- 基于ADF4111的数字锁相式可调频率源实现

3．1．2 环路滤波器设计

    环路滤波器的设计要求比较严格，其优劣直接影响锁相环的稳定性，可以利用AD公司提供的专用软件ADI simPLL 3．0进行了滤波器的设计，仿真软件提供了ADF系列频率合成器的集成环境，它包含了ADI频率合成器模型，VCO和TCXO的模型。可以选择相应的参数来设计所需要的环路滤波器。它同时给出参考相位噪声，输出杂散及锁定的过程。

    环路滤波器的带宽越宽，锁定时间越短，但杂散噪声增加。环路滤波器的带宽越窄，杂散噪声减小，但锁定时间增长。因此环路滤波器的带宽选择需在这两者之间折中。设计中带宽选为鉴相器参考频率的1／10即能兼顾这两个因素。环路滤波器还需考虑的一个因素是相位余量，相位余量太小会导致系统不稳定，相位余量太大会使整个系统变慢，40°～55°是比较理想的选择，在这个范围内，一定的杂散度下，能使锁定时间达到最小。设计中设定滤波带宽为100 kHz，相位余量45°，用ADI SimPLL 3．O仿真软件可以得到环路滤波器的设计和仿真结果，电阻值和电容值根据最终的调试做了相应调整。设计的电路如图4所示。

3．2 衰减器设计

    为确保最终的本振输出功率符合指标要求，进行衰减和放大电路部分的设计。该设计中衰减器采用了π型电阻网络，该电阻网络既要满足功率分配要求。又要满足阻抗匹配要求，在衰减器的输入和输出阻抗均为50 Ω时，利用CASCADE(Comptlter Aided ScientificAmplitier Design Element)软件设计的4 dB衰减器如图5所示。

 

4 数字锁相式频率源硬件和软件调试

    在完成频率源的软硬件设计之后。需要进行系统调试。调试包括硬件调试和软件调试两部分。

4．1 系统硬件调试

    在完成系统硬件电路设计和PCB制作后，需要利用万用表、示波器、频谱仪等工具对系统进行调试，来验证设计是否达到系统设计的要求，有无电路方面错误等。硬件调试主要包括数字锁相环调试，上电前检测、上电后检测和模块各组成部分工作状态调试等。

    在设计中，通过USB-Blaster下载电缆采用JTAG配置方式将数据下载到FPGA。下载配置是验证系统中其他电路部分的第一步，方法是通过QutartusⅡ软件设计一些简单的逻辑电路，然后下载到FPGA中，通过示波器等工具检测输出的波形是否正确。

4．2 系统软件调试

    该设计中，在FPGA内用AHDL硬件编程语言实现了软件设计部分，主要分为两部分：一是对ADF4111寄存器的配置；二是实现按键对锁相频率升高和降低的要求。该设计中，利用数字示波器的触发采样功能来捕获FPGA配置ADF4111寄存器的各个管脚的时序逻辑。

    ADF4111需要配置的寄存器为3个24 b的寄存器，在Altera公司的QuartusⅡ平台上用AHDL进行编程配置的仿真时序如图6所示。其中，R=40，A=6，B=8，P=8。

    ADF4111有一个复用输出管脚(muxout)，通过该管脚可以查看寄存器配置是否正确。设计中设置该引脚输出为PLl锁定指示，并连接到发光二极管。配置完后，若指示灯亮，则说明配置正确，PLL锁定在输入时钟上。调试中配置完ADF4111后，PLL成功锁定设置的频率上。

    在整个设计和调试完成之后，用频谱仪对数字锁相式频率源输出频率进行了测试，图7为70 MHz输出时的频谱图，可以看出，频率源输出稳定。需要注意的是，截图显示的本振输出功率为-23．77 dBm，这是由于对本振输出进行测量时采用的探头有损耗，经测量约有33 dB的损耗，故本振输出的实际功率为9 dBm，达到系统设计要求。

5 结语

    本文采用FPGA与频率综合器ADF4111相结合的方法进行了数字锁相式频率源的设计，在FPGA内用AHDL硬件描述语言编写频率综合器需要的频率控制字程序，产生范围为70～90 MHz的高精度频率，频率的步进采用按键控制的方法，步进的间隔为1 MHz，并通过数码显示管将锁定后的频率值显示出来。完成了PCB板制作，进行了硬件和软件调试。通过ADF4111的复用输出管脚(Muxout)看到PLL成功锁定设置的频率上，并用频谱仪测量了产生的频率，输出频率稳定，精度高，功率符合设计指标要求。实现了PLL输出频率的步进，间隔为1 MHz。并在数码管上将锁定后的频率值显示出来。

    在该系统中，由于ADF4111的控制字寄存器的控制字是通过FPGA写入的。所以可以通过软件设计的方法，改变写入的控制字来实现不同频率的本振信号输出，使锁相环具有低相位噪声，低杂散度。快速锁定的特点，电路简单，易于调试。采用这种方法能可根据实际工程需要改变输出信号的频率。步进间隔以及功率，使该类型电路设计能广泛应用于无线通信设备中，为设备的中频和射频电路提供高质量的本振。