一種基于PLL的P波段可控頻率源

　　摘要：介紹了一種P波段可控頻率源的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)理論，采用PLL即鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)P波段的頻率產(chǎn)生，具有相位噪聲低，雜散低的特點(diǎn)。利用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心對(duì)鎖相環(huán)的鑒相器進(jìn)行置數(shù)和控制，實(shí)現(xiàn)了480~540MHz、步進(jìn)為1MHz的可控頻率輸出。該頻率源的主要性能指標(biāo)為：輸出頻率480~540MHz，頻率步進(jìn)為1MHz，相位噪聲優(yōu)于-82dBc@1kHz，雜散抑制優(yōu)于-60dBc，鎖相環(huán)直接輸出功率為0.6~1.1dBm。

　　頻率源作為電子系統(tǒng)的核心，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。雷達(dá)、通信、電子偵察和對(duì)抗設(shè)備中，高性能的頻率源是實(shí)現(xiàn)其整體設(shè)備高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。頻率源的相位噪聲和雜散抑制的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。其中采用鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的頻率源具有輸出頻率高、頻率穩(wěn)定度高、頻率純、低相噪、雜散抑制好等優(yōu)點(diǎn)。

　　鎖相環(huán)的基本原理

　　PLL(鎖相環(huán))是一種反饋控制電路，PLL在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱的由來(lái)。PLL通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，鑒相器把輸入信號(hào)的相位與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，輸出一個(gè)正比于兩個(gè)輸入信號(hào)相位差的電壓(或者電流)加到環(huán)路濾波器上，抑制噪聲和高頻分量后，再加到壓控振蕩器上，控制其頻率變化，使輸入信號(hào)與壓控振蕩器信號(hào)之間的相位差逐漸減小，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)鎖定。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。

　　其中N分頻器是由單片機(jī)編程控制的，因此這種合成器又體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)和鎖相技術(shù)的結(jié)合。從總體結(jié)構(gòu)看，它由單片機(jī)、鎖相環(huán)和可編程分頻器三部分組成。

　　電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)可控的鎖相環(huán)頻率合成器。因此本電路結(jié)合典型鎖相環(huán)電路和單片機(jī)控制電路，通過(guò)單片機(jī)改變鎖相環(huán)中的鑒相器的分頻比來(lái)改變最終的頻率輸出。鎖相環(huán)中的低通濾波器采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源低通濾波器。基本設(shè)計(jì)框圖如圖2。

　　鑒相器我們采用了RU-16封裝的ADF4112，ADF4112是一種直接數(shù)字式頻率合成器，它由一個(gè)低噪聲的數(shù)字相位/頻率檢波器PFD，一個(gè)精密的充電泵，一個(gè)可編程的參基準(zhǔn)分頻器，可編程的A、B計(jì)數(shù)器，和一個(gè)雙模式的前置分頻器(P/P+1)。A(6位)和B(13位)計(jì)數(shù)器連同雙模式的前置分頻器(P/P+1)，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)分頻比為N的分頻器。除此之外，14位的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器(R計(jì)數(shù)器)允許在PFD的輸入端選擇REFIN的頻率輸入。通過(guò)對(duì)R、P、A、B的編程可使電路輸出頻率變化。

　　濾波電路部分我們采用了有源濾波電路，中心器件采用了LM741。VCO(壓控振蕩器)采用中電13所生產(chǎn)的調(diào)諧電壓為0~12V，最大輸出頻率為390~547MHz的表面安裝微型集成VCO。單片機(jī)我們采用了TQFP封裝的AVR單片機(jī)Atmega8，參考晶振采用10MHz有源晶振，顯示采用共陰四聯(lián)數(shù)碼管。該設(shè)計(jì)整體電路原理圖如圖3。