基于DDS+PLL技术的高频时钟发生器

　　1　引言

　　高性能合成频率广泛应用在现代通信、雷达和电子测量等技术领域中。频率合成方法主要有 3种：

　　(1)直接合成法，他利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。

　　(2)应用锁相环PLL（PhaseLocked Loop）的频率合成，虽然具有工作频率高、宽带 、频谱质量好的优点，但频率分辨率和转换速率都不够高。

　　(3)最新的频率合成方法是直接数字频率合成DDS（Direct Digital Synthesis）。DDS较以 前频率合成技术具有频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续，可以进行高精度、高 稳定度编程，全数字化易集成等突出优点。

　　但是DDS的2个明显不足限制了其进一步的应用：一是因受限于器件可用的最高时钟频率， 致使合成频率不能太高，输出信号的频率上限基本上是在HF或VHF频段上，比PLL合成技术以 及直接模拟合成技术得到的信号频率低；二是输出频率杂散分量较大，频谱纯度不 如PLL。 从基本原理而言，PLL是模拟的闭环系统，而DDS是全数字的开环系统，二者是两种不同的频 率合成技术，采用将二者结合构成DDS+PLL组合系统来互相补充，可以达到单一技术难以达 到的应用效果。 

　　2　DDS激励PLL系统

　　2.1性能分析

　　常用的DDS+PLL组合有DDS激励PLL和DDS内插PLL两种方式。无论采用哪种组合方式，都可以 获得高分辨率、快速转换、较宽频率范围的输出频率。但在频率杂散性能、频率建立时间和 电路复杂程度等方面，两种组合特点各有不同。在PLL内插DDS的组合方案中，虽然DDS输出 不经PLL倍频，故具有较低的相位噪声和较好的杂散性能，但此方案需要滤除混频器产生的 多余分量，影响环路参数，致使设计电路复杂，硬件调试周期长。

　　工作中的600 MHz时钟发生器采用低频DDS激励PLL的频率合成系统。该方案通过采用 高的鉴相频率提高PLL的转换速度，并利用DDS的高分辨率保证倍频PLL输出较高的频率分辨 率，同时PLL环路的带通滤波可以对DDS的带外杂散有抑制作用。该方案的优点是电路结构简 单、成本低、易于控制、易于集成。为保证组合系统的频谱纯度，在DDS的输出加一个带通 滤波器，用来抑制和消除来自DDS参考频率的宽带杂散。系统原理图如图1所示。

　　通过原理分析可知，DDS+PLL系统的相位噪声主要由PLL的相 噪性能决定，而其杂散性能则取决于DDS。

　　2.2相位噪声的测量

　　PLL相位噪声主要由3部分组成：VCO固有的相位噪声；鉴相器、环路滤波器、分频器的相位 噪声以及参考频率的相位噪声。其中环路分频比N（本系统中N取为20）对环路带宽内的 输出相位噪声影响最大，即在环路通带内，输出相位噪声要恶化20logNdB。

　　在将VCO的特性理想化的情况下，主要考虑集成锁相环的噪声，则整个环路的相位噪声可近 似为：

　　其中：fDDS为输入PLL鉴相器的频率值；NPLL是PLL的相噪基数 ，PLL频率合成芯片ADF4106的NPLL值为－174 dBc。

　　时钟发生器输出频率fout可根据需要改变。当fout取为6 00 MHz，参考晶振采用30 MHz时，环路的相位噪声为：

　　2.3　DDS的杂散特性及抑制方法

　　2.3.1　由于相位舍位造成的相位截断杂散

　　造成这种杂散的过程是一个周期性的相位调制过程，因此这种杂散为调相杂散。对于调相杂 散可以提高相位截断位数来增加他的SFDR，每增加一位可以使SFDR增加约6 dB。

　　2.3.2　由于幅度量化误差造成的杂散

　　DDS送到DAC的波形样点值由有限的二进制数表示，所以对幅度值做了近似存储，由此引入了 幅度量化误差，并在输出端形成杂散，这种杂散是调幅杂散。

　　2.3.3　由于DAC非线性引起的杂散

　　DAC的非线性包括积分、差分非线性以及DAC的非理想动态特性。由于DAC非线性的影响，在D DS的输出信号中将产生输出频率的谐波分量及这些谐波的镜象分量，其杂散电平由DAC的 性能决定。随着DDS时钟频率的提高，他已经成为DDS输出杂散的主要来源。

　　2.3.4　抑制方法

　　有效抑制DDS杂散的方法是选用高性能、高时钟频率的DDS器件。这里的高性能是指DDS器件 内部自身已采取了一定的技术措施来抑制其固有杂散的输出。通过实验和理论分析得知，在 输出频率不变时，随着时钟频率的升高，杂散距主频的距离也会呈线性关系增大，这为杂散 抑制提供了可操作性。根据DDS的原理，离散杂散信号是影响频谱纯度的主要原因，所有的 杂散信号都与输出频率有关，杂散的位置也是可以预测的。在相同时钟信号下，不同的输出 频率产生的频率杂散位置不一样。在DDS+PLL组合系统设计中，应根据DDS的原理灵活选择适 当的时钟频率和输出信号频率，使DDS输出信号近端的杂散情况处于相对理想的状态，从而 提高系统的频谱纯度。

