【正文】 合成一個或少量的高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率,頻率合成器就是用來產(chǎn)生這些頻率的部件.1．頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間范圍變化,也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示。兩個相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。他取決于所采用頻率合成的方法4．準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值,即頻率誤差。它包括三個基本部件，鑒相器（PD） 環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）參考信號PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸出信號 鎖相環(huán)的基本構(gòu)成設(shè)參考信號 (1)式中 Ur為參考信號的幅度 ωr為參考信號的載波角頻率 θr(t)為參考信號以其載波相位ωrt為參考時的瞬時相位 若參考信號是未調(diào)載波時，則θr(t)= θ1=常數(shù)。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。即 (5) 此時，輸出信號的頻率已偏離了原來的自由頻率ω0[控制電壓uc(t)=0時的頻率]，其偏移量由式（4）和式（5）得到為 這時輸出信號的工作頻率已變?yōu)? (6)由此可見，通過鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相差。 鑒相器按其鑒相特性分為正弦型，三角形和鋸齒波形。θe (t)= θ1 (t) θ2 (t)為相乘器輸入電壓的瞬時相位差。它是一個線性系統(tǒng)。當(dāng)運放器開環(huán)電壓增益A為有限值時，它的傳遞函數(shù)為 (11)式中由圖5可見，它也具有低通特性與比例作用。上式就是壓控振蕩器相位控制的模型，在復(fù)頻域的表示式為 （15） VCO 的傳遞函數(shù)為 (16)下圖為VCO模型。這樣根據(jù)上圖得到鎖相環(huán)路的基本方程。鑒相器擁有三角波和鋸齒波鑒相特性，,當(dāng)|θe|≤π/6時,能夠利用斜率為Kd的直線代替原點附近的特性曲線。 Kdθ1(t)θe(t)θ2(t)Kdθe(t)KdF(p)θ1 (t)θe(t)θ2(t) 線性化鑒相器的模型圖2. 10 鎖相環(huán)的線性相位模型(時域)本章首先給出直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的基本工作原理及其應(yīng)用特性，然后采用數(shù)學(xué)方法分析了DDS的輸出頻譜特性，重點分析其雜散頻譜的分布規(guī)律，給DDS的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的零拍測量法已經(jīng)出現(xiàn)很大危機，尤其是怎樣降低測量系統(tǒng)本身的噪聲對測量結(jié)果的影響，提高系統(tǒng)的測量靈敏度也變得很有難度。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。 　　相位調(diào)制的方法：PSK，DPSK，：放大器噪聲和非線性克爾效應(yīng)，也即自相位調(diào)制（SPM）和交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻，但一般在分析的時候只考慮到SPM引起的相移效應(yīng)。 　　在現(xiàn)代接收機中，各種高性能，例如大動態(tài)、高選擇性、寬頻帶捷變等都受相位噪聲限制。如果本振相噪差，即使中頻濾波器能夠濾除強干擾中頻信號，強干擾中頻信號的噪聲邊帶仍然淹沒了有用信號，使接收機無法接收到弱小信號，尤其對大動態(tài)、高選擇性的接收機，這種現(xiàn)象很明顯。抖動是一個時域概念，抖動是對信號時域變化的測量結(jié)果，它從本質(zhì)上描述了信號周期距離其理想值偏離了多少。造成確定性抖動的來源主要有4種：：當(dāng)一根導(dǎo)線的自感增大后，會將其相鄰信號線周圍的感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流會使電壓增大或減小，從而造成抖動。4. 多個門電路同時轉(zhuǎn)換為同一種邏輯狀態(tài)：這種情況可能導(dǎo)致電源層和地層上感應(yīng)到尖峰電流，從而可能使閾值電壓發(fā)生變化。相位噪聲是頻率域的概念相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式，其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。由于這種信號收發(fā)系統(tǒng)對共模噪聲本來就有高度抑制能力，因此差分形式本來就有消除抖動的趨向。