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。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。

图1 频率源的整体结构

2 锁相环频率源的硬件设计

2.1 硬件的选择与分析

2.1.1 ADF4106 锁相环芯片

本文采用ADI 公司生产的ADF4106 锁相环芯片，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6 GHz。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

式中：Ad为鉴相灵敏度，V/rad。

2.1.2 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515~1 150 MHz，控制端电压为0~12 V。

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

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。

图2 环路滤波器接线图

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），然后将压控振荡电路的输出接入到ADF4106 芯片的6 脚RFINA 形成锁相环路。ADF4106芯片的8 脚REFIN 接入有源晶振输入一个时钟信号，压控振荡电路便输出一个不同频率的信号，这个不同频率的信号接回到ADF4106 芯片，经过ADF4106 芯片内置程序分频器N分频后，与晶振输出经过R分频后的信号进行相位比较，如果相位相同，则谐调电压稳定，压控振荡电路输出的信号便稳定；如果相位不同，谐调电压就要做相应调整，从而压控振荡器输出信号的频率便也会做相应调整。当其相位调整一致时，整个反馈环路就稳定了，这个时候锁相完成，最终输出一个频率稳定的信号。要实现上述过程，离不开STC15W4K56S4 单片机的控制，ADF4106 中引脚名为LE、DATA、CLK 的引脚对应连接STC15W4K56S4 单片机的P4.0、P3.3、P3.5 引脚。通过按键模块改变ADF4106 内分频器参数的值，并将分频器参数的值于0.96OLED 液晶显示屏显示出来，同时频率源输出对应频率的信号。

图3 频率源整体电路原理图

3 锁相环频率源的软件设计

本系统软件设计大体上采用层次化的设计方式。先要对0.96OLED 液晶显示器初始化，然后对ADF4106 芯片初始化输出，之后进行按键扫描，当按键没有按下时，一直进行按键扫描，当按键按下时，系统将对按键输入信号进行识别，之后STC15W4K56S4 单片机通过数据线发送指令给ADF4106，对ADF4106 芯片内R 分频器、N 分频器的参数值进行设置，使得系统输出对应频率的信号，之后重新回到按键扫描，如此循环往复。频率源整体软件流程图如图4 所示。

图4 频率源整体软件流程图

4 仿真、调试结果分析

4.1 锁相环软件仿真

如图5 所示，使用环路滤波电路设计软件——ADIsimPLL 进行仿真，通过设置VCO 的输出频率范围、鉴相器频率（fr/R）、压控灵敏度（Kv）及参考频率等参数，可得仿真结果。当设置fr/R为25.00 kHz，N为25 803 时，运用公式fo=N×fr/R，可得频率源输出频率为645.07 MHz，如图5 中的频率-时间图，仿真结果与理论计算值基本一致，表明环路滤波器元器件参数值设置合理，频率源整体设计合理。

图5 ADIsimPLL 软件仿真

4.2 调试结果分析

通过示波器显示所设置输出信号的波形。设置频率源输出515 MHz 信号，频率源实际输出信号波形如图6所示；设置频率源输出805 MHz 信号，频率源实际输出信号波形如图7 所示。通过对实际输出信号的多次测试和观察，发现实际输出信号的频率与设置输出信号的频率一致。

图6 频率源输出515MHz 信号

图7 频率源输出805MHz 信号

5 结论

在电子通信系统中，频率源的作用至关重要，其性能直接决定通信质量的优劣。本文详细讲述了锁相环式频率源设计的基本原理，并在此基础上做了实际的研究。本设计通过STC15W4K56S4 单片机来实现对频率源输出信号的实时控制。通过ADIsimPLL 软件对环路滤波器进行设计，并通过设置相关参数，对输出信号进行仿真，发现仿真结果符合研究预期。调试结果分析表明，本频率源能够输出515~805 MHz 的设定频率信号，应用范围广泛。