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

頻率合成技術(shù)是指能由一個(gè)高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率，經(jīng)過(guò)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(hào)頻率輸出，并且輸出信號(hào)的頻率可由數(shù)字信號(hào)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(hào)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(diǎn)。
    在短波數(shù)字接收系統(tǒng)中，從天線端接收到的短波信號(hào)與本振信號(hào)混頻得到70 MHz中頻，之后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣。本振信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度對(duì)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(shí)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(gè)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(duì)充電泵的電流輸出進(jìn)行濾波，以驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器，其傳輸因子為Z(s)；
    (3)壓控振蕩器，有一個(gè)頻率靈敏度Kv／s；
    (4)反饋分頻因子N。
    它以一個(gè)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(gè)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)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(gè)控制電壓，并濾除其中的高頻分量和噪聲，這個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率增加或減少。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)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(shí)間變化。這時(shí)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(shí)鐘fREFIN，壓控振蕩器的輸出fVCXO兩個(gè)頻率分別經(jīng)R和N分頻后的頻率和相位均相同時(shí)，鑒相器的輸出e(s)為O，此時(shí)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(shí)，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(gè)芯片內(nèi)，對(duì)相位噪聲和雜散等具有很好的抑制作用，而且調(diào)試簡(jiǎn)單。它作為通信、雷達(dá)、遙測(cè)遙控、電子偵察等系統(tǒng)中的核心部件，是保證整個(gè)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(jì)方案
    根據(jù)系統(tǒng)需求，數(shù)字鎖相式頻率源設(shè)計(jì)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(gè)主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)從以下三方面考慮方案的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)頻率輸出范圍要求。該芯片可用于無(wú)線射頻通信系統(tǒng)基站、無(wú)線局域網(wǎng)、手機(jī)，以及通信檢測(cè)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(gè)可編程計(jì)數(shù)器組成：A計(jì)數(shù)器(6位)、B計(jì)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(jì)數(shù)器執(zhí)行VCO輸出頻率到PFD的N分頻，實(shí)現(xiàn)N=BP+A的運(yùn)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(jì)數(shù)器，14位)。
    使用時(shí)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(shí)鐘分頻因子R和VCXO輸入分頻比A，B，使鑒相器的兩個(gè)輸入時(shí)鐘相等。VCXO輸出的時(shí)鐘與輸入時(shí)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(shí)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(diǎn)被應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。在該設(shè)計(jì)中其對(duì)寄存器的配置也顯得靈活而方便。設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)使用的是Altera公司的QuartusⅡ軟件實(shí)現(xiàn)的，用AHDL硬件描述語(yǔ)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(duì)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(shí)，對(duì)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(shí)，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(wú)法驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)的方法是通過(guò)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(shí)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(jì)中，采用兩個(gè)按鍵分別發(fā)起升高和降低的指令要求，并通過(guò)FPGA用AHDL編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)ADF411l寄存器配置的指令。
2．3 輸出功率
    根據(jù)信號(hào)流程，壓控振蕩器POS-100的輸出分為兩路：一路反饋于ADF4111，另一路作為本振輸出。此時(shí)，壓控振蕩器的輸出需要經(jīng)過(guò)一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)分成兩路，這里T型網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)電阻分路器，如圖2所示。它廣泛應(yīng)用于一個(gè)源需要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)負(fù)載的情況，其目的是進(jìn)行電路的阻抗匹配。常用三個(gè)18 Ω的電阻值連成Y型。如果其中的一個(gè)負(fù)載為50 Ω，它就相當(dāng)于衰減6．3 dB的T型網(wǎng)絡(luò)。

    壓控振蕩器POS-100輸出功率的典型值為8．3 dBm，經(jīng)過(guò)T型網(wǎng)絡(luò)后，作為本振輸出的信號(hào)功率為8．3-6．3=2 dBm，顯然2 dBm的信號(hào)需要放大，因此設(shè)計(jì)中采用Mini-circuits公司的單塊集成電路放大器ERA-4。它能夠放大的信號(hào)頻率范圍為0～4 GHz，對(duì)0～1 GHz信號(hào)的放大增益為14 dB。為確保ERA-4的本振輸入信號(hào)不飽和，設(shè)計(jì)中將2 dBm的本振信號(hào)經(jīng)過(guò)了一個(gè)4 dB的衰減器后再輸入ERA-4。此時(shí)，從ERA-4輸出的本振信號(hào)功率為2-4+14=12 dBm。最終，為得到9 dBm的本振輸出，需要再將ERA-4輸出的信號(hào)衰減3 dB。衰減器的設(shè)計(jì)采用兀型電阻匹配網(wǎng)絡(luò)。
    系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的工作時(shí)鐘和頻率綜合器ADF4111輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘由美國(guó)WINTRON公司的40 MHz的TCXO時(shí)鐘提供。

