（通信与信息系统专业论文）基于dds和pll的射频信号发生器的设计和实现.pdf

i ：海人学硕l ：学位论文 摘要 本课题源于项目介质材料特征频率的检测，该项目主要目的是观 察材料在特征频率下的特性变化，适用于对一些目标物品检测和分析的领 域，如：违禁品的检测，生物医药的成份分析等，还可以应用于相关的生 物检测芯片或系统中，具有相当广泛的应用价值。 该检测系统主要由射频信号发生器、功率放大器、相干检测单元等部 分组成，其中，信号发生器是项目中重要的组成部分之一，目标是实现一 个1 0 m h z 1 g h z 的高分辨率、高稳定度、低杂散的射频信号源，为后续电 路实现相干微弱信号检测提供可能。 本文基于d o s 和p l l 的基本原理，通过对电路建立数学模型，分析了 两种频率合成技术的工作原理以及其性能的优缺点，并以此为基础，综合 考虑了设计指标和电路的可实现性，确定了p l l + d d s + p l l 的组合频率合 成方案，通过理论分析与仿真，论证了方案的可行性，同时也优化了设计 方案，在此基础上，最终设计并制作实现了相应的线路模块。 此方案以高稳定度的铷原子钟作为整个系统的时钟源，利用p l l 电路 良好的窄带性能为d d s 模块提供稳定的时钟，再通过d d s 和后级p l l 的 组合电路实现高分辨率和宽带频率范围的信号输出。方案结合了p l l 电路 频谱杂散低、窄带性能好、频率范围宽的特点和d d s 电路分辨率高、相位 噪声低、切换速度快的特点，一定程度上弥补了d d s 和p l l 独立电路的缺 陷，再配以高稳定度的铷原子钟，迸一步提高了系统的整体性能，线路简 单可靠，功耗低、体积小，线路实现方法上具有一定的创新性。经检测， 电路的性能指标基本达到了设计要求，为最终系统的实现创造了条件。 本文中，还对目前设计中存在的不足之处进行了分析，提出了部分更 为合理的电路解决方案与改进意见，具有一定的参考价值。 关键词：频率合成，d d s ，p l l ，分辨率，稳定度 v 上海人学_ 颐| i 二学位论文 a b s t r 托t t h i ss u b j e c td e r i v e sf r o mt h ep r o j e e t 1 h ec h a r a c t e r i s t i c sf r e q u e n c yo f d i e l o c 砸cm a t e t i a l st e s t i n g t h ep r o j e c tm a i no b j e c t i v ei st oo b s e r v et h e c h a r a c t e r i s t i cf f e q u e n c yo ft h em a t e r i a l i ta p p l i e dt ot h ed e t e c t i o na n da n a l y s i s o ft a r g e t e di t e m s ，s u c ha st h ed e t e c t i o no fp r o h i b i t e dg o o d s ，b i o m e d i c i n e c o m p o n e n ta n a l y s i s a n da l s oc a nb eu s e df o rt h er e l e v a n tb i o l o g i c a ld e t e c t i o n c h i po rs y s t e m s oi th a sav e r yw i d ea p p l i c a t i o n t h ed e t e c t i o ns y s t e mi sc o m p o s e do fr fs i g n a lg e n e r a t o r , p o w e ra m p l i f i e r a n dc o h e r e n td e t e c t i o nm o d u l e sm a i n l y s i g n a lg e n e r a t o r , ak e yc o m p o n e n to f t h ep r o j e c t , i sa1 0 m h z 1 g h z ，h i 曲r e s o l u t i o n , h i 曲s t a b i l i t y , l o ws t r a yr f s i g n a l8 0 1 1 1 p 2 , w h i c hm a k e st h ep r o j e c tp o s s i