高頻快速鎖相源設(shè)計

王昊，沙莎

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林東光奧威汽車制動系統(tǒng)有限公司，長春 130012）

近年來在陸、海、空等各大通信領(lǐng)域，無線電通信都發(fā)揮著重要的作用，無線電通信系統(tǒng)可以使己方得到更好地保護，同時能夠有效破壞或消弱敵方［1］。在現(xiàn)代通信電子系統(tǒng)中跳頻源技術(shù)為完成高性能的指標(biāo)發(fā)揮著不可替代的作用，但該技術(shù)系統(tǒng)要求頻率源在各項性能指標(biāo)上都要具備較高的水平。鎖相環(huán)路同步原理，促進了鎖相環(huán)頻率源技術(shù)的發(fā)展，為其成功提供了有力的基礎(chǔ)。依靠這一技術(shù)很多離散頻率在參考晶體振蕩器的作用下實現(xiàn)綜合，這個參考晶體振蕩器具有很強的穩(wěn)定性與精確性。鎖相環(huán)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可替代的一部分。

1 鎖相環(huán)路主要工作原理

鎖相環(huán)路的簡稱為鎖相環(huán)（PLL），鎖相環(huán)屬于反饋控制電路。鎖相環(huán)的主要特征是對環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的相位與頻率控制，通過外部輸入的參考信號來完成。

圖1 鎖相環(huán)組成原理框圖

壓控振蕩器（VCO）、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）是鎖相環(huán)的主要構(gòu)成部分，如圖1所示。

在鎖相環(huán)中，相位比較器是鑒相器的另一種叫法，其主要用途表現(xiàn)為對輸入與輸出信號的相位差檢測，同時還能轉(zhuǎn)化得到相位差信號，Uc(t)電壓信號是相位差信號輸出時呈現(xiàn)的形式，受低通濾波器濾波的影響，使Uc(t)即壓控振蕩器的控制電壓得以出現(xiàn)，進而成功實現(xiàn)對振蕩器輸出信號頻率控制［3］。

鎖相環(huán)里面裝有鑒相器，其基本構(gòu)成部分為模擬乘法器，如圖2所示。

圖2 模擬乘法器組成的鑒相器

鑒相器對壓控振蕩器輸出的信號電壓與外界輸入的信號電壓設(shè)定如下：

式中，ω0是在直流電壓或輸入控制電壓為零時，壓控振蕩器的振蕩角頻率。在模擬乘法器的作用下，輸出電壓UD為：

在低通濾波器LF的作用下，可以把式（3）中的ω0與頻分量進行過濾，壓控振蕩器的輸入控制電壓即剩下的差頻分量用uc(t) 表示，如式（4）所示：

Uc(t)這個值是恒定不變的。在上式結(jié)果不為零的條件下，表示尚沒有鎖定鎖相環(huán)的相位，輸出信號、輸入信號具有不一樣的頻率，隨著時間的變化Uc(t)也相應(yīng)發(fā)生改變。

圖3 單環(huán)鎖相源相位模型

2 環(huán)路濾波器設(shè)計

對鑒相器輸出電壓里面存在的噪聲與高頻成分濾除，是環(huán)路濾波器的的主要功能，這樣可以使環(huán)路達到性能要求，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加可靠。

就分數(shù)分頻電荷泵鎖相環(huán)來說，如果處于穩(wěn)態(tài)條件下，分頻器參考頻率 fref和輸出頻率 fdiv是具有一定的差異的，其呈現(xiàn)出周期性變化，但在環(huán)路濾波器與電荷泵的共同影響下，控制電壓能夠成功實現(xiàn)振調(diào)諧蕩。壓控振蕩器的輸出信號頻譜形成分雜散，同壓控振蕩器輸出信號中心頻率遠遠偏離，具體偏離的大小基本都是與αfref成整數(shù)關(guān)系，以α表示分頻比的分數(shù)。為了提高關(guān)于分數(shù)雜散現(xiàn)象的控制效率，將二階無源環(huán)路濾波器（如圖4所示）作為基點，利用新增加的極點，構(gòu)建三階無源環(huán)路濾波器（如圖5所示）。

閉環(huán)鎖相環(huán)具備可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性，是鎖相環(huán)開環(huán)相位裕度增大的前提保障，采用一階無源環(huán)路濾波器，即通過串聯(lián)一個電阻相和一個濾波電容來實現(xiàn)（如圖6所示）以提高穩(wěn)定性。

圖4 二階無源環(huán)路濾波器

圖5 三階無源環(huán)路濾波器

圖6 一階無源環(huán)路濾波器

3 8GHz跳頻源設(shè)計

以鎖相環(huán)的主要原理為依據(jù)，對鎖相環(huán)直接輸出系統(tǒng)進行設(shè)計，見圖7所示。其中，50MHz晶振單元能夠直接產(chǎn)生基準(zhǔn)振蕩頻率，鎖相集成電路ADF4112發(fā)揮鑒相器的作用，分頻器采用HMC365，低通濾波采用無源低通濾波電路，VCO系統(tǒng)采用HMC509，輸出頻率在7.8～8.6GHz之間。

圖7 鎖相環(huán)直接輸出方案原理框圖

ADF4112作為電荷泵，輸出電壓范圍較小，所以采用DSP綜合控制ADF4112和D/A的方式提供壓控振蕩器HMC509所需的電壓。由此可見，ADF4112居于核心地位，外部壓控振蕩器必須有相應(yīng)的控制電壓，環(huán)路濾波器的設(shè)計也要滿足相關(guān)要求，才能實現(xiàn)功耗小、噪聲低、高穩(wěn)定度強的特點。

DSP對鎖相頻率合成器進行控制，在依靠DSP對D/A和ADF4112控制，ADF4112電荷泵在底通濾波器的作用下，能夠產(chǎn)生直流電壓，DSP控制D/A產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，完成了對另外的直流電壓的同時輸出。在加法器的作用下，兩個直流電壓發(fā)生疊加，繼而產(chǎn)生的高電壓，實現(xiàn)VCO具有控制作用。這一電壓具有很強的變化性，每隔T秒時間DSP就會將頻點（具有差異）的控制字分別向ADF4112與D/A寫入，這樣就完成了跳頻。經(jīng)過測試觀察，當(dāng)系統(tǒng)的頻率達到7.8GHz的時候可以被鎖定，跳頻信號源最低頻率也是7.8GHz。

圖8 壓控振蕩器電壓控制曲線

經(jīng)過測試當(dāng)系統(tǒng)處于8.64GHz的條件下會發(fā)生臨界失鎖現(xiàn)象，即系統(tǒng)輸出頻率大致范圍為7.8～8.64GHz左右。

4 結(jié)束語

本文從原理方面對鎖相環(huán)路的構(gòu)成進行了介紹，在ADF4112鎖相環(huán)這個基礎(chǔ)上，認真研究設(shè)計了直接輸出相關(guān)方案，對系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，利用系統(tǒng)調(diào)試檢驗，確定輸出頻率在7.8～8.64GHz范圍具有可調(diào)性。

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