基于ADF4111的數(shù)字鎖相式可調(diào)頻率源實現(xiàn)

頻率合成技術(shù)是指能由一個高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率，經(jīng)過一系列的處理，產(chǎn)生大量離散的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的信號頻率輸出，并且輸出信號的頻率可由數(shù)字信號控制改變，它主要的應(yīng)用是為上／下變頻的中頻或射頻信號提供本振。頻率合成的基本方法有三種：直接頻率合成、鎖相式頻率合成以及直接數(shù)字頻率合成。鎖相式頻率綜合器是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的一種頻率綜合器，它具有輸出頻率范圍大，雜散抑制特性好的特點。
在短波數(shù)字接收系統(tǒng)中，從天線端接收到的短波信號與本振信號混頻得到70 MHz中頻，之后對中頻信號進(jìn)行帶通采樣。本振信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度對系統(tǒng)性能有著重要和直接的影響。本文采用頻率合成技術(shù)，應(yīng)用ADl公司的頻率綜合器ADF4111和Altera公司的FLEXlOKE系列FPGA實現(xiàn)頻率穩(wěn)定，精度高，范圍為70～90 MHz，步進(jìn)間隔1 MHz的數(shù)字鎖相式頻率源本振。

l 鎖相環(huán)基本原理
鎖相環(huán)(PLL)是一種建立在相位負(fù)反饋基礎(chǔ)上的循環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。一個鎖相環(huán)由以下四部分組成：

(1)R分頻因子，鑒相器(Phase Detector)，充電泵(Charge Pump)。
(2)環(huán)路濾波器，一般是低通濾波器，其作用是對充電泵的電流輸出進(jìn)行濾波，以驅(qū)動壓控振蕩器，其傳輸因子為Z(s)；
(3)壓控振蕩器，有一個頻率靈敏度Kv／s；
(4)反饋分頻因子N。
它以一個高準(zhǔn)確度，穩(wěn)定度的晶體振蕩器的R分頻作為輸入?yún)⒖碱l率，該輸入?yún)⒖碱l率作為鑒相器的基準(zhǔn)與壓控振蕩器輸出的進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個對應(yīng)于兩個信號相位差的電流脈沖。該電流脈沖經(jīng)環(huán)路濾波器積分產(chǎn)生一個控制電壓，并濾除其中的高頻分量和噪聲，這個電壓驅(qū)動壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率增加或減少。當(dāng)環(huán)路鎖定時輸入?yún)⒖碱l率與壓控振蕩器輸出的N分頻的頻差為零，相位差不再隨時間變化。這時控制電壓為一固定值，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
當(dāng)輸入的參考時鐘fREFIN，壓控振蕩器的輸出fVCXO兩個頻率分別經(jīng)R和N分頻后的頻率和相位均相同時，鑒相器的輸出e(s)為O，此時環(huán)路將處于鎖定狀態(tài)。由方程e(s)=FREFIN／R-FVCXO／N可以推導(dǎo)出，當(dāng)e(s)=0時，fREFIN／R=FVCXO／N，即FVCXO=NFREIN／R。
鎖相式頻率綜合器將R，N分頻因子、鑒相器、充電泵集成于一個芯片內(nèi)，對相位噪聲和雜散等具有很好的抑制作用，而且調(diào)試簡單。它作為通信、雷達(dá)、遙測遙控、電子偵察等系統(tǒng)中的核心部件，是保證整個電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，因而目前被廣泛應(yīng)用于電視、儀表、通信等許多領(lǐng)域。