b l et oa c h i e v ec o h e r e n tw e a ks i g n a l d e t e c t i o n b s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e , t h e o r ya n a l y s et h ew o r k i n gm e t h o d so fd d s a n dp l lb ye s t a b l i s ht h ec i r c u i tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d0 1 1t h i sb a s i s ，a p l l h ) d s + p l lc o m b i n a t i o nf f e q u e n e ys y n t l l e s i si sd e t e r m i n e db ya c c o u n t i n g o ft h ep a r a m e t e r sa n dr e a l i z a b l e u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n , t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g ni sd e m o n s t r a t e d , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i t m o d u l e sa r ep r o d u e t e da sw e l l 1 1 1 i sp r o j c c u s 鼯ah i g hs t a b i l i t yr u b i d i u ma t o m i cc l o e ka saw h o l es y s t e r n c l o c ks o u r c u , u s i n gp l le i r e u i tn a r r o w b a n d o dp e r f o r m a n c et op r o v i d ed d s m o d u l eas t a b l ec l o c k t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fd d sa n dp l le i r c u i tt o o u t p u tah i 曲r e s o l u t i o na n dw i d e - b a n df f e q u e n c ys i g n a l p r o g r a mc o m b i n e sl o w s t r a ys p e c t r u m ，n a r r o w b a n dp e r f o r m a n c e ，w i d ef f e q u e n c yr a l l g ef e a t u r e so fp l l c i r c u i ta n dh i g hr e s o l u t i o n , l o wp h a s en o i s e , f a s ts w i t c h i n gt i m ef e a t u r e so f d d s c i r c u i t s ，m a k e i n gu pf o rt h es h o r t c o m i n g so fd d so rp l l b ya d d i n gah i g l l s t a b i l i t yr u b i d i u ma t o m i ce l o c k , s y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c eh a saf u r t h e r i m p r o v e m e n t 砸sc i r c u i th a s8 0 m ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e ，r e l i a b l e ，l o w p o w e t , 鼬a l ls i z e , e t c , a n da l s oh a ss o m ei m a o v a t i v em e t h o d sa sw e l l a t i e r t e s t i n g , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n d c r e a t e st h ec o n d i t i o n sf o rt h ef i n a lr e a l i z a t i o no f t h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h e d e s i g nd e f i c i 锄c i 铝o f t h i sc i r c u i ta l s oh a v e b e e na n a l y s e d 。 