摘 要： 介紹了一種用單片機(jī)控制的智能微波信號(hào)源發(fā)生器，以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的低功率、高性能的δ-∑小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路LMX2485和YTO為核心構(gòu)成。微波信號(hào)源的工作頻率范圍為8~14 GHz，頻率分辨率為40 Hz。分析了設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字鎖相環(huán)；信號(hào)源發(fā)生器；微控制器；LMX2485
隨著微波應(yīng)用的發(fā)展，微波信號(hào)源在通信或儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。信號(hào)源的合成技術(shù)按合成方法可分為直接合成和間接合成兩種，按形式可分為直接式頻率合成、鎖相式頻率合成和直接數(shù)字式頻率合成[1-2]。直接式頻率合成的特點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、輸出相位噪聲小、工作頻率高，并能產(chǎn)生任意小的頻率間隔；缺點(diǎn)是采用了大量倍頻、分頻、混頻和選頻濾波器，不僅體積重量大、成本高，而且輸出紋波、噪聲和寄生頻率均難以抑制。鎖相式頻率合成主要采用數(shù)字鎖相法，其主要優(yōu)點(diǎn)是鎖相環(huán)相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，具有良好的窄帶跟蹤濾波特性和抑制輸入信號(hào)的寄生干擾的能力， 避免了大量使用濾波器，有利于集成化和小型化。直接數(shù)字式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、容易做到極低的頻率、控制靈活等，但它面臨輸出頻率上限難以提高和寄生輸出難以抑制兩個(gè)難題。因此，對(duì)于微波、毫米波信號(hào)源的合成應(yīng)主要采用數(shù)字鎖相方式，并基于大規(guī)模專(zhuān)用集成芯片來(lái)設(shè)計(jì)。本文提出一種用單片機(jī)控制的智能微波信號(hào)源發(fā)生器，以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的低功耗、高性能的δ-∑小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路LMX2485[3]和YTO為核心，并通過(guò)單片機(jī)C8051F120控制。應(yīng)用該電路產(chǎn)生4~7 GHz的頻率源，再通過(guò)倍頻器實(shí)現(xiàn)8~14 GHz應(yīng)用所需的信號(hào)。應(yīng)用這種方法實(shí)現(xiàn)的微波信號(hào)源發(fā)生器成本低、體積小、性能好，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
1 LMX2485功能介紹
LMX2485是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的一款低功率、高性能的δ-∑小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路，其頻率范圍可達(dá)50 MHz~3 GHz。采用全新δ-∑結(jié)構(gòu)，可以將其低頻段的雜散和相位噪聲推移到更高頻段，從而使得電路所需頻段的雜散和噪聲更小[4]。δ-∑調(diào)制器可供四級(jí)選用，可以兼顧應(yīng)用的不同需要，如對(duì)相位噪音、假信號(hào)抑制能力以及鎖定時(shí)間的要求，確保系統(tǒng)可以充分發(fā)揮其性能。開(kāi)發(fā)時(shí)只需加設(shè)極少低成本的外置元件，有助于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減低系統(tǒng)成本。其工作原理如圖1所示，輸出頻率f0經(jīng)小數(shù)分頻(÷N.F)后得到參考頻率f1，鑒相器通過(guò)比較f1和參考頻率的相位，控制輸出鑒相電流或電壓，通過(guò)低通濾波后控制壓控振蕩器改變輸出頻率，最終達(dá)到兩者相位相同即鎖定，由此得到f0/N.F=f1=fref，即輸出頻率，如式(1)所示。通過(guò)單片機(jī)控制N.F，就可以得到用戶(hù)需要使用的頻率。
f0=fref×N.F (1)
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求信號(hào)源產(chǎn)生8~14 GHz的微波源，頻率分辨率為100 Hz。采用LMX2485小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)，外置調(diào)諧振蕩器采用YTO(YIG調(diào)諧振蕩器)，YTO具有很寬的頻率調(diào)諧范圍、良好的調(diào)諧線(xiàn)性、低相噪、溫度特性好、失諧隔離高、調(diào)諧速度快，因此得到廣泛運(yùn)用。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。其中LMX2485 PLL的設(shè)置及YTO的電壓偏置控制由單片機(jī)進(jìn)行，ADC7545用于控制YTO的預(yù)調(diào)電壓即主線(xiàn)圈電壓，環(huán)路濾波器輸出控制YTO的副線(xiàn)圈電壓。
2.1 分頻器設(shè)計(jì)
LMX2485內(nèi)部設(shè)有22位的分?jǐn)?shù)模數(shù)寄存器，程序分頻寄存器有：RF_N(10:0)表示N.F的整數(shù)部分，RF_FN(21:0)表示N.F小數(shù)部分的分子，RF_FD(21:0)表示N.F小數(shù)部分的分母，RF_R(5:0)為參考分頻器。對(duì)于本例信號(hào)源發(fā)生器，要求輸出頻率為8~14 GHz，頻率分辨率為100 Hz。采用4~7 GHz YTO，在輸出級(jí)加上2倍頻電路，環(huán)路中加入HMC433四分頻電路。系統(tǒng)采用高精度溫補(bǔ)10 MHz晶振，片內(nèi)使用倍頻控制，RF_R固定為1，RF_FD固定為4 000 000，則按照式(1)，本信號(hào)源輸出頻率為式(2)，公式中乘以8是由于環(huán)路中增加了四分頻電路和最終輸出端增加了倍頻器。當(dāng)RF_N=50，RF_FN=0時(shí)，鎖相環(huán)頻率為1 GHz，系統(tǒng)輸出頻率為8 GHz。當(dāng)RF_N=87，RF_FN=2 000 000時(shí)，鎖相環(huán)頻率為1 750 MHz，系統(tǒng)輸出頻率為14 GHz。本方案的系統(tǒng)分辨率為20 MHz/4 000 000×8=40 Hz，滿(mǎn)足應(yīng)用要求。RF_N的選擇范圍為50~87，RF_FN的選擇范圍為0~3 999 999。單片機(jī)配置LMX2485采用IO控制，其配置時(shí)序如圖3所示。
f0=10×2/RF_R×(RF_N+RF_FN/RF_FD)×4×2 (MHz)
=10×2×(RF_N+RF_FN/4 000 000)×4×2 (MHz) (2)
2.2 數(shù)字鑒相器