3 數(shù)字鎖相式頻率源硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)數(shù)字鎖相式頻率源設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，F(xiàn)LEXlOK50E芯片內(nèi)部集成有50 000個(gè)門，2 880個(gè)邏輯單元(Logicelements)，其RAM容量為40 960 b，它完成的功能主要有：
    (1)接收按鍵的對(duì)輸出頻率fVCXO增減要求的指令；
    (2)配置頻率綜合器ADF4111；
    (3)控制數(shù)碼顯示管以顯示鎖定后的fVCXO值。
    鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定，高精度的本振輸出的關(guān)鍵。從壓控振蕩器輸出的本振必須經(jīng)過(guò)衰減器和放大器，以確保最終的本振輸出功率符合指標(biāo)要求，下面重點(diǎn)闡述這兩部分的電路設(shè)計(jì)。
3．1 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)
    鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)主要有兩部分：ADF4111設(shè)計(jì)和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，下面分別對(duì)這兩方面進(jìn)行闡述。
3．1．1 ADF4111設(shè)計(jì)
    ADF4111內(nèi)部的四個(gè)24位控制字寄存器，分別為R分頻器、N分頻器、功能寄存器和初始化寄存器，F(xiàn)PGA對(duì)鎖相環(huán)的控制通過(guò)設(shè)置這四個(gè)控制寄存器的控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    ADF4111從外部輸入的信號(hào)有標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)(40 MHz)和FPGA輸出的控制信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)輸入到ADF4111后，經(jīng)14位的R分頻器得到鑒相基準(zhǔn)頻率并送至鑒相器。控制信號(hào)由時(shí)鐘信號(hào)CLK、數(shù)據(jù)信號(hào)DATA和使能信號(hào)LE組成。在CLK的控制下，由DATA信號(hào)端輸入24位數(shù)據(jù)信號(hào)，暫時(shí)存放在24位輸入寄存器中。在接收到LE后，先前輸入的24位數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達(dá)對(duì)應(yīng)的鎖存器。當(dāng)ADF4111接收到反饋回來(lái)的輸出頻率后，首先通過(guò)預(yù)分頻比例因子P，經(jīng)A，B分頻器，得到分頻以后的回饋信號(hào)，之后輸入到鎖相器。與分頻以后的標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)在鑒相器中比較，輸出低頻控制信號(hào)以控制外部VCO的頻率，使其鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。
    設(shè)計(jì)中采用40 MHz晶振作標(biāo)準(zhǔn)頻率源信號(hào)。為了得到1 MHz的步進(jìn)量。ADF4111的PFD輸入頻率為l MHz。所以將參考時(shí)鐘分頻器R設(shè)置為40，此外，設(shè)置P=8。由關(guān)系式：FVCXO=[(P×B)+A]FREFIN／R知，當(dāng)FVCXO=70 MHz時(shí)，可以設(shè)置計(jì)數(shù)器A為6，計(jì)數(shù)器B為8，則4個(gè)控制寄存器的控制字分別設(shè)置為R分頻器6200AOH，N分頻器200819H，功能寄存器003092H，初始化寄存器003093H。當(dāng)按鍵發(fā)出指令，要求升高或降低本振輸出頻率時(shí)，改變計(jì)數(shù)器A和B的值，并重新加載ADF411l的控制寄存器，最終實(shí)現(xiàn)本振輸出頻率的改變。
3．1．2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
    環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，其優(yōu)劣直接影響鎖相環(huán)的穩(wěn)定性，可以利用AD公司提供的專用軟件ADI simPLL 3．0進(jìn)行了濾波器的設(shè)計(jì)，仿真軟件提供了ADF系列頻率合成器的集成環(huán)境，它包含了ADI頻率合成器模型，VCO和TCXO的模型?？梢赃x擇相應(yīng)的參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)所需要的環(huán)路濾波器。它同時(shí)給出參考相位噪聲，輸出雜散及鎖定的過(guò)程。
    環(huán)路濾波器的帶寬越寬，鎖定時(shí)間越短，但雜散噪聲增加。環(huán)路濾波器的帶寬越窄，雜散噪聲減小，但鎖定時(shí)間增長(zhǎng)。因此環(huán)路濾波器的帶寬選擇需在這兩者之間折中。設(shè)計(jì)中帶寬選為鑒相器參考頻率的1／10即能兼顧這兩個(gè)因素。環(huán)路濾波器還需考慮的一個(gè)因素是相位余量，相位余量太小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，相位余量太大會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變慢，40°～55°是比較理想的選擇，在這個(gè)范圍內(nèi)，一定的雜散度下，能使鎖定時(shí)間達(dá)到最小。設(shè)計(jì)中設(shè)定濾波帶寬為100 kHz，相位余量45°，用ADI SimPLL 3．O仿真軟件可以得到環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，電阻值和電容值根據(jù)最終的調(diào)試做了相應(yīng)調(diào)整。設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。