a n dp r o v i d es o m em o r er e a s o n a b l es o l u t i o nt oi m p r o v et h ec i r c u i t i th a sa c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , d d s ，p l l ，r e s o l u t i o n ，s t a b i l i t y i ：海人学硕l ：学位论文 原创性声明 本人声职：所呈交的论文是本人在导师指导下进于亍的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：匦岛 上海人学硕l ：学位论文 第一章绪论 随着现代电子系统的迅猛发展，对于频标源的精确度和稳定度要求越来越 高。我们知道。跟子频标等频标源要做到高准确度、赢稳定度，其价格是比较 高的，况且，石英晶体在全世界范围内是比较稀有的原料。这些频标源，不但 造价昂贵，而且它们基本上都只能输出单频率。而目前在生产实践和科学研 究中，却往往要求获得大量的高稳定度的频率。如果大量的高稳定度的频率都 用原子频标或石英晶体振荡器来获得，不但造价十分惊人，而且体积也将是十 分庞大。在实践中，人们利用频率合成技术，从一个或几个标准频率出发，可 以合成出大量的频率，而且合成出来的频率其准确度和长期稳定度都可以和基 准频率完全一样。这就是频率合成技术引起人们重视的一个重要原因。 i i 频率合成技术概述 频率合成技术是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通 过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。 频率合成技术是现代电子系统中的重要组成部分，现代电子系统对频率合成器 提出的要求也愈来愈高，对相位噪声、频率转换时间、频率分辨率、相对工作 带宽、体积及功耗等多项指标同时提出非常高的要求，这些要求极大地推动了 频率合成技术的发展【2 1 【4 】。 实现频率合成技术的电路成为频率合成器，它的主要性能指标有： ( 】) 输出频率范围指频率合成器输出最低频率和输出最高频率之间的 变化范围，它包含中心频率和带宽两个方面。 ( 2 ) 频率稳定度指在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离标定 值的数值，它分长期、短期和瞬间稳定度三种。 ( 3 ) 频率间隔指两个输出频率的最小间隔，也称频率分辨率。 ( 4 ) 频率转换时间指输出频率由一个频率转换到另一个频率的时间。 5 ) 频谱纯度，以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散又称寄生信号，分为谐 波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪 t 海人学顾i ：学位论文 声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。 1 2 频率合成技术的分类以及特点 频率合成器根据实现方法分为三种：直接模拟频率合成、间接频率合成和 直接数字频率合成。 直接模拟频率合成技术是一种早期的频率合成技术，它用一个或几个参考 频率源经谐波发生器变成一系列谐波，再经混频、分频、倍频和滤波等处理产 生大量的离散频率，这种方法的优点是频率转换时间短、相位噪声低，但由于 采用大量的混频、分频、倍频和滤波等途径，使频率合成器的体积大、成本高、 结构复杂、容易产生杂散分量且难以抑制。 间接频率合成技术又称锁相式频率合成，它是利用锁相技术实现频率的加、 减、乘、除。其优点是由于锁相环路相当于一窄带跟踪滤波器，因此能很好地 选择所需频率的信号，抑制杂散分量，且避免了大量使用滤波器，十分有利于 集成化和小型化。