　　3　系统组成及实现

　　3.1　DDS选用Analog Devices公司的AD9854

　　AD9854是把48 b频率累加器、48 b相位累加器、正弦函数波形表、12 b正交数模转换器以及 调制和控制电路高度集成到一起，集相位调制、频率调制、幅度调制和I/Q正交调制等 功能于一体的高集成器件。AD9854从各个方面超过了AD公司前期的DDS产品，是一种很有应 用前途的DDS芯片。其主要特点为：

　　（1）内部的D/A转换器和比较器实现正交的I和Q路输出。

　　（2）具有1 MHz步进的48 b频率分辨率，相位截断17 b保证了SFDR指标可达到102 dB。 

　　（3）优良的电路工艺使同步正交信号输出的频率最高达到150 MHz，平均每秒可产生100 MH z的新频率。

　　（4）正弦信号输出可通过内部比较器转化成方波，用于时钟产生。

　　（5）提供了数字控制的14 b相位调制和单端PSK数据输入，12 b的I和Q路DAC。

　　（6）在高速时钟产生器的应用中，若12 b的“控制”DAC与内部的比较器相结合，能实现脉 宽调制PWM和静态周期控制。

　　（7）2个12 b的数字乘法器能实现数字幅度调制、波形成形和正交输出的准确幅度控制。

　　（8）时钟输入4~20整数倍可选的倍频器可使外部输入的低速时钟转变成最高300 MHz的内部 高速时钟。 

　　3.2　　PLL频率合成器

　　选用Analog Devices公司的ADF4106。ADF4106具有较高的工作频率，最高可达到6.0 GHz。 该芯片集成了锁相式频率合成器的各种重要部件，主要由低噪声数字鉴相器、精确电荷泵、 可编程参考分频器、可编程A，B计数器及双模前置分频器（P/P＋1）等部件组成。数字鉴相 器用来对R计数器和N计数器的输出相位进行比较，然后输出一个与二者相位误差成比例的误 差电压。鉴相器内部还有一个可编程延迟单元，用来控制翻转脉冲的宽度，这个翻转脉冲保 证鉴相器的传递函数没有死区，因此降低了相位噪声和参考杂散。

 ADF4106芯片的高集成性能，使其只需少量外围电路即可构成一个完整的低噪声、低功耗、 高稳定度、高可靠性的频率合成器。

　　3.3　其他器件选取

　　VCO的选取需考虑几个方面：具有一定的压控灵敏度；控制特性的线性好；频率覆盖范围大 ；开环相位噪声低；频率稳定度高等。环路输出相位噪声的大小主要取决于VCO的开环相位 噪声的强度，因此VCO的相位噪声性能必须重点加以考虑。基于以上原因，选用Mini Circui ts公司的宽带低相噪器件ROS1200 W。

　　在无线通信电路中，鉴相器比较频率产生的杂散通常是高频信道间隔的整数倍，这些杂散能 产生邻道干扰。环路滤波器LF采用三阶无源滤波，可以更好地抑制杂散。

　　3.4　实验结果分析

　　实验发现，DDS+PLL技术的关键技术问题是DDS输出带有很多杂散信号，尤其是输出信号近端 的杂散无法用滤波器滤除，在一定程度上会影响系统的频谱纯度。VCO的频率覆盖范围是影 响频率合成器相位噪声的重要因素，如果VCO的频率覆盖范围相对较宽，就可减少频率合成 器单元电路，但通常窄带VCO比宽带具有更好的相位噪声特性。这些要求是相互矛盾的，所 以应根据具体情况综合考虑。此外，还必须考虑环路滤波器的不同结构对环路性能的影响， 尽可能用VCO调谐电压的低端控制输出频率的生成，以避免滤波带来的环路噪声性能的降低 。

　　DDS+PLL频率合成系统中，既有数字电路又有模拟电路，模拟电路中又含有中频电路和高频 线路。设计的数字电路要满足高速数字逻辑电路设计要求，模拟电路中要分别满足中低频电 路和高频电路的不同特殊要求。针对系统对频率合成器频率、噪声、频率分辨率等各项性能 的总体要求，在设计电路实践中，对电源和数字电路进行有效的去耦滤波，使用大面积接地 、分开数字地与模拟地等方法都可以适当减小杂散。 

　　4　结语

　　本文提出了一种新的频率发生器设计方案。DDS+PLL频率合成系统由于具有其他频率合成方 法无法比拟的优点，近年来得到广泛的应用。基于DDS芯片AD9854的高精度频率信号发生器 设计的时钟信号源，已经用于科研项目中。可以看到，当要求得到既有高的频率分辨率，又 有较快的转换速度和较低噪声的高频甚至微波信号时，DDS+PLL技术就显现出了强大的生命 力。 

　　参考文献 

　　1］Kroupa V F.Phase and amplitude disturbances in direct digital fr equency synthesizer［J］.IEEE InternatiONal frequency control symposium，1997： 975979

　　2］张厥盛，郑继禹，万心平锁相技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1994 

　　3］白居宪低噪声频率合成［M］.西安：西安交通大学出版社，1995