基于单片机和LMX2485的微波信号源发生器的设计
基于单片机和LMX2485的微波信号源发生器的设计
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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&-&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。
关键词： 数字锁相环；信号源发生器；微控制器；LMX2485
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&-&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。
关键词： 数字锁相环；信号源发生器；微控制器；LMX2485
&&& 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[1-2]。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&-&小数分频数字锁相环电路LMX2485[3]和YTO为核心，并通过单片机C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&-&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&-&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[4]。&-&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。
&&& f0=fref&N.F&&&& (1)
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。
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。
&&& f0=10&2/RF_R&(RF_N+RF_FN/RF_FD)&4&2 (MHz)
&&&& =10&2&(RF_N+RF_FN/4 000 000)&4&2 (MHz)&&&&&&&&&&&&& (2)
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。
&&& f=kV+f0&&&&&&&&& (3)
&&& YTO的副线圈是为了YTO输出频率的微小变动，因此副线圈控制电压由鉴相器输出的两路频率相位差值再通过环路滤波后的电压来控制，从而达到输出信号源的频率和参考晶振频率有固定的相位关系，也即使得锁相环锁定在固定的频率上。
3 硬件设计
&&& 信号源发生器硬件系统主要包括单片机控制系统和锁相环系统两部分。
3.1 单片机控制系统
&&& 单片机主要实现人机接口和锁相环控制，采用C，其内核为100 MIPS的8051微控制器。通过SPI接口和人机接口芯片ZLG7289获得输入的频率值，按照该频率值计算锁相环LMX2485对应的寄存器值，然后使用IO管脚按照图3所示时序进行LMX2485的三线配置，LMX2485自动进行锁相跟踪，最终锁定于设置的频率值。频率值及锁定结果通过ZLG7289显示。
&&& 单片机针对输入的频率值计算YTO主线圈对应的控制电压，通过D/A芯片AD7545输出。AD7545是12 bit分辨率的单电压控制CMOS数模转换芯片，参考电压设为12 V，单片机通过并行接口即可方便地进行控制。YTO副线圈电压由锁相环的环路输出控制来实现。
&&& 人机交互电路主要实现信息的输入、数据显示及警示作用，采用ZLG7289实现，其内部包含数码管显示驱动及键盘扫描管理电路，可直接驱动8位共阴式数码管或64个独立LED，同时还可以扫描管理多达64个按键，采用SPI 串行总线与单片机接口。本系统频率最大为14 GHz，因此采用两个ZLG7289并接实现。
3.2 锁相环电路
&&& 锁相环、四分频等部分电路如图4所示，LMX2485通过三线和单片机相连，参考频率由高稳温补晶振提供。YTO输出频率通过四分频电路HMC433进行四分频后进入LMX2485的射频输入。两路信号通过内部鉴相器鉴相，充电泵输出后，再通过外部环路低通滤波器和运算放大器OP07去控制YTO小线圈驱动。
&&& 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。
&&& 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。
&&& 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&-&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。
[1] 余海涛.基于MAX038的智能固态扫频式微波信号源的设计[J].半导体技术，-73.
[2] 孙悦，尹成群，黄怡然.基于ML2035低频正弦信号发生器的设计[J].现代电子技术，6-108.
[3] LMX2485/LMX2485E& 50MHz-3.0GHz High Performance Delta-Sigma Low Power Dual PLLatinumTM Frequency Synthesizers with 800 MHz Integer PLL，[EB/OL]. [2006-2]. /ds/LM/LMX2485.pdf.
[4] 周井泉，程景清．基于&S-△调制的频率合成器及性能．南京邮电学院学报，5-111.