在芯片級上，可以使用以下設(shè)計技術(shù)將抖動降至最低：1．差分信號收發(fā)：即使進入芯片的是單端信號，最好也在芯片中將其轉(zhuǎn)換為差分信號，原因同上節(jié)所述。3．恰當(dāng)選擇緩沖器大?。喝绻镁彌_器在模塊間分配信號，那么必須注意驅(qū)動強度的選擇。為了降低地線反彈噪聲，芯片上應(yīng)該有盡可能多的電源對，而且這些電源對應(yīng)盡可能靠近數(shù)字輸出。在設(shè)計單元模塊時可以采用以下技術(shù)來減小抖動：1．利用尾電流時序電路中使用的電流與相位噪聲之間有一個直接的關(guān)系。該方法會使應(yīng)匹配的元件具有同樣的處理斜率(process gradients)，因而有助于改善元件之間的匹配程度。高速數(shù)字設(shè)計師在設(shè)計過程的每一步都應(yīng)考慮相位噪聲和抖動的影響。濾波技術(shù)在實際的實現(xiàn)上有很多選擇，可以采用一個大電容實現(xiàn)，也可以使用LC的諧振濾波。有種折中的辦法，可以用一個小電阻代替尾電流源，或者用一個工作在深度線性區(qū)的MOS管代替小電阻這樣可以降低系統(tǒng)的功耗。從原來的平均電流17mA減小到11mA左右。同樣一個去除尾電流源的結(jié)構(gòu)，這時電流很大，但是相位噪聲很小，振幅到達了電源和地，如果增加一個電阻這個電阻的阻值由0逐漸增大，那么電流逐漸減小。 為了減小K可以使用電容變化比較小的變?nèi)莨?，也可以通過串聯(lián)加上濾波的方法來實現(xiàn)，這種方法的實現(xiàn)將在下一章的電路設(shè)計詳細介紹。低相噪對提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用相位噪聲是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源(高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等)頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標(biāo)，隨著頻標(biāo)源性能的不斷改善，相應(yīng)噪聲量值也大幅度降低，所以對相位噪聲譜的測量要求也越來越高。2 PLL模塊，這一部分利用壓控振蕩器VCO和鑒相芯片等儀器實現(xiàn)頻率合成器在C波段的輸出。鎖相環(huán)(PLL)的輸出頻率比較高，并且有相當(dāng)好的雜散抑制性能，可滿足設(shè)計的輸出要求。此方案中PLL相當(dāng)于性能優(yōu)良的倍頻器，DDS的輸出作為PLL的鑒相器參考信號。DDS的輸出與PLL的反饋支路混頻，混頻后的信號再送入鑒相器。 第三種是直接將DDS與PLL混頻，這有效的克服了前兩種方法的缺點，既不會惡化DDS輸出的雜散和相噪，也不會增加PLL設(shè)計的難度。所以AD4106滿足本體對相位噪聲要求。下面分別敘述各個功能模塊及其中所用到的器件、電路結(jié)構(gòu)以及在系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試過程中應(yīng)該注意的問題。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。查找表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC以輸出模擬量。AD9850內(nèi)部的5個8位寄存器構(gòu)成一個40位的數(shù)據(jù)寄存器儲存來自外部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)和控制字，其中32位為頻率控制字，5位相位調(diào)制字，l位是電源休眠功能控制，另2位儲存工廠保留碼。在FQ_UD的上升洽，40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器打入數(shù)據(jù)寄存器，同時將地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。在電路運行過程中，長隊電路進行復(fù)位，為了避免對硬件經(jīng)常加電或斷電造成的傷害，及本課題要求的實際情況我們采用手動復(fù)位。 DDS的工作方式和初始化 AD9850既可以以并行方式工作，也可以以串行方式工作。另外，為了能工作在串行模式下，在DDS的初始化程序中必須調(diào)整W CLK和FQJJD的時序，具體可以參照AIA850參考資料的串行使能時序圖。 W3=0011,0111。開機，AT89C2051復(fù)位，將復(fù)位信號途給AD9850模塊，AD9850控制寄存器中原來的數(shù)據(jù)被清空。在加載數(shù)據(jù)前，首先將Q_UD置為低電平，然后按從低字節(jié)到高字節(jié)的順序把連續(xù)的8_bit的數(shù)據(jù)(例如W0)載入AD9850，途數(shù)過程同并行方式相比有點區(qū)別每途完1bit數(shù)據(jù)后需要一個W_CLK脈沖把數(shù)據(jù)寫入AD9850，完成40_ bit的途數(shù)之后，一個FQ_UD的上升沿到來后，DDS的頻率將按照送入的頻率控制字K進行更新，完成一次對頻率控制字K的置數(shù)后在控制端將FQ_UD的重新置為低電平，重復(fù)上述過程，就又完成了一次對頻率控制字K的置數(shù)。