【摘 要】频率合成器是电子系统中非常重要的部件，常常被称作电子系统的心脏，目前正广泛地应用于电子对抗、遥控遥测通信、仪器仪表、雷达、导航以及广播电视等各个领域。本文利用锁相环技术产生1200 MHz信号源，分析了电路的主要组成单元，对重要的技术和电路单元作了比较详细的说明。涉及关键器件的选择，搭建外部硬件电路与内部的控制程序等内容。本文的结尾作了分析总结。
【关键词】PLL；环路滤波器；频率合成器
L-band Frequency Synthesizer Design
HU Hong LU Jing
（Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu Sichuan 611731， China）
【Abstract】The signal source is very important electronic components in the system， often called the heart of the electronic system in various fields， it is being widely used in electronic warfare， remote communication， instrumentation， radar， navigation and radio and television. The phase-locked loop technology produces a 1200 MHz signal source， the main components of the circuit unit， the important technical and circuit unit are made a more detailed explanation. Involving key device selection， building external hardware circuitry and internal control procedures and so on. In the last analysis summary.
【Key words】PLL； Loop filter； The frequency synthesizer
0 引言
在仪器仪表测量，雷达系统，电子对抗，微波通信，生物医学以及制导等领域中都有广泛的应用。信号源有多种产生方式，本文所采用的是锁相环技术，产生频率为1200MHz，相位噪声优于-90dBc/Hz@1kHz的信号。
1 锁相环的设计
锁相环当环路处于锁定状态时，输出频率儿是参考频率fr的N倍，即：f0=Nfr，并且和参考频率严格的同步。但是，这种基本的PLL频率合成器在很多场合达不到要求。
为了提高合成频率的分辨率就要减小参考频率fr，而这与转换时间的要求是矛盾的。根据工程中的经验公式
Ts=■
转换时间与参考频率成反比。所以，这种简单的锁相环路频率合成器是不能同时满足两个要求的。现在，可以采用变模分频锁相频率合成或者分数分频频率合成来解决这些难题。分数分频器构成的锁相环可以较快的实现环路的锁定，但是杂散较大，对设计的要求较高。本设计使用的鉴相芯片包含了双模分频器。
1.1 鉴相芯片的参数设计
设计采用的鉴相芯片是ADF4113，加上环路滤波器和VCO就可构成完整的锁相环路。双模分频技术的基本原理是将A，B计数器同时开始进行减法计数，预分频比为P+1，经过A（P+1）个周期后，计数器A达到了0，模式的控制电平变为高，预分频比转变为P，同时计数器A停止计数，（B-A）个周期过后B的计数变为0，总的分频比为N=A（P+1）+（B-A）=BP+A，这个式子成立的条件是B>A。当B ADF4113芯片含有的引脚有20个，相对DDS的芯片较简单但是大部分引脚都不能悬空，各个引脚因为其功能的不同有变化，主要的一些引脚的功能如下： RESET：最大电荷泵输出电流用此脚设置，连接接一个电阻RESET；CP：接环路滤波器接此脚，是电荷泵输出；CPGND：电荷泵的地；AGND：模拟地的引脚；RFINB：此引脚一般接100pF的去耦电容，为RF互补输入；RFINA：此引脚为RF的输入；AVDD：此引脚为模拟电源，范围是：2.7-5.5V；REFIN：此引脚为参考晶振的输入；DGND：此引脚为数字地；CE：芯片使能端，逻辑“1”有效；LE：加载使能，该位为逻辑“1”时，存储在24位移位寄存器中的数据将全部装入指定的锁存器中，锁存器的选择由控制位来决定；DVDD：此为数字电源的引脚，范围为2.7-5.5V，去耦电容应该靠近此引脚；AVDD应该和DVDD一致； 芯片使能端CE直接与电源连接，鉴相频率取10MHz，因为输出为点频，所以选用较高的鉴相频率，参考晶振从REFIN输入；这里分频比N=1200MHz/10MHz=120。 1.2 环路滤波器的设计 环路滤波器它具有低通的特性，在锁相环路中起到关键的作用，其对环路参数的调整起到了决定性的作用，且对环路的各个指标性能有着非常重要的影响，适当的调整环路滤波器的元件值可以较有效的提高杂散的抑制和相位噪声的指标。锁相环采用的芯片是ADF4113，它的VP电压为5V，而VCO采用的是UMS-1400-16，VCO的输出为1200MHz时，对应调谐电压为8.7V左右，因此鉴相器输出的调谐电压是无法驱动VCO实现所需要的输出频率的功能，因此环路滤波器应选用有源环路，将调谐电压进行放大。
