摘要：結(jié)合美國(guó)ADI公司推出低功耗寬帶集成鎖相環(huán)芯片ADF4110的性能特點(diǎn)以及鎖相環(huán)頻率合成器的原理，給出了用ADF4110鎖相環(huán)芯片設(shè)計(jì)頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件電路，并給出了頻域和時(shí)域的測(cè)試結(jié)果，表明電路可以進(jìn)行精確實(shí)時(shí)功率控制和本振頻率控制，可以滿足不同頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)的要求。
關(guān)鍵詞：頻率跟蹤；鎖相環(huán)；相位噪聲；分頻器

O 引言
    利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加、減、乘、除。其優(yōu)點(diǎn)是由于鎖相環(huán)路相當(dāng)于一窄帶跟蹤濾波器，因此能很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制雜散分量，且避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。此外，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的壓控振蕩器具有高的短期頻率穩(wěn)定性，而標(biāo)準(zhǔn)頻率源具有高的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，鎖相式頻率合成器把這二者結(jié)合在一起，使其合成信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都很高。但鎖相式頻率合成器的缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不可能做得很小。

1 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)
    鎖相環(huán)一般為一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)，它比較輸入信號(hào)和振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制信號(hào)來(lái)調(diào)整振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻同相，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    鑒相器是用于判斷鎖相器所輸出的時(shí)鐘信號(hào)和接收信號(hào)中的時(shí)鐘相差幅度。環(huán)路濾波器是用于對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑，大多數(shù)情形下是一個(gè)低通濾波器，用于濾除由于數(shù)據(jù)的變化和其他不穩(wěn)定因素對(duì)整個(gè)模塊的影響。壓控振蕩器的輸出頻率正比于環(huán)路濾波器上的控制電壓，最終使參考時(shí)鐘與分頻器的輸出信號(hào)同頻同相，即壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率為參考時(shí)鐘頻率的N倍?？烧{(diào)相／調(diào)頻的時(shí)鐘發(fā)生器是用于根據(jù)鑒相器所輸出的信號(hào)來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)鎖相器，內(nèi)部的時(shí)鐘輸出信號(hào)的頻率或者相位，使得鎖相器完成上述的固定相差功能。
    鎖相環(huán)有很多種類，可以是數(shù)字的也可以是模擬的也可以是混合的，可以用于恢復(fù)載波也可以用于恢復(fù)基帶信號(hào)時(shí)鐘。從整體上來(lái)說(shuō)，輸入與輸出信號(hào)頻率差不斷減小，直到差值為零，進(jìn)入鎖定狀態(tài)，相差等于一個(gè)極小的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

2 ADF4110芯片介紹
    ADF4110是分頻為N的在無(wú)線接收器和發(fā)射機(jī)的上變頻和下變頻部分的一臺(tái)小數(shù)N分頻PLL頻率合成器，它包括一臺(tái)低噪聲數(shù)字式階段頻率探測(cè)器(PFD)，精確度極高的充電泵，并且有可編程序的參考分頻器，一致的RF輸出相位，工作電源2．7V到3．3V，串行接口，模擬式和數(shù)字式鎖，電源下降沿工作方式，擁有環(huán)路濾波器。廣泛應(yīng)用于CATV設(shè)備，基礎(chǔ)配置的無(wú)線收音機(jī)，無(wú)線手機(jī)，無(wú)線LANs和PMR，通信測(cè)試設(shè)備。ADF4110采用16腳下TSSOP封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    CPGND充電泵地，此引腳是充電泵的接地回路。AVDD模擬電源電壓，范圍是3．0V～3．6V。對(duì)地的去耦電容應(yīng)盡可能地靠近該引腳，AVDD必須與DVDD的值相同。AGND模擬信號(hào)地，此引腳是前置分頻器和VCO的接地回路。RFINB，前置分頻的互相輸入，此引腳必須連接一個(gè)小旁路電容到地，用于去耦，典型值是l00PF。RFINA，前置分頻器輸入。該小信號(hào)輸入是被交流耦合到VCO。RSET在此引腳和CPGND之間連接一個(gè)電阻，設(shè)置充電泵ICP最大輸出電流。ICP和RSET的關(guān)系式為ICPmax=25．5／RSET，設(shè)置RSET=4．7KΩ,則ICPmax=5．42mA。DGND，數(shù)字地。REFIN，基準(zhǔn)輸入，此引腳是CMOS輸入，輸入能被TLL和CMOS晶體振蕩器所驅(qū)動(dòng)并能采用交流耦合。CLK串行時(shí)鐘輸入。

3 硬件系統(tǒng)電路
    ADF4110內(nèi)部的N分頻器(包括P分頻器、B分頻器和A分頻器三個(gè)部分)的分頻比應(yīng)為15000，即N=PB+A=15000?？蛇x取P=64，B=237，A=32。
    工作過(guò)程分為頻率牽引過(guò)程和相位鎖定過(guò)程，頻率牽引過(guò)程是一個(gè)完全的非線性過(guò)程，相位鎖定過(guò)程是一個(gè)近似的線性過(guò)程。電荷泵鎖相環(huán)本質(zhì)上是一個(gè)離散時(shí)間采樣的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考時(shí)鐘頻率時(shí)，可以采用連續(xù)時(shí)間近似；當(dāng)相位誤差在鑒頻鑒相器的鑒相范圍內(nèi)時(shí)，可以采用線性近似，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，這樣，當(dāng)電荷泵鎖相環(huán)處于相位鎖定過(guò)程時(shí)，就可以得到一個(gè)線性連續(xù)時(shí)間的相位域模型。晶振輸入的參考時(shí)鐘頻率為10MHz，壓控振蕩器的輸出增益為，電荷泵電流為100mA，分頻器的分頻比N=16。根據(jù)電路參數(shù)，電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路增益相對(duì)較高，為了保證電荷泵鎖相環(huán)的穩(wěn)定性，并抑制控制電壓上的紋波，所以將此時(shí)鐘倍頻器中的三階電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)成窄帶鎖相環(huán)，其開(kāi)環(huán)單位增益帶寬為fu=O．317MHz。同時(shí)，為了有相當(dāng)?shù)拈_(kāi)環(huán)相位裕度和較快的閉環(huán)線性建立時(shí)間，取開(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)在單位增益帶寬的相位裕度。最后得到C1=18．4nF，C2=88．9nF，C3=lO．0nF和R1=1．73kΩ，R2=160kΩ。

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果
    為了對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析其特性，本文在通用的仿真軟件ADI SimPLL進(jìn)行仿真。該軟件本身提供有多種類型的環(huán)路濾波器，用戶可根據(jù)需要選擇濾波器，并輸入所選定的VCO特性參數(shù)，這樣，軟件可自動(dòng)計(jì)算出環(huán)路的各個(gè)參數(shù)以及相位噪聲、鎖定時(shí)間等。頻域分析包括相位和環(huán)路增益，分別為圖4和圖5，消除了目前頻率采用晶振取基準(zhǔn)信號(hào)帶來(lái)的各種不良影響；改進(jìn)其輸出頻率的抖動(dòng)特性；同時(shí)不存在直流放大器的零漂問(wèn)題；不影響整體電路的性能，相位噪聲平均≤一85dbc／Hz；諧波、雜散分布平均優(yōu)于一65dbc。時(shí)域分析分析包括頻率和鎖定時(shí)間，分別為圖6和圖7。我們從圖6和圖7可以看出頻率在114MHz是在鎖定的，此時(shí)輸出電壓最小，解決了所定時(shí)間與相位抖動(dòng)之間的矛盾，對(duì)信息的傳輸質(zhì)量都有很大的提高。