鑒相器集成在LMX2485芯片內(nèi)部，采用小數(shù)分頻，最大鑒相頻率限于50 MHz，實(shí)際使用20 MHz。設(shè)計(jì)鑒相頻率需要折中考慮，如果鑒相頻率太高，雖然相位噪聲可以降低，但鎖定時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)很大，同時(shí)頻率分辨率性能降低。鑒相器電路后是充電泵，其輸出為高阻電流，經(jīng)過(guò)外置濾波電路輸出頻率控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)YTO驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)YTO產(chǎn)生所需頻率。芯片內(nèi)有一數(shù)字鎖定檢測(cè)電路和檢測(cè)算法，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)路鎖定時(shí)，輸出鎖定指示為1。
2.3 YTO及驅(qū)動(dòng)
YTO由于具有比VCO更好的性能因此在微波儀器中得到廣泛的應(yīng)用。YTO內(nèi)部具有主副線(xiàn)圈，相應(yīng)地外部需要主線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路和副線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路，主線(xiàn)圈引起頻率的大范圍變化，副線(xiàn)圈帶動(dòng)頻率的微小變化，從而獲得更好的性能。主線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓由單片機(jī)按式(3)計(jì)算出相應(yīng)的電壓，再通過(guò)DAC7545進(jìn)行設(shè)置，式中k、f0是常量，由YTO特性確定。
f=kV+f0 (3)
YTO的副線(xiàn)圈是為了YTO輸出頻率的微小變動(dòng)，因此副線(xiàn)圈控制電壓由鑒相器輸出的兩路頻率相位差值再通過(guò)環(huán)路濾波后的電壓來(lái)控制，從而達(dá)到輸出信號(hào)源的頻率和參考晶振頻率有固定的相位關(guān)系，也即使得鎖相環(huán)鎖定在固定的頻率上。
3 硬件設(shè)計(jì)
信號(hào)源發(fā)生器硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制系統(tǒng)和鎖相環(huán)系統(tǒng)兩部分。
3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口和鎖相環(huán)控制，采用C8051F120，其內(nèi)核為100 MIPS的8051微控制器。通過(guò)SPI接口和人機(jī)接口芯片ZLG7289獲得輸入的頻率值，按照該頻率值計(jì)算鎖相環(huán)LMX2485對(duì)應(yīng)的寄存器值，然后使用IO管腳按照?qǐng)D3所示時(shí)序進(jìn)行LMX2485的三線(xiàn)配置，LMX2485自動(dòng)進(jìn)行鎖相跟蹤，最終鎖定于設(shè)置的頻率值。頻率值及鎖定結(jié)果通過(guò)ZLG7289顯示。
單片機(jī)針對(duì)輸入的頻率值計(jì)算YTO主線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)的控制電壓，通過(guò)D/A芯片AD7545輸出。AD7545是12 bit分辨率的單電壓控制CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，參考電壓設(shè)為12 V，單片機(jī)通過(guò)并行接口即可方便地進(jìn)行控制。YTO副線(xiàn)圈電壓由鎖相環(huán)的環(huán)路輸出控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
人機(jī)交互電路主要實(shí)現(xiàn)信息的輸入、數(shù)據(jù)顯示及警示作用，采用ZLG7289實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部包含數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理電路，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64個(gè)獨(dú)立LED，同時(shí)還可以?huà)呙韫芾矶噙_(dá)64個(gè)按鍵，采用SPI 串行總線(xiàn)與單片機(jī)接口。本系統(tǒng)頻率最大為14 GHz，因此采用兩個(gè)ZLG7289并接實(shí)現(xiàn)。
3.2 鎖相環(huán)電路
鎖相環(huán)、四分頻等部分電路如圖4所示，LMX2485通過(guò)三線(xiàn)和單片機(jī)相連，參考頻率由高穩(wěn)溫補(bǔ)晶振提供。YTO輸出頻率通過(guò)四分頻電路HMC433進(jìn)行四分頻后進(jìn)入LMX2485的射頻輸入。兩路信號(hào)通過(guò)內(nèi)部鑒相器鑒相，充電泵輸出后，再通過(guò)外部環(huán)路低通濾波器和運(yùn)算放大器OP07去控制YTO小線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)。
具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于工作頻率較高，電路板需要四層以上。
4 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件主要接收信號(hào)源發(fā)生頻率的輸入，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后配置LMX2485小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路和YTO主線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電壓的D/A控制，然后經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)電路的跟蹤鎖定，使得YTO輸出需要的頻率。其軟件框圖如圖5所示。
系統(tǒng)輸出頻譜如圖6(a)所示，當(dāng)采用四層電路板設(shè)計(jì)，并且調(diào)整相關(guān)放大器輸入、輸出匹配等問(wèn)題后，效果更好，如圖6(b)所示。
本文介紹的微波信號(hào)源發(fā)生器，使用單片機(jī)控制低功率、高性能的δ-∑小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制調(diào)諧振蕩器(YTO)的輸出，用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)源發(fā)生器可以帶來(lái)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高、誤差小、操作控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
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