基于ADF4106锁相环的频率源设计与实现.pdf
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1、众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期基于 ADF4106 锁相环的频率源设计与实现宋才贤,王利强(天津职业技术师范大学 电子工程学院,天津 300222)自频率合成技术问世以来,经过几十年的发展,已逐渐形成了 4 种主要的合成方法,包括直接频率合成技术、间接频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合式频率合成技术1。当前市面上有很多 DDS 芯片开发而成的频率源,这些频率源有输出波形失真小、频率转换速度快、高分辨率和输出频率高等优点。虽然这些频率源性能突出,但也存在着不少缺点,例如合成信号杂散高、容易在工作时产生截
2、断噪声,而且构成频率源的 DDS 芯片的控制部分需要用到高速处理器,应用存在局限性。至今,频率源经历了高速发展,高频、超高频和微波频率源,已形成标准系列。间接频率合成技术锁相环频率合成技术稳定性高、精度高,且成本和功耗都较低2。基于锁相环的优点,本文利用锁相环基本原理,设计频率源中的一种高性能频率源锁相环频率源。1锁相环频率源的工作原理本文采用 ADF4106 高集成度锁相环芯片来设计频率源。锁相技术采用相位负反馈原理,通过比较输入信号和 VCO 输出信号的相位差,产生与相位差成正比的误差电压,利用该误差电压来控制振荡器的输出频率,使其与输入信号频率相等3-5。频率源的整体结构如图 1 所示。
3、本系统由晶体振荡器、参考 R 分频器、鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)、程序 N 分频器和STC15W4K56S4单片机等部分构成。通过STC15W4K56S4单片机来对频率源进行控制,频率源便可输出对应频率的信号。2锁相环频率源的硬件设计2.1硬件的选择与分析2.1.1ADF4106 锁相环芯片本文采用 ADI 公司生产的 ADF4106 锁相环芯片,第一作者简介:宋才贤(1998-),男,硕士研究生。研究方向为物联网技术及应用。摘要:频率源普遍应用于日常生活中,生活中的各类电子设备都有频率源的参与,尤其是无线电技术与电子系统的各个领域应用最为广泛。该文采用锁相环芯片
4、 ADF4106 构成锁相频率合成电路,该电路从 ADF4106 锁相环芯片引出,接入环路滤波器、压控振荡器,然后接回 ADF4106 锁相环芯片,最终形成回路。其中的环路滤波器通过 ADIsimPLL 软件进行设计,采用 STC15W4K56S4 单片机控制 ADF4106 内部的分频器参数,设计输出频率范围为 515805 MHz 的频率源,该频率源具有输出信号频率范围宽、控制灵活等特点。关键词:频率源;频率合成;ADF4106 锁相环;ADIsimPLL 软件;STC15W4K56S4 单片机中图分类号院TN74文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤29-0043-04A
5、bstract:Frequency sources are widely used in daily life,and all kinds of electronic devices in life have the participation offrequency sources,especially in various fields of radio technology and electronic systems.In this paper,the phase-lockedfrequency synthesis circuit is composed of phase-locked
6、 loop chip ADF4106,which is drawn from ADF4106 phase-locked loopchip,connected to loop filter and voltage-controlled oscillator,and then connected back to ADF4106 phase-locked loop chip toform a loop.The loop filter is designed by ADIsimPLL software,the parameters of the frequency divider in ADF4106
7、 arecontrolled by STC15W4K56S4 single chip microcomputer,and the frequency source with output frequency range of 515 MHZ-805MHZ is designed.The frequency source has the characteristics of wide frequency range of output signal and flexible control.Keywords:frequency source;frequency synthesis;ADF4106
8、 phase-locked loop;ADIsimPLL software;STC15W4K56S4 singlechip microcomputerDOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.29.01043-2023 年 29 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application其具有高频率上限和卓越的性能。该芯片由低噪声数字鉴相器(PDF)、精确的充电泵、可编程的基准分频器、可编程的 A(6 位)和 B(13 位)计数器以及双模式前置分频器(P/P+1)等组成6。ADF4106 最显著的特点是其极高的工作频率,最高可达
9、6GHz。使用 ADF4106 设计的锁相环路具有宽广的带宽,因此,在高频系统中不需要使用倍频器,从而消除了倍频器带来的谐波、杂波和噪声干扰,有助于提高系统性能,简化系统结构,降低功耗和设备成本7。ADF4106 中的鉴相器在锁相环路中扮演相位比较的角色,先将 2 个输入信号相减,以获取其之间的相位差,然后将相位差转换为误差电压输出。鉴相器可以被视为将相位差转换为电压的装置,在理想情况下,鉴相器的输出电压平均分量与 2 个输入信号的相位差成正比,其传输特性为,(1)式中:粤d为鉴相灵敏度,V/rad。ddeV tAtq2.1.2压控振荡器压控振荡电路是一种输出频率与输入控制电压存在对应关系的振
10、荡电路。其输出信号频率取决于输入控制电压,而输入控制电压则决定了振荡器的工作状态。在锁相环路中,输入控制电压是误差信号电压,而压控振荡器则是一个受控部件。经过综合考虑,本文采用高致远电子公司生产的 MVE 系列压控振荡器,其输出频率范围为5151150MHz,控制端电压为 012V。2.2环路滤波器的设计环路滤波器的设计对锁相环系统的设计起着至关重要的作用,环路滤波器一般是由线性元件电阻和电容构成的线性电路。环路滤波器可以提高电路的抗干扰性能,可以滤除鉴相器输出误差电压 Vd(t)中的高频成分和噪声,提取平均分量并用于控制压控振荡器的频率8。其输出电压 Vc(t)和输入电压 Vd(t)的关系可
11、用常系数线性微分方程式表示,设环路滤波器的传递函数为 F(s),则。(2)环路滤波电路对信号的动态响应取决于环路滤波的阶数和噪声带宽。本次环路滤波器设计的重点是将ADF4106 鉴相器输出的鉴相电压经环路滤波器滤波后转换成压控振荡器的控制电压。通过仿真软件ADIsimPLL设置相关参数,直接生成构成环路滤波器的电阻和电容等参数值,如图 2 所示。2.3频率源硬件电路的总体设计对锁相环频率源的设计有诸多考虑,如图 3 所示。ADF4106 芯片的 2 脚 CP 出来需要接入环路滤波电路,目的是对充电泵输出的鉴相器电压信号滤除纹波。经环路滤波电路输出的信号接入到压控振荡电路的谐调电压输入端(VT)
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