在現代電子技術的設計與開發過程中，特別是在通信、雷達、航空、航天以及儀器儀表等領域，都需要進一步提高一系列高精度、高穩定度的頻率源的頻率精度。這樣，一般的振蕩器已經無法滿足各種應用的發展要求，而晶體振蕩器的性能雖然比較好，但其頻率單一，或只能在極小的范圍內進行微調。

1 系統結構原理

該鎖相頻率合成器的具體實現結構如圖1所示。本系統由頻率合成器AD4106、環路濾波器、壓控振蕩器、晶體振蕩器以及參考分頻器和程序分頻器共同構成鎖相環路(PLL)。該環路輸入端由高穩定度和高準確度的晶體振蕩器經參考分頻器分頻后，輸出基準頻率，然后利用鎖相環路良好的窄帶跟蹤特性，使壓控振蕩器的輸出頻率準確地穩定在參考頻率或某次諧波上。環路芯片ADF4106中設有程序分頻器和參考分頻器，可由單片機AT89C2051來編程控制，并可通過改變單片機程序，利用所提供適當的N、R值，來求高性能的輸出頻率f0。當環路鎖定時，輸出頻率f₀可由正式計算出：



式中：N為程序分頻比，R為參考分頻比，f_r為晶體振蕩器固定頻率，f₀為輸出頻率。



2 系統硬件實現

下面以410 MHz鎖相頻率合成器為例來說明系統實現過程。

2.1 ADF4106的結構特性

ADF4106是美國ADI公司生產的集成數字鎖相頻率合成芯片。它集成有一個低噪音的數字鑒相器、可編程的分頻器、可編程A／B計數器、雙模前置分頻(P／P+1)、精確的電荷泵以及其它模塊。ADF4106最大特點就是具有極高的工作頻率，因此可簡化系統結構，降低功耗和設備成本。此外還可以通過簡單的3線接口控制片內的寄存器，方便地控制芯片工作狀態。其ADF4106的內部結構如圖2所示。



ADF4106的技術參數有：可輸出頻率為小于550 MHz；雙模因子為8／9(P=8)；參考頻率為5M＜f_r＜100 M；鎖定頻率f₀=Nf_r／R，其中N=(BP+A)；A、B、R為內部可編程計數器，A為5位，B、R為14位。

2.2 系統硬件電路

系統硬件電路連接圖如圖3所示。圖中ADF4106的CP腳外接電容390 pF、2700 pF和39pF以及電阻10 kΩ、27 kΩ構成環路濾波器，本系統中采用三階環路濾波器，主要用于衰減誤差電壓中的高頻分量，提高系統抗干擾能力。其環路帶寬為20 kHz。另外，由于壓控振蕩器的輸入端電壓較大，而頻率合成器的輸出電壓小，所以設計中選擇了運算放大器芯片AD820來放大誤差電壓信號。



基于頻率合成器在滿足其它技術指標要求的前提下，還要實現電路的小型化，因此設計中選擇Mini-Circuit公司生產的POS-535、體積小、可靠性高的壓控振蕩器。

本設計中的單片機選用的是Atmel公司的AT89C2051芯片，該單片機可用以對ADF4106進行控制。AT89C2051是一個8位單片機，其內部含有2 KB的可編程可擦除閃爍存儲器和15個I／O編程口。另外，在設計時，還應該在單片機與ADF4106之間接入一片74L373芯片，以緩沖單片機中的雜散干擾。

3 系統軟件實現

ADF4106的控制位為24位，其中低兩位為地址位，00表示“R counter”，01表示“N counter”，10表示“Function Latch”，11表示“InitializationLatch”。其晶體振蕩器頻率為10 MHz，輸出頻率為410 MHz。圖4為系統CLK、DATA與LE之間的控制關系時序圖。其單片機AT89C2051的配置程序如下：




4 仿真測試

該系統主要技術指標有：輸出頻率410 MHz，相位裕量為45°，幅值裕量為-10 dB，調諧靈敏度為20 MHz／V，頻率穩定度為±1×10-6。利用ADI公司的ADIsimPLL軟件對系統仿真，其仿真結果如圖5和圖6所示，完全符合設計要求。



5 結束語

文中介紹了利用單片機AT89C2051控制頻率合成器芯片AD4106來實現頻率合成器的設計方法，其電路結構精簡，性能可靠，而且可以通過改變系統軟件編程來獲得一系列高性能的頻率信號。