L波段頻率源設(shè)計

0 引言
頻率合成器是以一個高精確度和高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)參考頻率，通過加、減、乘、除四則運算，獲得與石英晶體振蕩器同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。本文利用頻率合成技術(shù)實現(xiàn)頻率倍頻，輸出L波段點頻源。
利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制電路都可以構(gòu)成倍頻器。也可以由鎖相倍頻電路實現(xiàn)，該電路是一個閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)，它主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和累加計數(shù)器構(gòu)成，本設(shè)計采用這種方案。
目前出現(xiàn)了眾多單片集成頻率合成芯片，如美國QualComm公司的Q3236等，這種帶有前置分頻器和多個計數(shù)器的芯片，給鎖相環(huán)電路的設(shè)計帶來了極大的方便，為實現(xiàn)電路的小型化提供了可能。下面對總體方案設(shè)計，Q3236芯片的功能，電路和環(huán)路濾波器設(shè)計逐一討論。

1 方案設(shè)計
本設(shè)計采用對晶體振蕩器輸出的參考信號，直接鎖相倍頻獲得高頻信號，再將高頻信號放大到設(shè)計要求的方案。利用的是鎖相頻率合成技術(shù)，屬于間接頻率合成。整個倍頻源基本由鎖相倍頻電路、放大和濾波電路組成，最重要的是鎖相倍頻電路。
鎖相倍頻電路利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)頻率合成，鎖相環(huán)(PLL)是其中的重要組成部分，實質(zhì)上是一個相位負(fù)反饋自動控制系統(tǒng)?；居设b相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成。鑒相器用于比較兩個輸入信號相位，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號瞬時相差的誤差電壓；環(huán)路濾波器具有低通作用，把鑒相器輸出的誤差電壓濾波，濾除高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；壓控振蕩器受誤差電壓控制，使得VCO的輸出頻率向參考頻率靠近，直到消除頻差而鎖定。倍頻源框圖如圖1所示。

設(shè)計采用QualComm公司的高性能數(shù)字鎖相環(huán)芯片Q3236，其內(nèi)部集成有分頻器、鑒相器和計數(shù)器。鑒相器在7 MHz頻率上進(jìn)行鑒相，可以提高鑒相靈敏度、縮短跳頻時間。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 鎖相環(huán)的選擇與使用
QualComm公司的Q3236是一種可在高達(dá)2 GHz頻段工作的分頻次數(shù)可編程的數(shù)字鎖相環(huán)芯片，在正常工作狀態(tài)下其功耗小于0．6 W，工作電壓為5 V。其鑒相頻率可達(dá)到100 MHz，本設(shè)計鑒相器工作在7 MHz，可應(yīng)用于此項設(shè)計中。
Q3236主要電路性能為：
(1)雙模前置分頻器(10分頻或11分頻)；
(2)9位M和4位A吞脈沖計數(shù)器，6位R參考分頻器；
(3)100 MHz數(shù)字鑒頻／鑒相器，鑒相靈敏度為320 mV／rad；
(4)單電源+5 V供電，功耗小于0．6 W；
(5)具有寬的輸入靈敏度范圍，從-10～+3．5 dBm。
Q3236數(shù)字處理器接口有三種工作模式：直接并行輸入模式、串行總線模式和8位總線模式。因為設(shè)計的是輸出固定頻率的倍頻源，不用跳頻，于是采用直接并行輸入模式，可以簡化設(shè)計。設(shè)置‘HIGH’，Q3036='LOW'，6位R參考分頻器的R4，R5不用，9位M計數(shù)器的M7，M5不用，R分頻器和M計數(shù)器直接由外部輸入。
Q3236可提供的程序分頻器分頻比：對直接并行模式，當(dāng)小于300 MHz時，為2～128；當(dāng)小于2 GHz，為90～1 295。對外接的晶振，可提供的參考分頻比為：直接并行模式1～16。
Q3236有加前置分頻器和非預(yù)分頻兩種工作狀態(tài)。工作在非預(yù)分頻狀態(tài)時VCO輸出頻率最高可達(dá)300 MHz，在前置分頻器狀態(tài)時VCO輸出頻率最高可達(dá)2．0 GHz。因為頻率源輸出1372 MHz，所以設(shè)計采用前置分頻器、直接并行輸入模式。參考分頻器分頻比編程只使用R0～R3位。 Fref／FPD=R+1；即35 MHz／7 MHz=5，對參考輸入信號35 MHz進(jìn)行5分頻，所以R=4。R0，R1=“Low”，R2=“High”，R3=“Low”。壓控振蕩器輸出的高頻信號1 372 MHz利用M和A計數(shù)器進(jìn)行N分頻，N=Fvco／FPD=10*(M+1)+A，A≤M+1，M≠0。

Q3236具體電路圖如圖2所示。