此外，一个设计良好的压控振荡器具有高的短期频率稳定性， 而标准频率源具有高的长期频率稳定度，锁相式频率合成器把这二者结合在一 起，使其合成信号的长期稳定度和短期稳定度都很高。但锁相式频率合成器的 缺点是频率转换时间较长，单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小。 直接数字频率合成技术( d d s d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 是一种新的 频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，1 9 7 1 年直接数字频率合成的思想 正式提出，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，d d s 技术没 有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技 术的发展，d d s 技术日益显露出它的优越性。d d s 技术是利用数字方式累加相 位，再以相位和来查询正弦函数表得到正弦波的离散数字序列，最后经d a 变 换形成模拟正弦波的频率合成方法【l 】【3 l 。d d s 频率合成技术的优点是具有超高 的捷变速度，超细的分辨率，以及相位的连续性，可以输出宽带的正交信号， 容易实现线性调频和其他各种频率、相位、幅度调制，输出频率的稳定度及相 噪等指标与系统时钟相当，全数字化便于单片集成等优良性能。因此在短短二 三十年时问里，得到了飞速的发展和广泛的应用。但其也有两点不足：输出带 2 上海人学硕i ：学位论文 宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制，特别是数濮转换器 d a c 的限制，使得d d st 作的时钟频率较低，输出带宽窄，很难直接应用于 微波频段。杂散是d d $ 本身所固有的缺点，且随着输出带宽的扩展，杂散将越 来越明显地成为抑制d d s 发展的重要因素。 1 3 频率合成技术的现状 由于频率合成技术的特点以及一些公司不断推出的高性能的芯片和产品， 频率合成技术被广泛应用于雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领域。就p u 。 芯片来说，典型的集成锁相环制造公司有美国m o t o r o l a 公司、美国a d i 公司、 美国q u a l c , o m m 公司、美国n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司以及p e r e g r i n e 半导体公 司等。这些公司可以说在集成锁相环芯片制造方面都是佼佼者，他们生产的集 成锁相环不仅体积小，而且工作频率可做得很高，在现在电子通信系统中被广 泛应用。在d d s 技术领域，目前生产d d s 芯片公司主要有美国的a d i 公司、 q u a i c o m m 公司、s c i t e g 公司、s t a n d f o r d 公司、h a r r i s 公司、s y n e g y 公司以及 法国的o m e r g a 公司、d a s s a u l t 公司等。他们生产的d d s 芯片各有各的优势， 都在d d s 技术的市场上占有各自的一席之地。现今，d d s 中相位累加器位数 已做到4 8 位，时钟频率达到数十g h z ，频率捷变速度达到m 级，但是时钟频 率上g h z 的d d s 芯片价格十分昂贵，有些甚至对中国禁止销售，p l l 芯片也 是如此，价格和货源问题拉大了中国和国外的频率合成技术产品上的差距。国 外的频率合成技术产品已经达到相当先进的水平，但是这些产品价格不菲；国 内近些年市场开放，逐步加快了发展的步伐，也出现了一些在此技术方向上的 领军公司，但是与国外的同类产品比较，技术指标上还有很大的差距，价格也 相差很远。 3 - i ：海人学硕i ：学位论文 表1 - 1举例比较国内外相关仪器参数表 公司型号频率范围及主要指标参考价格 频率范围：1 0 0 k h z 3 2 g h z a g i l e n t e 8 6 6 3 b分辨率：0 ，0 0 1 h z$ 4 3 0 a o 杂散 7 0 8 8 d b c 频率范围：2 5 0k h n 3 g h z a g i l e n t e 4 4 2 8 c分辨率：0 0 1 h zs 2 0 0 0 0 杂散 a a , o 是环路才能捕捉，所以查积分表得到： 上海火学硕i ：学位论文 耳：丽1 油揣i 姊 二la*,o 因 为0 f = 砑= k 止二而= 足s 依 培( 刍：罂：j 坠将上式化简为： 培【j ) 2 i 2 l + c o s a 椅上甄化闻刀： 2 1 2 ，并利用公式 耳= 一1 虮每尝 2 m 驴丽虮毳i 事蔼乏孝 2 。