摘 要： 介紹了一種用單片機控制的智能微波信號源發(fā)生器，以美國國家半導體公司的低功率,、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,。微波信號源的工作頻率范圍為8~14 GHz，頻率分辨率為40 Hz,。分析了設計方案及實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù),，給出了部分實驗結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字鎖相環(huán)；信號源發(fā)生器,；微控制器,；LMX2485
隨著微波應用的發(fā)展，微波信號源在通信或儀器中得到了廣泛的應用,。信號源的合成技術(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是頻率轉(zhuǎn)換時間短,、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)點是鎖相環(huán)相當于一個窄帶跟蹤濾波器，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難題,。因此,，對于微波、毫米波信號源的合成應主要采用數(shù)字鎖相方式,，并基于大規(guī)模專用集成芯片來設計,。本文提出一種用單片機控制的智能微波信號源發(fā)生器，以美國國家半導體公司的低功耗,、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,，并通過單片機C8051F120控制。應用該電路產(chǎn)生4~7 GHz的頻率源,，再通過倍頻器實現(xiàn)8~14 GHz應用所需的信號,。應用這種方法實現(xiàn)的微波信號源發(fā)生器成本低、體積小、性能好,，具有很高的實用價值,。
1 LMX2485功能介紹
LMX2485是美國國家半導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)制器可供四級選用，可以兼顧應用的不同需要,，如對相位噪音,、假信號抑制能力以及鎖定時間的要求,，確保系統(tǒng)可以充分發(fā)揮其性能,。開發(fā)時只需加設極少低成本的外置元件,，有助于縮短設計時間，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，鑒相器通過比較f1和參考頻率的相位,，控制輸出鑒相電流或電壓,，通過低通濾波后控制壓控振蕩器改變輸出頻率，最終達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,。通過單片機控制N.F,，就可以得到用戶需要使用的頻率。
f0=fref×N.F (1)
2 系統(tǒng)方案設計
系統(tǒng)設計要求信號源產(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，因此得到廣泛運用,。系統(tǒng)總體方案如圖2所示,。其中LMX2485 PLL的設置及YTO的電壓偏置控制由單片機進行，ADC7545用于控制YTO的預調(diào)電壓即主線圈電壓,，環(huán)路濾波器輸出控制YTO的副線圈電壓,。
2.1 分頻器設計
LMX2485內(nèi)部設有22位的分數(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,。對于本例信號源發(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RF_N=50,，RF_FN=0時,，鎖相環(huán)頻率為1 GHz,，系統(tǒng)輸出頻率為8 GHz。當RF_N=87,，RF_FN=2 000 000時,，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，滿足應用要求,。RF_N的選擇范圍為50~87,，RF_FN的選擇范圍為0~3 999 999。單片機配置LMX2485采用IO控制,，其配置時序如圖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,，實際使用20 MHz。設計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,，但鎖定時間會延長很大，同時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)過外置濾波電路輸出頻率控制信號，再經(jīng)過YTO驅(qū)動電路驅(qū)動YTO產(chǎn)生所需頻率,。芯片內(nèi)有一數(shù)字鎖定檢測電路和檢測算法，當檢測到環(huán)路鎖定時,，輸出鎖定指示為1,。
2.3 YTO及驅(qū)動
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用,。YTO內(nèi)部具有主副線圈，相應地外部需要主線圈驅(qū)動電路和副線圈驅(qū)動電路,，主線圈引起頻率的大范圍變化，副線圈帶動頻率的微小變化,，從而獲得更好的性能,。主線圈驅(qū)動電路的控制電壓由單片機按式(3)計算出相應的電壓,，再通過DAC7545進行設置,，式中k、f0是常量,，由YTO特性確定,。
f=kV+f0 (3)
YTO的副線圈是為了YTO輸出頻率的微小變動，因此副線圈控制電壓由鑒相器輸出的兩路頻率相位差值再通過環(huán)路濾波后的電壓來控制,，從而達到輸出信號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 硬件設計
信號源發(fā)生器硬件系統(tǒng)主要包括單片機控制系統(tǒng)和鎖相環(huán)系統(tǒng)兩部分,。
3.1 單片機控制系統(tǒng)
單片機主要實現(xiàn)人機接口和鎖相環(huán)控制,，采用C8051F120，其內(nèi)核為100 MIPS的8051微控制器,。通過SPI接口和人機接口芯片ZLG7289獲得輸入的頻率值,，按照該頻率值計算鎖相環(huán)LMX2485對應的寄存器值，然后使用IO管腳按照圖3所示時序進行LMX2485的三線配置,，LMX2485自動進行鎖相跟蹤,，最終鎖定于設置的頻率值。頻率值及鎖定結(jié)果通過ZLG7289顯示,。
單片機針對輸入的頻率值計算YTO主線圈對應的控制電壓,，通過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,，參考電壓設為12 V,，單片機通過并行接口即可方便地進行控制。YTO副線圈電壓由鎖相環(huán)的環(huán)路輸出控制來實現(xiàn),。
人機交互電路主要實現(xiàn)信息的輸入、數(shù)據(jù)顯示及警示作用,，采用ZLG7289實現(xiàn),，其內(nèi)部包含數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理電路，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64個獨立LED,，同時還可以掃描管理多達64個按鍵,，采用SPI 串行總線與單片機接口。本系統(tǒng)頻率最大為14 GHz,，因此采用兩個ZLG7289并接實現(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通過三線和單片機相連,，參考頻率由高穩(wěn)溫補晶振提供。YTO輸出頻率通過四分頻電路HMC433進行四分頻后進入LMX2485的射頻輸入,。兩路信號通過內(nèi)部鑒相器鑒相,，充電泵輸出后,，再通過外部環(huán)路低通濾波器和運算放大器OP07去控制YTO小線圈驅(qū)動。
具體實現(xiàn)時,，由于工作頻率較高,，電路板需要四層以上。
4 軟件設計
本系統(tǒng)軟件主要接收信號源發(fā)生頻率的輸入,，經(jīng)單片機計算后配置LMX2485小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路和YTO主線圈驅(qū)動電壓的D/A控制,，然后經(jīng)過鎖相環(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，當采用四層電路板設計,，并且調(diào)整相關(guān)放大器輸入,、輸出匹配等問題后，效果更好,，如圖6(b)所示,。
本文介紹的微波信號源發(fā)生器，使用單片機控制低功率,、高性能的δ-∑小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)和相應的驅(qū)動電路來控制調(diào)諧振蕩器(YTO)的輸出,，用這種技術(shù)實現(xiàn)的信號源發(fā)生器可以帶來頻率準確度和穩(wěn)定度高、誤差小,、操作控制方便等優(yōu)點,，因此具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 余海濤.基于MAX038的智能固態(tài)掃頻式微波信號源的設計[J].半導體技術(shù),，2003(3):70-73.
[2] 孫悅,，尹成群，黃怡然.基于ML2035低頻正弦信號發(fā)生器的設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2008(21):106-108.
[3] LMX2485/LMX2485E 50MHz-3.0GHz High Performance Delta-Sigma Low Power Dual PLLatinumTM Frequency Synthesizers with 800 MHz Integer PLL,，[EB/OL]. [2006-2]. http://www.national.com/ds/LM/LMX2485.pdf.
[4] 周井泉，程景清．基于Σ-△調(diào)制的頻率合成器及性能．南京郵電學院學報,，1997(3):105-111.