(shè)計的基本原理，并在此基礎(chǔ)上做了實際的研究。本設(shè)計通過STC15W4K56S4 單片機來實現(xiàn)對頻率源輸出信號的實時控制。通過ADIsimPLL 軟件對環(huán)路濾波器進(jìn)行設(shè)計，并通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對輸出信號進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果符合研究預(yù)期。調(diào)試結(jié)果分析表明，本頻率源能夠輸出515~805 MHz 的設(shè)定頻率信號，應(yīng)用范圍廣泛。