0 引言
    頻率合成器是以一個(gè)高精確度和高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)參考頻率，通過(guò)加、減、乘、除四則運(yùn)算，獲得與石英晶體振蕩器同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。本文利用頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率倍頻，輸出L波段點(diǎn)頻源。
    利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制電路都可以構(gòu)成倍頻器。也可以由鎖相倍頻電路實(shí)現(xiàn)，該電路是一個(gè)閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)，它主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和累加計(jì)數(shù)器構(gòu)成，本設(shè)計(jì)采用這種方案。
    目前出現(xiàn)了眾多單片集成頻率合成芯片，如美國(guó)QualComm公司的Q3236等，這種帶有前置分頻器和多個(gè)計(jì)數(shù)器的芯片，給鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，為實(shí)現(xiàn)電路的小型化提供了可能。下面對(duì)總體方案設(shè)計(jì)，Q3236芯片的功能，電路和環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)逐一討論。

1 方案設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)采用對(duì)晶體振蕩器輸出的參考信號(hào)，直接鎖相倍頻獲得高頻信號(hào)，再將高頻信號(hào)放大到設(shè)計(jì)要求的方案。利用的是鎖相頻率合成技術(shù)，屬于間接頻率合成。整個(gè)倍頻源基本由鎖相倍頻電路、放大和濾波電路組成，最重要的是鎖相倍頻電路。
    鎖相倍頻電路利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成，鎖相環(huán)(PLL)是其中的重要組成部分，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)相位負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。基本由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成。鑒相器用于比較兩個(gè)輸入信號(hào)相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)相差的誤差電壓；環(huán)路濾波器具有低通作用，把鑒相器輸出的誤差電壓濾波，濾除高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；壓控振蕩器受誤差電壓控制，使得VCO的輸出頻率向參考頻率靠近，直到消除頻差而鎖定。倍頻源框圖如圖1所示。

    設(shè)計(jì)采用QualComm公司的高性能數(shù)字鎖相環(huán)芯片Q3236，其內(nèi)部集成有分頻器、鑒相器和計(jì)數(shù)器。鑒相器在7 MHz頻率上進(jìn)行鑒相，可以提高鑒相靈敏度、縮短跳頻時(shí)間。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 鎖相環(huán)的選擇與使用
    QualComm公司的Q3236是一種可在高達(dá)2 GHz頻段工作的分頻次數(shù)可編程的數(shù)字鎖相環(huán)芯片，在正常工作狀態(tài)下其功耗小于0．6 W，工作電壓為5 V。其鑒相頻率可達(dá)到100 MHz，本設(shè)計(jì)鑒相器工作在7 MHz，可應(yīng)用于此項(xiàng)設(shè)計(jì)中。
    Q3236主要電路性能為：
    (1)雙模前置分頻器(10分頻或11分頻)；
    (2)9位M和4位A吞脈沖計(jì)數(shù)器，6位R參考分頻器；
    (3)100 MHz數(shù)字鑒頻／鑒相器，鑒相靈敏度為320 mV／rad；
    (4)單電源+5 V供電，功耗小于0．6 W；
    (5)具有寬的輸入靈敏度范圍，從-10～+3．5 dBm。
    Q3236數(shù)字處理器接口有三種工作模式：直接并行輸入模式、串行總線模式和8位總線模式。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是輸出固定頻率的倍頻源，不用跳頻，于是采用直接并行輸入模式，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。設(shè)置‘HIGH’，Q3036='LOW'，6位R參考分頻器的R4，R5不用，9位M計(jì)數(shù)器的M7，M5不用，R分頻器和M計(jì)數(shù)器直接由外部輸入。
    Q3236可提供的程序分頻器分頻比：對(duì)直接并行模式，當(dāng)小于300 MHz時(shí)，為2～128；當(dāng)小于2 GHz，為90～1 295。對(duì)外接的晶振，可提供的參考分頻比為：直接并行模式1～16。
    Q3236有加前置分頻器和非預(yù)分頻兩種工作狀態(tài)。工作在非預(yù)分頻狀態(tài)時(shí)VCO輸出頻率最高可達(dá)300 MHz，在前置分頻器狀態(tài)時(shí)VCO輸出頻率最高可達(dá)2．0 GHz。因?yàn)轭l率源輸出1372 MHz，所以設(shè)計(jì)采用前置分頻器、直接并行輸入模式。參考分頻器分頻比編程只使用R0～R3位。  Fref／FPD=R+1；即35 MHz／7 MHz=5，對(duì)參考輸入信號(hào)35 MHz進(jìn)行5分頻，所以R=4。R0，R1=“Low”，R2=“High”，R3=“Low”。壓控振蕩器輸出的高頻信號(hào)1 372 MHz利用M和A計(jì)數(shù)器進(jìn)行N分頻，N=Fvco／FPD=10*(M+1)+A，A≤M+1，M≠0。

