基于单片机控制的ADF4106锁相频率合成器设计

0 引言

在现代电子技术的设计与开发过程中，特别是在通信、雷达、航空、航天以及仪器仪表等领域，都需要进一步提高一系列高精度、高稳定度的频率源的频率精度。这样，一般的振荡器已经无法满足各种应用的发展要求，而晶体振荡器的性能虽然比较好，但其频率单一，或只能在极小的范围内进行微调。因此，本文提出了一种基于单片机AT89C2051控制的、利用锁相技术、以ADI公司生产的频率合成器芯片AD4106为核心，来实现锁相频率合成器的设计方案。

1 系统结构原理

该锁相频率合成器的具体实现结构如图1所示。本系统由频率合成器AD4106、环路滤波器、压控振荡器、晶体振荡器以及参考分频器和程序分频器共同构成锁相环路(PLL)。该环路输入端由高稳定度和高准确度的晶体振荡器经参考分频器分频后，输出基准频率，然后利用锁相环路良好的窄带跟踪特性，使压控振荡器的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。环路芯片ADF4106中设有程序分频器和参考分频器，可由单片机AT89C2051来编程控制，并可通过改变单片机程序，利用所提供适当的N、R值，来求高性能的输出频率f0。当环路锁定时，输出频率f₀可由正式计算出：



式中：N为程序分频比，R为参考分频比，f_r为晶体振荡器固定频率，f₀为输出频率。



2 系统硬件实现

下面以410 MHz锁相频率合成器为例来说明系统实现过程。

2.1 ADF4106的结构特性

ADF4106是美国ADI公司生产的集成数字锁相频率合成芯片。它集成有一个低噪音的数字鉴相器、可编程的分频器、可编程A／B计数器、双模前置分频(P／P+1)、精确的电荷泵以及其它模块。ADF4106最大特点就是具有极高的工作频率，因此可简化系统结构，降低功耗和设备成本。此外还可以通过简单的3线接口控制片内的寄存器，方便地控制芯片工作状态。其ADF4106的内部结构如图2所示。



ADF4106的技术参数有：可输出频率为小于550 MHz；双模因子为8／9(P=8)；参考频率为5M＜f_r＜100 M；锁定频率f₀=Nf_r／R，其中N=(BP+A)；A、B、R为内部可编程计数器，A为5位，B、R为14位。

2.2 系统硬件电路

系统硬件电路连接图如图3所示。图中ADF4106的CP脚外接电容390 pF、2700 pF和39pF以及电阻10 kΩ、27 kΩ构成环路滤波器，本系统中采用三阶环路滤波器，主要用于衰减误差电压中的高频分量，提高系统抗干扰能力。其环路带宽为20 kHz。另外，由于压控振荡器的输入端电压较大，而频率合成器的输出电压小，所以设计中选择了运算放大器芯片AD820来放大误差电压信号。



基于频率合成器在满足其它技术指标要求的前提下，还要实现电路的小型化，因此设计中选择Mini-Circuit公司生产的POS-535、体积小、可靠性高的压控振荡器。

本设计中的单片机选用的是Atmel公司的AT89C2051芯片，该单片机可用以对ADF4106进行控制。AT89C2051是一个8位单片机，其内部含有2 KB的可编程可擦除闪烁存储器和15个I／O编程口。另外，在设计时，还应该在单片机与ADF4106之间接入一片74L373芯片，以缓冲单片机中的杂散干扰。
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3 系统软件实现

ADF4106的控制位为24位，其中低两位为地址位，00表示“R counter”，01表示“N counter”，10表示“Function Latch”，11表示“InitializationLatch”。其晶体振荡器频率为10 MHz，输出频率为410 MHz。图4为系统CLK、DATA与LE之间的控制关系时序图。其单片机AT89C2051的配置程序如下：




4 仿真测试

该系统主要技术指标有：输出频率410 MHz，相位裕量为45°，幅值裕量为-10 dB，调谐灵敏度为20 MHz／V，频率稳定度为±1×10-6。利用ADI公司的ADIsimPLL软件对系统仿真，其仿真结果如图5和图6所示，完全符合设计要求。



5 结束语

文中介绍了利用单片机AT89C2051控制频率合成器芯片AD4106来实现频率合成器的设计方法，其电路结构精简，性能可靠，而且可以通过改变系统软件编程来获得一系列高性能的频率信号。