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。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-Σ小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)電路LMX2485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-Σ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-Σ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 。δ -Σ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。

圖1 小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)原理框圖

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。

圖2 8~14 GHz 微波信號源發(fā)生器原理圖

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。

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。

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。

圖4 鎖相環(huán)部分電路

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。

圖5 信號源發(fā)生器軟件框圖

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)整相關放大器輸入、輸出匹配等問題后， 效果更好， 如圖6（b） 所示。

結(jié)束語

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-Σ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。