2 數(shù)字鎖相式頻率源設(shè)計方案
根據(jù)系統(tǒng)需求，數(shù)字鎖相式頻率源設(shè)計指標(biāo)主要為：輸出頻率為70～90 MHz；步進(jìn)間隔為1 MHz；輸出功率為9 dBm。為了滿足這三個主要指標(biāo)，設(shè)計從以下三方面考慮方案的設(shè)計和器件的選用。
2．1 輸出頻率
為了得到輸出范圍為70～90 MHz的高精度頻率，設(shè)計中采用ADI公司推出的高性能鎖相頻率綜合器芯片ADF4111，其RF回饋輸入的最高頻率為1．2 GHz，即為鎖相環(huán)路可得到的最大輸出頻率，滿足本設(shè)計頻率輸出范圍要求。該芯片可用于無線射頻通信系統(tǒng)基站、無線局域網(wǎng)、手機(jī)，以及通信檢測設(shè)備中。它主要由四部分構(gòu)成：
(1)低噪聲鑒頻相器(PFD)。
(2)精密充電泵(Charge Pump)。
(3)可編程預(yù)置分頻器。主要由三個可編程計數(shù)器組成：A計數(shù)器(6位)、B計數(shù)器(13位)、雙模預(yù)置分頻器(P／(P+1)，P為預(yù)置分頻器的模)，這三類計數(shù)器執(zhí)行VCO輸出頻率到PFD的N分頻，實現(xiàn)N=BP+A的運算；其中雙模預(yù)置分頻器有四種工作模式：8／9，16／17，32／33，64／65；
(4)參考分頻器(R計數(shù)器，14位)。
使用時需要配置寄存器，寄存器配置除了配置芯片工作方式外，主要是設(shè)置輸入時鐘分頻因子R和VCXO輸入分頻比A，B，使鑒相器的兩個輸入時鐘相等。VCXO輸出的時鐘與輸入時鐘關(guān)系為：FVCXO=[(P×B)+A]FREFIN／R。式中：P為prescaler因子；FREFIN和FVCXO分別是輸入的參考時鐘頻率和壓控振蕩器的輸出頻率。
寄存器的配置可采用FPGA控制的方法。FPGA因其集成度高、功能強(qiáng)大、用戶可編程、體積小等特點被應(yīng)用得越來越廣泛。在該設(shè)計中其對寄存器的配置也顯得靈活而方便。設(shè)計中選用Altera公司的0．25μmCMOS ROM工藝規(guī)程的結(jié)構(gòu)的FLEX系列芯片EPFlOK50EQC240-3，F(xiàn)LEX系列的芯片是一種中等密度的器件，基于查找表結(jié)構(gòu)，性能高，功耗低。FPGA的程序開發(fā)使用的是Altera公司的QuartusⅡ軟件實現(xiàn)的，用AHDL硬件描述語言編寫ADF4111的寄存器配置程序。
與頻率綜合器ADF4111構(gòu)成鎖相環(huán)的壓控振蕩器選用了Mini-circuit公司POS-100，它是一款性能優(yōu)良的壓控振蕩器，其調(diào)諧電壓范圍是0～16 V，對應(yīng)的輸出頻率范圍為45～110 MHz，電壓調(diào)節(jié)靈敏度為4．2～4．8 MHz／V，輸出功率的典型值為8．3 dBm，從其電壓一頻率關(guān)系得知，當(dāng)輸出頻率為90 MHz時，對應(yīng)的輸入電壓在11．5～12 V之間，而當(dāng)給ADF4111的模擬和數(shù)字供電端加3．3 V電壓，電荷泵供電端加5 V電壓時，電荷泵輸出經(jīng)環(huán)路濾波器后的電壓最高為5 V，該5 V電壓若不放大，顯然無法驅(qū)動壓控振蕩器產(chǎn)生90 MHz的頻率。為此，在環(huán)路濾波器后需要添置一個放大器，OP191是AD公司一款供電電壓為2．7～12 V的放大器，主要應(yīng)用在工業(yè)控制，電訊，遠(yuǎn)程感應(yīng)等領(lǐng)域，將它的供電電壓設(shè)計為12 V，可以使其輸出電壓最高達(dá)到12 V，能夠滿足壓控振蕩器輸出頻率為90 MHz的調(diào)諧電壓輸入要求。
2．2 頻率步進(jìn)
實現(xiàn)頻率步進(jìn)的方法是通過改變頻率綜合器ADF411l的寄存器配置值，從而調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率以達(dá)到環(huán)路的鎖定，最終實現(xiàn)壓控振蕩器輸出頻率的步進(jìn)。
頻率的步進(jìn)既要使VCO輸出頻率升高又能使其降低，故設(shè)計中，采用兩個按鍵分別發(fā)起升高和降低的指令要求，并通過FPGA用AHDL編程實現(xiàn)相應(yīng)的對ADF411l寄存器配置的指令。