1 3 由式2 - 1 3 可以看出，若取伟= 俺为锁定点，则昂趋向于；若纯= 万一纯， 也就是留等= 辔( 华) _ c 辔等，贝| j 系统趋于不稳定点，昂也趋向于o o o 长。一般情况下，按经验可粗略的将昂估计为导。 当吃 k 时，环路处于失锁状态，尽管环路不能锁定，但还是使v c o 的 也称其为“慢捕”。差拍现象是与吃成反比的，畋越大，牵引作用越小； 2 3 2 2 二阶锁相环的捕捉性能 1 、捕捉范围 1 5 ： l 海人学硕i ：学位论文 在二阶环中，假1 发环路 馐波器为有源比例积分器，也衙称为理想积分电鼯， 其传递函数为： f ( s ) ；l + r 2 s 2 1 4 相应可以得到其相位误差的轨迹方程为： 垂+ 堕d s i n 矿+ 墨s i n 妒：0 2 1 5 出2 f i d t 毛 由于锁相环属于伺服系统，所以以一伺服系统中常用的固有频率q 和阻尼系数 f 来改写上式，k f l r 2 = 2 勉，筹= ，多= 警，驴= 警，所以，式2 - 1 2 变为： 驴+ 2 砘( c o s 妒) 妒+ s i n 矿= o 2 - 1 6 一 因为舻：掌= 掌妒，式2 - 1 6 改写成： d f4 口 垡型鱼l c o s 驴一粤翌 2 1 7 d 9 7 吣z 审 k h 式2 - 1 7 中，睇皇2 弘称为高频增益。当乏1 时，等式右边的第二项可以忽 略，那么式2 - 1 7 就可以简化成嚣2 s i n 妒，即相位轨迹近似于正弦形，以2 石为 周期。 二阶环在整个相位区域上是没有所谓的极限环，也就是对于任意的频率阶 跃输入都是稳定的，最终收敛到稳定的奇点，所以它的捕捉带是无穷的。从物 理意义上来说，由于该环路有一个理想积分滤波器，无论起始频差多大，鉴相 器输出的差拍波中的直流成分在积分器上产生一个随时问不断积累的直流电 压，它将v c o 的频率牵引到锁定为止。其快捕带与睇有关，满足公式 * 2 鲺2 翰。 2 、捕捉时间 1 6 上海大学硕f 二学位论文 二阶环中，当起始频差较大， 6 他时，频率捕捉时间弓远大于耳， 可以近似的把弓* ，所以信号的捕捉时问的近似式为乙* 弓* 簧 2 3 3 噪声性能分析 锁相环的噪声主要分为三类1 16 1 ； 第一类：它们是与信号一起进入环路输入端的噪声与干扰，其中包括输入 相加噪声、调制噪声、参考分频触发噪声与杂波干扰。 第二类：它们是从鉴相器输出端引入的噪声与于扰，其中包括鉴相器非线 性失真干扰、脉冲噪声及取样脉冲泄漏等。 第三类：它们是作用于压控振荡器输入端的噪声与干扰，其中包括直流运 算放大器输出噪声、感应到压控线上的各种干扰以及压控振荡器的内部噪声。 这些噪声与干扰作用于环路的结果会增加捕获的困难，降低跟踪性能，使环路 输出相位产生随机抖动，甚至使己锁定的环路失锁。若环路用作频率合成器， 则使输出频谱不纯，短期频率稳定度变差：若环路用作解调器，则使输出信噪 比降低，甚至出现门限效应，较强的干扰与噪声将使环路发生跳周和失锁的可 能性加大。 2 3 3 1 鉴相器的噪声 p l l 环路对鉴相器的泄漏是呈“低通”特性的，也就是说，干扰电压的频 率越低，越容易输出，抑制性也越差。相反，对于较高的干扰电压频率，抑制 性能也越好。所以，可以采取以下措施来抑制： 1 ) 、增大鉴相器灵敏度，降低v c o 灵敏度，以提高边带抑制能力。 2 ) 、减小q 和 ，选择合适的窄带环路。 3 ) 、提高鉴相频率，降低鉴相器输入信号幅度。 4 ) 、在低通滤波器之后加于扰频率的陷波器。 以上的措施需要总体考虑分析，使电路噪声减到最小。 1 7 j ：海大学顾l ：学位论文 2 3 3 2v c o 的噪声 v c o 的电路的形式有很多，根据不同的电路需求选择不同的形式，但是， 有一个共同的指标就是具有尽可能低的相位噪声，因为v c o 的其它指标，例如 调谐范围以及增益k ，都会受其影响。 p l l 环路对v c o 的相位噪声是一个“高通”滤波器，v c o 的这种特性是 p l l 环路对其相当于一个负反馈回路，环路低通滤波器阻止高频通过，所以负 反馈作用就小，而对于低频则允许通过，所以负反馈作用就大。这就是说，v c o 的相位噪声在环路带宽内的低频范围可以通过锁相作用降低，而在这以* f 贝e j 保 留不变。 设计电路时，尤其要注意两点： 一、是环路输入参考信号的相位噪声要低，v c o 本身的相应噪声也要低， 并在环路带宽内尽量保持其闭环增益接近l 。 