    Q3236具體電路圖如圖2所示。

2．2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
    鎖相倍頻源的核心部分是環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，因?yàn)榄h(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)直接決定了整個(gè)環(huán)路的傳輸函數(shù)。從而在很大程度上決定了環(huán)路的噪聲性能、穩(wěn)定性、捕獲和跟蹤性能等。Q3236需要外接環(huán)路濾波器和壓控振蕩器才能構(gòu)成一個(gè)完整的頻率綜合器。
    常用的環(huán)路濾波器是一個(gè)線性低通濾波器，它可以濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲。常用的有RC積分濾波器、無(wú)源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。由傳遞函數(shù)可知，有源比例積分濾波器具有兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)整的參數(shù)，并且具有滯后一超前特性，有利于環(huán)路穩(wěn)定，于是本設(shè)計(jì)利用低噪聲運(yùn)放OP27及R，C元件組成一階有源比例低通濾波器實(shí)現(xiàn)，主要參數(shù)是環(huán)路帶寬和相位裕量等。
    (1)環(huán)路帶寬
    環(huán)路帶寬(Fn)是指開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)幅度等于1時(shí)的頻率，是環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。如果鎖相環(huán)的抖動(dòng)主要由外部信號(hào)噪聲引起，那么環(huán)路帶寬應(yīng)該越窄越好，這樣可以抑制外部信號(hào)噪聲，尤其是參考信號(hào)中的噪聲；如果需要有效抑制壓控振蕩器的噪聲，并且獲得良好的跟蹤和捕獲性能，環(huán)路帶寬應(yīng)越寬越好。需要折中考慮，環(huán)路帶寬一般取跳頻間隔的1／60，鑒相器跳頻間隔7 MHz，所以Fn=100 kHz，硬件調(diào)試時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整。
    (2)相位裕量
    相位裕量(φc)是指在開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)幅度等于1時(shí)的相位相加180°的和。它與系統(tǒng)穩(wěn)定性有關(guān)，相位裕量選擇越低，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，相位裕量選擇越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但系統(tǒng)的阻尼振蕩越小，即以增加鎖定時(shí)間為代價(jià)。要考慮適合的相位裕量，一般是40～55°之間，最優(yōu)選相位裕量φc=45°。
    為了將環(huán)路性能調(diào)到最佳，R1／2和電阻R2可選用相應(yīng)阻值的電位器。環(huán)路濾波器電路圖如圖3所示。采用頻率補(bǔ)償技術(shù)，在放大器外部增加一個(gè)補(bǔ)償極點(diǎn)，由R1，Cc組成低通實(shí)現(xiàn)，在保證一定增益裕度或相位裕度的前提下獲得較大的環(huán)路增益。電阻R1分開(kāi)成兩個(gè)R1／2，避免相位檢測(cè)出現(xiàn)電壓偏差。

2．3 環(huán)路濾波器參數(shù)計(jì)算
    鎖相環(huán)的系統(tǒng)性能歸結(jié)起來(lái)可以用三個(gè)重要參數(shù)：環(huán)路增益K、阻尼系數(shù)ζ及固有振蕩角頻率ωn來(lái)表征，這些參數(shù)按應(yīng)用的要求而定，并決定著系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)。
    (1)環(huán)路增益K
    它決定著系統(tǒng)的捕捉帶、穩(wěn)態(tài)誤差和開(kāi)環(huán)寄生相移。從噪聲抑制來(lái)講，希望大的Kφ(鑒相器增益)和小的Kv(VCO壓控靈敏度)，因?yàn)閂CO的控制輸入端是系統(tǒng)對(duì)噪聲最敏感之處。
   
    (2)阻尼系數(shù)ζ
    阻尼系數(shù)越大，系統(tǒng)的超調(diào)量和過(guò)渡振蕩常數(shù)越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定。但當(dāng)系統(tǒng)工作在過(guò)阻尼狀態(tài)時(shí)，ζ的增大將增加過(guò)渡時(shí)間，降低系統(tǒng)的跟蹤速度，一般選取0．5<ζ<1。ζ=ωnT2／2，ζ取最優(yōu)值0．85，時(shí)間常數(shù)T2=R2C。
    (3)ωn選取
    ωn決定著系統(tǒng)的環(huán)路帶寬Fn、噪聲帶寬BL、捕捉帶和捕捉時(shí)間，ωn越大則Fn，BL越大，則系統(tǒng)的捕捉時(shí)間和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間變短，即系統(tǒng)反應(yīng)迅速，但系統(tǒng)抑制噪聲的能力下降。固有振蕩角頻率為：
   
    Cc的引入主要是為濾除鑒相器產(chǎn)生的諧波，避免鑒相器出現(xiàn)電壓偏差。其引入的極點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離主極點(diǎn)，一個(gè)原則是Fc>10Fn，其中Fc=1／2πTc，Tc=R1Cc／4，是R1／2，Cc低通濾波器引入的極點(diǎn)。
    即ωc=4／R1Cc>10ωn，于是Cc<4／(10ωnR1)。
    如果C=4 700 pF，可以計(jì)算出R1，R2，Cc：
    R1=KvKφ／(*****NC)=306 Ω，其中，N=196是鎖相環(huán)分頻次數(shù)；
   

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    按照以上設(shè)計(jì)研制出了功能樣機(jī)，用頻譜分析儀測(cè)試輸出信號(hào)頻率特性，雜散抑制如圖4所示，輸出頻譜如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文利用集成鎖相頻率合成芯片Q3236實(shí)現(xiàn)的L波段頻率源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、相位噪聲低等特點(diǎn)。為了得到低噪聲、高穩(wěn)定度的頻率，應(yīng)選擇具有高穩(wěn)定度、低相位噪聲的參考源，鑒相器、壓控振蕩器都必須選擇低噪聲器件。隨著頻率綜合技術(shù)、集成電路技術(shù)以及工藝的不斷發(fā)展，單片集成頻率綜合器也正在向更大規(guī)模、更高速度的方向發(fā)展。