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标题: 基于单片机和LMX2485 的微波信号源发生器的设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 17:00
标题: 基于单片机和LMX2485 的微波信号源发生器的设计

???? 摘要：介绍了一种用单片机控制的智能微波信号源发生器，以美国国家半导体公司的低功率、高性能的δ-Σ小数分频数字锁相环电路LMX2485 和YTO 为核心构成。微波信号源的工作频率范围为8"14 GHz，频率分辨率为40 Hz。分析了设计方案及实现过程中的关键技术，给出了部分实验结果。
　　随着微波应用的发展，微波信号源在通信或仪器中得到了广泛的应用。信号源的合成技术按合成方法可分为直接合成和间接合成两种，按形式可分为直接式频率合成、锁相式频率合成和直接数字式频率合成。直接式频率合成的特点是频率转换时间短、输出相位噪声小、工作频率高，并能产生任意小的频率间隔；缺点是采用了大量倍频、分频、混频和选频滤波器，不仅体积重量大、成本高，而且输出纹波、噪声和寄生频率均难以抑制。锁相式频率合成主要采用数字锁相法，其主要优点是锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制输入信号的寄生干扰的能力，避免了大量使用滤波器，有利于集成化和小型化。直接数字式频率合成的优点是分辨率高、容易做到极低的频率、控制灵活等，但它面临输出频率上限难以提高和寄生输出难以抑制两个难题。因此，对于微波、毫米波信号源的合成应主要采用数字锁相方式，并基于大规模专用集成芯片来设计。本文提出一种用单片机控制的智能微波信号源发生器，以美国国家半导体公司的低功耗、高性能的δ-Σ小数分频数字锁相环电路LMX2485和YTO为核心，并通过单片机C8051F120 控制。应用该电路产生4"7 GHz 的频率源，再通过倍频器实现8"14 GHz 应用所需的信号。应用这种方法实现的微波信号源发生器成本低、体积小、性能好，具有很高的实用价值。
　　1 LMX2485 功能介绍
　　LMX2485 是美国国家半导体公司的一款低功率、高性能的δ-Σ小数分频数字锁相环电路，其频率范围可达50 MHz"3 GHz 。采用全新δ-Σ结构，可以将其低频段的杂散和相位噪声推移到更高频段，从而使得电路所需频段的杂散和噪声更小。δ -Σ调制器可供四级选用，可以兼顾应用的不同需要，如对相位噪音、假信号抑制能力以及锁定时间的要求，确保系统可以充分发挥其性能。开发时只需加设极少低成本的外置元件，有助于缩短设计时间，减低系统成本。其工作原理如图1 所示，输出频率f0经小数分频(÷N.F) 后得到参考频率f1，鉴相器通过比较f1和参考频率的相位，控制输出鉴相电流或电压，通过低通滤波后控制压控振荡器改变输出频率，最终达到两者相位相同即锁定，由此得到f0/N.F=f1=fref，即输出频率，如式(1) 所示。通过单片机控制N.F，就可以得到用户需要使用的频率。

图1 小数分频数字锁相环原理框图
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　　2 系统方案设计
　　系统设计要求信号源产生8"14 GHz 的微波源，频率分辨率为100 Hz 。采用LMX2485 小数分频数字锁相环，外置调谐振荡器采用YTO(YIG 调谐振荡器)，YTO 具有很宽的频率调谐范围、良好的调谐线性、低相噪、温度特性好、失谐隔离高、调谐速度快，因此得到广泛运用。
　　系统总体方案如图2 所示。其中LMX2485 PLL 的设置及YTO 的电压偏置控制由单片机进行，ADC7545 用于控制YTO 的预调电压即主线圈电压，环路滤波器输出控制YTO 的副线圈电压。

图2 8"14 GHz 微波信号源发生器原理图
　　2.1 分频器设计
　　LMX2485 内部设有22 位的分数模数寄存器，程序分频寄存器有：RF_N(10:0) 表示N.F 的整数部分，RF_FN(21:0) 表示N.F 小数部分的分子，RF_FD(21:0) 表示N.F小数部分的分母，RF_R(5:0) 为参考分频器。对于本例信号源发生器，要求输出频率为8"14 GHz ，频率分辨率为100 Hz 。采用4"7 GHz YTO，在输出级加上2 倍频电路，环路中加入HMC433 四分频电路。系统采用高精度温补10 MHz 晶振，片内使用倍频控制，RF_R 固定为1，RF_FD固定为4 000 000，则按照式(1) ，本信号源输出频率为式(2) ，公式中乘以8 是由于环路中增加了四分频电路和最终输出端增加了倍频器。当RF_N=50 ，RF_FN=0 时，锁相环频率为1 GHz ，系统输出频率为8 GHz 。当RF_N=87 ，RF_FN=2 000 000 时，锁相环频率为1 750 MHz ，系统输出频率为14 GHz 。本方案的系统分辨率为20 MHz /4 000 000×8=40 Hz ，满足应用要求。RF_N 的选择范围为50"87 ，RF_FN 的选择范围为0"3 999 999 。单片机配置LMX2485 采用IO 控制，其配置时序如图3 所示。

　　2.2 数字鉴相器
　　鉴相器集成在LMX2485 芯片内部，采用小数分频，最大鉴相频率限于50 MHz ，实际使用20 MHz 。设计鉴相频率需要折中考虑，如果鉴相频率太高，虽然相位噪声可以降低，但锁定时间会延长很大，同时频率分辨率性能降低。鉴相器电路后是充电泵，其输出为高阻电流，经过外置滤波电路输出频率控制信号，再经过YTO 驱动电路驱动YTO 产生所需频率。芯片内有一数字锁定检测电路和检测算法，当检测到环路锁定时，输出锁定指示为1。
　　2.3 YTO 及驱动
　　YTO 由于具有比VCO更好的性能因此在微波仪器中得到广泛的应用。YTO 内部具有主副线圈，相应地外部需要主线圈驱动电路和副线圈驱动电路，主线圈引起频率的大范围变化，副线圈带动频率的微小变化，从而获得更好的性能。主线圈驱动电路的控制电压由单片机按式( 3 ) 计算出相应的电压，再通过DAC7545 进行设置，式中k 、f0是常量，由YTO 特性确定。

图4 锁相环部分电路
　　具体实现时，由于工作频率较高，电路板需要四层以上。
　　4 软件设计
　　本系统软件主要接收信号源发生频率的输入，经单片机计算后配置LMX2485 小数分频数字锁相环电路和YTO 主线圈驱动电压的D/A 控制，然后经过锁相环电路的跟踪锁定，使得YTO 输出需要的频率。其软件框图如图5 所示。

图5 信号源发生器软件框图
　　系统输出频谱如图6(a) 所示，当采用四层电路板设计，并且调整相关放大器输入、输出匹配等问题后，效果更好，如图6(b) 所示。

　　结束语
　　本文介绍的微波信号源发生器，使用单片机控制低功率、高性能的δ-Σ小数分频数字锁相环和相应的驱动电路来控制调谐振荡器(YTO) 的输出，用这种技术实现的信号源发生器可以带来频率准确度和稳定度高、误差小、操作控制方便等优点，因此具有广泛的应用前景。

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