基于A(yíng)DF4111的數字鎖相式可調頻率源實(shí)現

頻率合成技術(shù)是指能由一個(gè)高穩定度和準確度的標準參考頻率，經(jīng)過(guò)一系列的處理，產(chǎn)生大量離散的具有同一穩定度和準確度的信號頻率輸出，并且輸出信號的頻率可由數字信號控制改變，它主要的應用是為上／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字頻率合成。鎖相式頻率綜合器是現今應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)。
在短波數字接收系統中，從天線(xiàn)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。本振信號的穩定性和準確度對系統性能有著(zhù)重要和直接的影響。本文采用頻率合成技術(shù)，應用ADl公司的頻率綜合器ADF4111和Altera公司的FLEXlOKE系列FPGA實(shí)現頻率穩定，精度高，范圍為70～90 MHz，步進(jìn)間隔1 MHz的數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反饋基礎上的循環(huán)控制系統，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，其作用是對充電泵的電流輸出進(jìn)行濾波，以驅動(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)高準確度，穩定度的晶體振蕩器的R分頻作為輸入參考頻率，該輸入參考頻率作為鑒相器的基準與壓控振蕩器輸出的進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)對應于兩個(gè)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(gè)控制電壓，并濾除其中的高頻分量和噪聲，這個(gè)電壓驅動(dòng)壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率增加或減少。當環(huán)路鎖定時(shí)輸入參考頻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可以推導出，當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，對相位噪聲和雜散等具有很好的抑制作用，而且調試簡(jiǎn)單。它作為通信、雷達、遙測遙控、電子偵察等系統中的核心部件，是保證整個(gè)電子系統性能的關(guān)鍵因素之一，因而目前被廣泛應用于電視、儀表、通信等許多領(lǐng)域。

2 數字鎖相式頻率源設計方案
根據系統需求，數字鎖相式頻率源設計指標主要為：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(mǎn)足這三個(gè)主要指標，設計從以下三方面考慮方案的設計和器件的選用。
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(mǎn)足本設計頻率輸出范圍要求。該芯片可用于無(wú)線(xiàn)射頻通信系統基站、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、手機，以及通信檢測設備中。它主要由四部分構成：
(1)低噪聲鑒頻相器(PFD)。
(2)精密充電泵(Charge Pump)。
(3)可編程預置分頻器。主要由三個(gè)可編程計數器組成：A計數器(6位)、B計數器(13位)、雙模預置分頻器(P／(P+1)，P為預置分頻器的模)，這三類(lèi)計數器執行VCO輸出頻率到PFD的N分頻，實(shí)現N=BP+A的運算；其中雙模預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、功能強大、用戶(hù)可編程、體積小等特點(diǎn)被應用得越來(lái)越廣泛。在該設計中其對寄存器的配置也顯得靈活而方便。設計中選用Altera公司的0．25μmCMOS ROM工藝規程的結構的FLEX系列芯片EPFlOK50EQC240-3，FLEX系列的芯片是一種中等密度的器件，基于查找表結構，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)現的，用AHDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)ADF4111的寄存器配置程序。
與頻率綜合器ADF4111構成鎖相環(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，其調諧電壓范圍是0～16 V，對應的輸出頻率范圍為45～110 MHz，電壓調節靈敏度為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，當輸出頻率為90 MHz時(shí)，對應的輸入電壓在11．5～12 V之間，而當給ADF4111的模擬和數字供電端加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，主要應用在工業(yè)控制，電訊，遠程感應等領(lǐng)域，將它的供電電壓設計為12 V，可以使其輸出電壓最高達到12 V，能夠滿(mǎn)足壓控振蕩器輸出頻率為90 MHz的調諧電壓輸入要求。
2．2 頻率步進(jìn)
實(shí)現頻率步進(jìn)的方法是通過(guò)改變頻率綜合器ADF411l的寄存器配置值，從而調整壓控振蕩器的輸出頻率以達到環(huán)路的鎖定，最終實(shí)現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，故設計中，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)現相應的對ADF411l寄存器配置的指令。