有源环路滤波器的组成如图1。
图1 有源环路滤波器的组成与对数频率特性
它的传输算子为：
F（p）=-A■
式中：τ■=（R1+AR1+R2）C，τ■=R2C
A是运算放大器在无反馈时的电压增益。
当运算放大器的增益A很高的时候，则：
F（p）=-A■≈-A■≈■
传输算子也可以近似写成：
F（p）=A■
式中τ■=R■C。明显，A越大的时候就越接近理想滤波器。其频率响应为：
F（jΩ）=A■
其对数频率特性如图1。
环路滤波器的初值主要从相位噪声方面考虑。
虽然从理论上来讲，环路滤波器从外部代入的噪声比其他几个部件的相位噪声要小，可以选择忽略，但是在设计中我们可以发现，环路滤波器的噪声（特别是有源环路滤波器）会使得环路带宽附近的输出相位噪声恶化1～2dB，有时甚至达到10个dB以上，所以，我们也应该对环路滤波器的噪声加以分析，以便在设计电路时注意敏感元件的选取和使用，期望能得到更好的相位噪声性能。
在环路的动态平衡下，环路输出中有噪声作用下所形成的稳态输出相位抖动，它的大小用输出噪声相位方差的平均值来描述。如果环路的闭环传递函数为hTs（s），可以求得输出噪声的相位方差：
■≈？覫■■H（jω）■df=？覫■B■
这里？覫■为等效输入噪声相位功率谱密度。B■为环路等效噪声带宽。环路等效噪声带宽很好的反映了环路对输入噪声的滤除能力。B■越小，环路滤除噪声的能力就越强。而B■与环路参数ζ和ωn有关。
ωn增大，那么环路的等效噪声带宽也加大，所以从抑制输入噪声的角度来讲，在设计时就应该考虑适当的减小环路的ωn。实际上锁相环路对输入相位噪声相当于一个‘低通’滤波器。调制频率低的相位噪声可以较顺利的通过，而调制频率高的相位噪声被衰减。阻尼系数的值是变化的，其大小直接影响环路的瞬态特性，通常合适的值在
ζ=0.5～1.5
在设计环路的参数值时，从抑制压控振荡器噪声的角度看，我们应该适当的加大环路ωn。
图2 ADF4113的电路图
从抑制输入相噪的角度我们希望环路的阻尼系数取到一个理想的值，可是这样的取值还要考虑是否满足环路锁定时间的要求。因此，在计算环路滤波器初值时就是要考虑到各个方面的影响，折中的取值，使环路的性能最好。
在试验中，可以通过两种方法计算环路滤波器的初值，一种是利用公式计算， 另外一种设计环路滤波器的方法是可以通过在ADI公司网站上下载的专用于ADF411x系列鉴频鉴相器的环路滤波器设计软件（ADISimPLL）来设计。但是，使用软件计算出来的环路参数值在锁相环的性能指标上要比使用计算公式得到的环路参数值要好。这是因为，ADISimPLL软件是针对锁相芯片ADF4113设计的，具有针对性。而公式计算只是一个普遍性计算。
在设计环路滤波器的参数时，使用ADI公司提供的ADF系列鉴相芯片的环路滤波器设计软件ADISimPLL，利用它可以很快的根据所需的性能要求计算出环路的具体的参数。相位裕度设置为45度。图2为使用该软件设计的锁相环的电路。
上述使用的方法只是给出了元件的初始值，具体的数值需要在电路的调试中反复实验，才能达到理想的效果。在环路滤波器的调试中发现，C1和C3与环路的鉴相泄露和杂散有关，而决定环路带宽的是R1和C2两个元件，为了方便调试，可以将R1换为可调的电阻，这样通过调节可调电阻的值去调节环路的带宽。
采用该软件还可以得到输出的频率为1200MHz时的相位噪声的仿真曲线，如图3。
图3 环路滤波器的ADISimPLL仿真曲线
从图上可以得出输出频率在1200MHz时，频率的相位噪-113dBc＼Hz@100kHz。
2 结束语
本文选择了PLL产生信号源的方案，综合考虑到成本和现有条件等因素，选择了关键器件，说明分析了电路的主要组成单元，对重要的技术和电路单元作了比较详细的说明。最终搭建了外部硬件电路与内部的控制程序等内容。在电路设计，电磁兼容设计，软件程序编制以及最终的电路调试等方面都存在技术难点，这些难点需要优化系统电路设计，并对实际的系统电路进行精心调试才能得到解决。
【参考文献】
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[责任编辑：杨扬]
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