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王煜华, 蒋传纪
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本文探讨了用锁相技术来产生高频率稳定度的低频信号的方法，并介绍了由ICL8038和MC构成的低频锁相环函数发生器的设计。该正弦波输出信号的频率稳定度可达到10-8 ，输出频率由所选用的晶振频率以及MC的分频数决定。正弦波发生器的应用很广泛，但是适合于低频范围内的高稳定度正弦波电路比较少。表1是几种主要的正弦波产生方法的比较。从表1中可知，仅采用某一种正弦波产生方法很难实现频率稳定的低频正弦波发生器。本文尝试采用锁相环来实现频率稳定的低频正弦波发生器的设计方法，给出了一种基于MC和ICL8038芯片的低频锁相环函数发生器。这种低频锁相环函数发生器的稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差。压控波形发生器与锁相环电路ICL8038是现在应用非常广泛的一种单片集成压控波形发生器，在0.01～300kHz的范围里可以同时产生正弦波、矩形波和三角波。使用时只需外接少量电阻、电容元件就可以作为压控振荡器、调频信号发生器或单片函数发生器。其输出电平特性为:方波0.2Vsupply(2mA)；三角波幅度为0.33Vsupply，输出阻抗为200Ω(5mA)；正弦波幅度为0.22Vsupply，输出阻抗典型值为1kΩ。MC是MC的性能改进产品，功耗降低而ESD和锁定性能则大有改进。MC分别用14条和3条并行输入数据线实现N计数器和R计数器编程。本器件集成了参考振荡器、可选参考频率分频器、数字相位鉴相器和14位可编程的除N计数器。该芯片具有以下特点：由于采用CMOS工艺而具有低功耗，电压范围为3～9V；具有片上或离片参考振荡器的操作条件；有两路鉴相信号输出，其中PDout是鉴相器A的输出，ФR、ФV是鉴相器B的输出，是鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号；除N的范围为3～16383；8个用户可选的除R值分别为8、128、256、512、、，分别对应RA2~RA0从000到111的8个状态。正弦波发生器设计本文设计的电路主要由一个基本锁相环和产生参考频率的电路两部分组成，原理框图如图1所示。其基准频率通常由相对频率稳定度为10-6的晶体振荡器产生，经R倍分频后提供适当的基准频率。虚线框中的电路是频率合成器的核心部分即锁相环，由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为fout=(N/R)fin，改变分频比N可以方便地获得大量离散频率的输出信号。这里的锁相环与典型的高频锁相环电路相比有两处改动：一是添加了鉴相器前的晶振整形和分频电路，采用该电路是为了获得低频率的基准信号；二是压控振荡器选择了工作在低频范围内的器件，这是低频率的基准信号要求的。在如图2所示的电路中，晶振选用2MHz的温度补偿晶体，它的频率稳定度可达10-8,选择鉴相器A或鉴相器B均可。本文选用鉴相器A，PDout输出接一个RC滤波器。若选用鉴相器B，Фr和ФV输出接有源低通滤波器。MC的LD用来指示回路锁定，外接一个LED，出现失锁时该LED将闪烁。图2中的振荡器部分采用了MC的片上振荡形式，两个电容分别为39P和27P。MC的固定分频器分频系数选择为8192，2M信号经分频后是244.14Hz，将该信号作为基准频率输入鉴相器。振荡器也可以选择离片形式，还可以增加分频系数以进一步降低基准频率。具体电路如图2所示,两个电阻都是1kΩ，电容为0.01μF的独石电容。基于锁相环的低频正弦波发生电路如图3所示。电路调试锁相环电路调试比较麻烦，很容易失锁，在实现本电路的过程中应注意以下问题：1. MC中的除R分频器在片内已内接了上拉电阻，所以RA0～RA1置“1”时只需悬空，不可接高电平。2. ICL8038的方波输出要加上拉电阻，若要与TTL电平兼容，必须接+5V。MC对输入的电平有要求，在+5V电源条件下，输入方波的高电平不能超过+5V，低电平不能低于+1.5V。3. MC鉴相输出电压与ICL8038控制电平的匹配，这是整个电路实现中比较重要的问题。为解决这个问题，把ICL8038接成直流电源分压控制的函数发生电路。ICL8038的电压控制范围是2/3(|VCC|+|-VEE|)+2V＜V＜|VCC|+|-VEE|。用一个可变电阻改变分压比，观察ICL8038的输出频率，发现输出信号的频率随控制电压的升高而降低。在±6V电源、CT=4700P、RT=4.7K的条件下，控制电压为+2.6V(相对于-VEE为8.6V)时输出频率是11.48kHz；在控制电压为+5.6V(相对于-VEE 为11.6V)时输出频率是182Hz，电压再高将出现波形失真。MC的鉴相输出经过滤波后的直流电平为+2V至+3V之间，可以控制ICL8038，但是电压变化范围太小，能控的频点有限，因此必须加放大器。而且，直接用滤波输出电压控制ICL8038将很难调整到MC能锁定的几个频点。图3中U2是放大器，U1是跟随器，采用跟随器是由于OP07的输入阻抗不够大，如果直接把滤波后的电压接入放大器，电压将跌为零,放大器没有输出，必须要加一级跟随器进行阻抗匹配。4. 放大器U2放大倍数的选择。由于滤波输出电压已落在控制范围内，只是变化范围比较小，放大倍数选得太大将会超出ICL8038的最高控制电平，从而造成MC失锁；但是太小的话，变化范围又不够，与直接用滤波电压没什么区别。图中所选3K和5K电阻是反复试验后的结果。5. ICL8038振荡电容的选择。在RT=4.7K、CT=4700P的条件下，PLL电路的频率变化范围在8.301K～15.381K之间，低于8.301K仍有波形，但是这时已趋于失锁的边缘，稳定度不够理想。若要产生频率范围更大信号就需要更换电容，改变频段。图3所示的电容可以产生100Hz～100kHz的输出信号。作者：王煜华、蒋传纪Email: .cn华东师范大学电子系
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什么是锁相环?锁相环原理是什么?
锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。锁相环电路是一种反馈电路,其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环的工作原理：
1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；
2. 和基准信号同时输入鉴相器；
3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；
4. 控制VCO，使它的频率改变；
5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。
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