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)計方案和相關(guān)理論，采用PLL即鎖相技術(shù)實現(xiàn)P波段的頻率產(chǎn)生，具有相位噪聲低，雜散低的特點。利用單片機作為數(shù)據(jù)處理核心對鎖相環(huán)的鑒相器進行置數(shù)和控制，實現(xiàn)了480~540MHz、步進為1MHz的可控頻率輸出。該頻率源的主要性能指標為：輸出頻率480~540MHz，頻率步進為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、通信、電子偵察和對抗設(shè)備中，高性能的頻率源是實現(xiàn)其整體設(shè)備高性能指標的關(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系統(tǒng)的性能。其中采用鎖相環(huán)設(shè)計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。

　　鎖相環(huán)的基本原理

　　PLL(鎖相環(huán))是一種反饋控制電路，PLL在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相同時，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。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，鑒相器把輸入信號的相位與壓控振蕩器輸出信號的相位進行比較，輸出一個正比于兩個輸入信號相位差的電壓(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，使輸入信號與壓控振蕩器信號之間的相位差逐漸減小，最后達到動態(tài)鎖定。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。

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

　　電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　本設(shè)計設(shè)計目標是一個可控的鎖相環(huán)頻率合成器。因此本電路結(jié)合典型鎖相環(huán)電路和單片機控制電路，通過單片機改變鎖相環(huán)中的鑒相器的分頻比來改變最終的頻率輸出。鎖相環(huán)中的低通濾波器采用運算放大器構(gòu)成的有源低通濾波器?；驹O(shè)計框圖如圖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，它由一個低噪聲的數(shù)字相位/頻率檢波器PFD，一個精密的充電泵，一個可編程的參基準分頻器，可編程的A、B計數(shù)器，和一個雙模式的前置分頻器(P/P+1)。A(6位)和B(13位)計數(shù)器連同雙模式的前置分頻器(P/P+1)，能實現(xiàn)一個分頻比為N的分頻器。除此之外，14位的基準計數(shù)器(R計數(shù)器)允許在PFD的輸入端選擇REFIN的頻率輸入。通過對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。單片機我們采用了TQFP封裝的AVR單片機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)計整體電路原理圖如圖3。