那些離通帶稍微遠的雜散分量容易通過濾波器進行衰減，講他們的幅度控制在一定范圍以滿足字表要求，為此采用陡度系數(shù)比價好的橢圓函數(shù)帶通濾波器來代替低通濾波器。(2)電荷泵可在較大范圍內(nèi)調(diào)整電壓（3）可編程的雙模分頻器P/P+1的值分別8/9,32/33,16/17,64/65（4）14Wt的R分頻計數(shù)器，24bit的如數(shù)寄存器和可編程電荷泵電流設(shè)置（5）3端口串行接口（6）歸一化為1Hz的噪聲基底為219dBc/Hz。主要性能為；輸出頻率范圍；44204620MHZ。相位噪聲90dBc/HZ10KHZ。設(shè)計環(huán)路濾波器首先要考慮環(huán)路帶寬，相位余量，一般在3060度，一般取45度，帶寬的取值對輸出各個結(jié)果影響很大，所以設(shè)計時應(yīng)該盡量小，但是太小會導(dǎo)致信號遠端相位噪聲變差，所以環(huán)路帶寬選擇在100KHZ范圍效果好。, 1μF和10μF的電容能在寬頻率范圍內(nèi)濾出噪聲。 R分頻器和N分頻器的設(shè)置本課題中我希望進入鑒相芯片的參考信號頻率盡量高，以使PLL倍頻次數(shù)降低從而改善相位噪聲性能，ADF4106的N分頻器采用雙模分頻技術(shù)，提供可四種預(yù)分頻比P/P+1，可以在不降低頻率分辨率條件下使工作頻率擴展P倍，N和P滿足N=A(P+1)+(BA)P=BP+A的關(guān)系，成立條件是B，P/P+1為16/17，B為12，A為8。根據(jù)資料ADF4106對RF信號的輸入功率要求最小為10dbm，而UMZ3WA16輸出功率在0dbm左右，用一個兩路等功率功分器進行功率分配，VCO輸出信號進入鑒相器的能量大概為3dbm，滿足最小鑒相功率要求，同時可以保證進入后級放大倍數(shù)倍頻模塊的信號功率不至于太低。 HMC313管腳圖 C波段濾波器和X波段濾波器的設(shè)計 。C波段濾波器和X波段濾波器的設(shè)計采用了契比雪夫低通原型。X波段帶通濾波器的設(shè)計采用了嚴格的對稱平行耦合結(jié)構(gòu)X波段濾波器的指標(biāo)：中心頻率F。需要注意的是，HMC313的底部應(yīng)該鋪貼在大面積金屬地上，這樣有利于放大器散熱。安放和取出單片機不能過于用力，以防折斷管腳然后檢查單片機的外圍電路，主要檢查時鐘電路和復(fù)位電路中各電子元件是否連接正確，例如復(fù)位電路中22uF的電解電容極性搞錯或沒焊牢都無法使單片機復(fù)位。加電后檢查各電源輸入管腳電壓是否正常。最后確定供電電壓為+5V，此時DDS輸出的信號被放大到ldBm左右，雜散和相位噪聲性能達到了較好的水平。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，+，因此運算放大器LM358的電源電壓可用+15V。改進電源供電方案，為DDS后級放大器和C波段放大器分別提供一個穩(wěn)壓塊，同時加強電路各部分去耦，再對電路進行測試，沒有出現(xiàn)上述。先確定LM358的增益，R3和R4分別取l ，R1用2K的電位器取代電阻，調(diào)節(jié)電位器的阻值可以觀察到輸出頻譜從失鎖到鎖定的變化過程，反復(fù)調(diào)節(jié)電位器和更換不同的C2電容值。放大倍頻模塊既有有源器件又有無源器件，單個器件的測試很難實現(xiàn)，需要聯(lián)合調(diào)試C波段和X波段濾波器這類無源器件一旦加工后就很難調(diào)整遇到問題時一般只有重新設(shè)計加工，所以系統(tǒng)的性能主要通過調(diào)整放大器的性能來改善。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的目的是使各部分模塊之間匹配良好，檢測系統(tǒng)指標(biāo)是否滿足要求。本頻率合成器包括DDS和單片機控制模塊,PLL模塊和放大倍頻模塊三個模塊。由圖可見，DDS＋PLL輸出的相位噪聲達到指標(biāo)所給的85dBc/Hz, DDS輸出雜散也得到很好的抑制，由于本實驗受頻率合成芯片中鑒相器噪聲基底和分頻器分頻次數(shù)不連續(xù)的影響使得最終輸出的相位噪聲受鑒相器限制，故在實際應(yīng)用中采用鑒相器噪聲基底更低和分頻次數(shù)連續(xù)的鑒相器相位噪聲和雜散還可以得到一定程度的改善。通過設(shè)計仿真和電路調(diào)試，用“DDS+PLL+倍頻”的方案實現(xiàn)了在x波段的頻率合成，最后得到的頻率合成器基本達到了設(shè)計指標(biāo)。放大倍頻模塊中濾波器和有源器件安放在同一個腔體內(nèi)無法單獨測試兩個濾波器，應(yīng)該分別加工出C波段和X波段濾波器和兩濾波器的腔體，對兩個濾波器進行單獨測試。另外，單片機對DDS串行加載的程序設(shè)計也有別于并行加載情況，本文圍繞這個問題做了不少有益的工作。從論文的選題，理論研究到論文的修改都給予了我極大地幫助。感謝我的同學(xué)和朋友，大家的互相幫助，耐心的探討，使我輕松解決了