基于ADF4106的射频信号源设计

基于ADF4106的射频信号源设计

李瑞东王冬张冠武王波

西安电子工程研究所西安710100

摘要：本设计采用锁相环器件ADF4106、环路滤波器、压控振荡器、单片机等核心器件设计出高性能的射频信号源电路。本信号源输出频率稳定度高，频率捷变快，操作简单，价格低廉，性能优越。

关键词：频率合成；锁相环；压控振荡器；

引言

在现代电子技术测试过程中，射频信号源是一种频率稳定度极高的信号发生器。广泛应用于通信、雷达、仪器仪表、高速机算计及导航系统中。一般的振荡器已经无法满足各种应用的发展要求。在生产测试中，一般射频信号源价格昂贵操作繁琐，根据某系统的要求设计一种有针对性的射频信号源，简化操作，提高测试效率。

1锁相环基本构成及工作原理

锁相环是频率合成技术的基础，是此次设计测试所用射频信号源的技术基础，最基本的锁相环系统由鉴相器（PD）、压控振荡器（VCO）、环路滤波器（LF）、分频器构成。

锁相环是将输出相位和输入相位相比较的相位反馈控制系统，在锁相环同步状态下，其输出信号和输入信号的相位差为零或常数，此时为锁定状态。锁相环工作原理框图如图1所示。压控振荡器的输出频率fVCO和参考频率fIN之间的关系为：

fVCO=NfIN/R

图1频率合成器原理框图

2系统总体设计

系统由单片机控制电路、100MHz标频组件、锁相环器件ADF4106、有源滤波电路、宽带VCO等核心电路组成，系统总体电路原理框图如图1所示。

2.1锁相环器件ADF4106

锁相环器件采用ADF4106器件，其结构组成包括低噪声的数字鉴频鉴相器，精密的电荷泵，可编程的参考分频器，可编程的A计数器（6位）和B计数器（13位），可编程双模预分频器（P/P+1），以上组成系统可以实现信号的N分频功能（N=BP+A），且ADF4106还包括R（14位）的参考分频器，ADF4106器件是一款性能优良，集成度高的锁相环芯片。

2.2宽带压控振荡器

宽带压控振荡器DCMO-190410-5输出频率与调谐电压关系如图2所示，当压控振荡器输出频率范围在3.1～3.4GHz之间时，压控振荡器调谐电压范围是直流8.5～10.5V。由于所选鉴相器ADF4106最大的电荷泵电压为直流5V，因此锁相环的环路低通滤波器需要采用有源滤波器。

图2VCO输出频率与调谐电压关系

2.3有源滤波电路

压控振荡器的调谐电压范围为直流0～16V，锁相环的最大输出泵电压为直流5V，由于无源滤波环路放大倍数有限，因此采用三阶有源滤波环路结构进行环路滤波，环路滤波器的设计原理如图3所示。

设计中采用具有很好的直流和交流特性的精密运算放大器OP27来进行有源滤波环路的设计。使用负电源Vd来改善精密运算放大器OP27使用中零点漂移问题，在精密运算放大器OP27的工作线性区内保证正常输出有效的压控振荡器件调谐电压。

图3双电源供电的三阶有源滤波环路

在单环PLL设计过程中，频率合成信号的带内噪声主要由参考晶振、频率合成器、环路滤波器综合决定，而带外噪声主要由压控振荡器件的性能来决定。鉴相频率控制为10MHz，由锁相环相位噪声理论公式可知，当输出最高频率达到3.4GHz时，N分频器的值为340倍，环路带宽内的相位噪声的理论值为：

PN=-219dBc/Hz+10lg（fPDF）+20lg（fo/fPDF）=-99dBc/Hz

3系统原理及分析

此频率合成器输出频率范围为3.1～3.4GHz，频率步进为10MHz，故鉴相频率设为10MHz。此时，ADF4106的鉴相器前置分频器R设置为10，通过单片机来控制N分频器的值为310～340。标频组件输出频率值为100MHz信号功率值大约为0dBm的信号作为锁相环的参考信号。参考信号送入鉴相器后，经鉴相器内部的前置分频器R=10分频以后得到10MHz信号，作为锁相环的鉴相参考频率，因此实现频率步进为10MHz的要求。鉴相器电荷泵输出通过有源环路滤波器后，转变成电压驱动压控振荡器工作。

压控振荡器件输出信号通过一个电阻功分网络以后，一路信号直接输出，另一路信号经过N分频反馈输入鉴相器，与鉴相频率10MHz相比较，然后通过环路的反馈作用，使宽带压控振荡器件输出频率达到稳定值。其中N分频器取值范围为310～340，通过改变该取值，即可实现输出频率的改变，其原理框图如图1所示。

4结束语

本文主要介绍了生产测试所用射频信号源的设计和实现，经过软件仿真和实际系统搭建测试，其输出频率的杂散小于-85dBc，其相位噪声小于-93dBc/Hz@1kHz，其频率转换时间不大于300us，能很好的满足生产测试需求。它的实现可以使测试系统具有操作简单、使用方便等特点，可以节省测试时间，提高生产效率.

参考文献：

[1]陈立周等，单片机原理及应用机械工业出版社

[2]江晓安等，模拟电子技术西安电子科技大学出版社

[3]VadimManassewitsch，频率和成原理与设计电子工业出版社