3．2 衰減器設(shè)計(jì)
    為確保最終的本振輸出功率符合指標(biāo)要求，進(jìn)行衰減和放大電路部分的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)中衰減器采用了π型電阻網(wǎng)絡(luò)，該電阻網(wǎng)絡(luò)既要滿足功率分配要求。又要滿足阻抗匹配要求，在衰減器的輸入和輸出阻抗均為50 Ω時(shí)，利用CASCADE(Comptlter Aided ScientificAmplitier Design Element)軟件設(shè)計(jì)的4 dB衰減器如圖5所示。

4 數(shù)字鎖相式頻率源硬件和軟件調(diào)試
    在完成頻率源的軟硬件設(shè)計(jì)之后。需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。
4．1 系統(tǒng)硬件調(diào)試
    在完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和PCB制作后，需要利用萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀等工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，有無(wú)電路方面錯(cuò)誤等。硬件調(diào)試主要包括數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)試，上電前檢測(cè)、上電后檢測(cè)和模塊各組成部分工作狀態(tài)調(diào)試等。
    在設(shè)計(jì)中，通過(guò)USB-Blaster下載電纜采用JTAG配置方式將數(shù)據(jù)下載到FPGA。下載配置是驗(yàn)證系統(tǒng)中其他電路部分的第一步，方法是通過(guò)QutartusⅡ軟件設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的邏輯電路，然后下載到FPGA中，通過(guò)示波器等工具檢測(cè)輸出的波形是否正確。
4．2 系統(tǒng)軟件調(diào)試
    該設(shè)計(jì)中，在FPGA內(nèi)用AHDL硬件編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)部分，主要分為兩部分：一是對(duì)ADF4111寄存器的配置；二是實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)鎖相頻率升高和降低的要求。該設(shè)計(jì)中，利用數(shù)字示波器的觸發(fā)采樣功能來(lái)捕獲FPGA配置ADF4111寄存器的各個(gè)管腳的時(shí)序邏輯。
    ADF4111需要配置的寄存器為3個(gè)24 b的寄存器，在Altera公司的QuartusⅡ平臺(tái)上用AHDL進(jìn)行編程配置的仿真時(shí)序如圖6所示。其中，R=40，A=6，B=8，P=8。

    ADF4111有一個(gè)復(fù)用輸出管腳(muxout)，通過(guò)該管腳可以查看寄存器配置是否正確。設(shè)計(jì)中設(shè)置該引腳輸出為PLl鎖定指示，并連接到發(fā)光二極管。配置完后，若指示燈亮，則說(shuō)明配置正確，PLL鎖定在輸入時(shí)鐘上。調(diào)試中配置完ADF4111后，PLL成功鎖定設(shè)置的頻率上。

    在整個(gè)設(shè)計(jì)和調(diào)試完成之后，用頻譜儀對(duì)數(shù)字鎖相式頻率源輸出頻率進(jìn)行了測(cè)試，圖7為70 MHz輸出時(shí)的頻譜圖，可以看出，頻率源輸出穩(wěn)定。需要注意的是，截圖顯示的本振輸出功率為-23．77 dBm，這是由于對(duì)本振輸出進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用的探頭有損耗，經(jīng)測(cè)量約有33 dB的損耗，故本振輸出的實(shí)際功率為9 dBm，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文采用FPGA與頻率綜合器ADF4111相結(jié)合的方法進(jìn)行了數(shù)字鎖相式頻率源的設(shè)計(jì)，在FPGA內(nèi)用AHDL硬件描述語(yǔ)言編寫頻率綜合器需要的頻率控制字程序，產(chǎn)生范圍為70～90 MHz的高精度頻率，頻率的步進(jìn)采用按鍵控制的方法，步進(jìn)的間隔為1 MHz，并通過(guò)數(shù)碼顯示管將鎖定后的頻率值顯示出來(lái)。完成了PCB板制作，進(jìn)行了硬件和軟件調(diào)試。通過(guò)ADF4111的復(fù)用輸出管腳(Muxout)看到PLL成功鎖定設(shè)置的頻率上，并用頻譜儀測(cè)量了產(chǎn)生的頻率，輸出頻率穩(wěn)定，精度高，功率符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。實(shí)現(xiàn)了PLL輸出頻率的步進(jìn)，間隔為1 MHz。并在數(shù)碼管上將鎖定后的頻率值顯示出來(lái)。
    在該系統(tǒng)中，由于ADF4111的控制字寄存器的控制字是通過(guò)FPGA寫入的。所以可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的方法，改變寫入的控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率的本振信號(hào)輸出，使鎖相環(huán)具有低相位噪聲，低雜散度?？焖冁i定的特點(diǎn)，電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。采用這種方法能可根據(jù)實(shí)際工程需要改變輸出信號(hào)的頻率。步進(jìn)間隔以及功率，使該類型電路設(shè)計(jì)能廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信設(shè)備中，為設(shè)備的中頻和射頻電路提供高質(zhì)量的本振。