二、是选择适当宽的环路带宽。以便抑制v c o 本身的相位噪声。而且对抑 制来自v c o 调谐电压控制线上的干扰也是有利的。 2 4 本章小结 本章内容前半部分主要介绍了p l l 的原理、组成结构，通过对其主要组成 部分进行数学建模，简要的介绍了各个部分在环路中的作用，以及p l l 的工作 过程。后半部分介绍了p l l 的一些设计时需要注意的重要特性，包括p l l 的跟 踪、捕获以及噪声来源，对于p l l 的设计具有一定的指导意义。 t s h 海大学硕上学位论文 第三章直接数字频率合成技术( d d s ) 简介 d d s 直接数字频率合成技术【1 8 h 2 1 1 是一种利用频率与相位关系，通过数字 处理块来产生一个固定频率信号的频率合成技术。它的实质就在于数字处理块， 这个处理块其实是一个高速存储查询表，通过外部的频率控制字( f c w ) 来查 寻早已存储在r o m 内的信号量化后的信息( f 1 w f r e q u e i l c y t u n i n g w o r d ) 。 一般，频率控制字的长度在2 4 , - 4 8 b i t s ( 见图3 1 ) ，频率控制字越长，其输出的 信号的分辨率也越高。现在，低成本、高性能、功能全面且体积小的d d s 集成 芯片已经迅速成为了频率合成技术中的佼佼者。这些产品集高速、内蜀d a 转 换和高性能d d s 核于一身，再配以p l l 技术，使其具有很广泛的应用范围。 在许多应用中，d d s 与同类产品相比具有很多的优势： 输出信号的解析度非常高，并且可以进行相位数控。 d d s 核的处理速度快、连续性好，不会产生信号过冲和周期不匀的现象。 d d s 的数字结构，免去了过去手动控制和模拟器件温漂的麻烦。 d d s 具有数字控制接口，使其可以通过处理器进行远距离的精密控制。 d d s 可以很方便的进行i 、q 分量的输出，满足特殊正交分量需求。 d d s 频率合成技术一般以产生正弦信号为主，下文就将正弦信号产生的原 理做进一步分析。 3 1d d s 的基本结构 简单的来说，直接数字频率合成是由参考频率、相位累加器、相位查询表 ( r o m ) 、d a 转换器和低通滤波器组成的，见图3 1 。 图3 - 1d d s 简要原理图 1 9 t - 海大学顾i ：学位论文 图3 1 中，相位累加器由一个加法器和一个相位寄存器组成，顾名思义就 是将相位累加并存储累加的结果。相位累加器对应每个时钟脉冲累加一次，每 次累加的量由频率控制字f t w 来决定，然后将累加后得到的结果存入相位寄存 器中，相位范围为o 也耳，每个时钟周期内相位累加嚣以二迸制形式去正弦查 询表里寻址，正弦查询表里存放的是一张相位信息与数字化正弦幅度相对应的 表，正弦查询表输出的数字化正弦波形在经过d a c 转换为正弦阶梯信号，最后 通过低通滤波器就可以得到一个完美的正弦信号。经过2 n f t w 个时钟后，回 到初态( 其中n 为相位累加器的字长) 。 3 2d d s 的基本原理 由d d s 的基本结构可以看出，d d s 的核心为一个相位累加器和一个正弦 查询表，下面就此进一步分析它的原理。 首先引入正弦函数的指数形式：s i n ( c o t ) = i m e j 。 】= i m e i 2 2 r 4 】3 - 1 从公式3 - 1 中可以看出，正弦函数随着t 的变化，会产生不同的相位用p ( f ) 表示，如果用一个单位圆来表示的话，e f t ) 表示相量；与x 轴正半轴的夹角， 面s i n ( c o t ) 则表示相量；在y 轴上的投影a ，这个投影随着相位的变化而变化， 并且以2 石为周期重复，这样便形成了正弦函数，如图3 - 2 。 b l n w _ 【) 竹一厂j u 一 图3 - 2 正弦函数图 把单位圆2 石用n 位二进制来量化，那么将得到2 ”个点，那么相邻两点问的相 上海人学硕 学位论文 位差为2 霈2 ”。如果，使；不是连续的移动，而是以m 点间隔移动。那么就形 成了相位增量为爹膨的量化正弦信号，如图3 - 3 所示是当n 为4 ，m 为2 时 单位圆被量化成1 6 个台阶，输出的量化波形的相位增量为等2 = 三。 一 、一 f 一乡二一二 图3 3 相位增量为三时的量化正弦波形 当n 为5 ，m 为2 时，单位圆被量化成3 2 个台阶，输出量化波形的相位增量为 竺2 ：互，见图3 - 4 。 3 28 。三穴一，一一一 f。 7 一 l 夕一 一 ；= 一 3 - 4 相位增量为吾时的量化正弦波形 由图3 - 3 和图3 - 4 中可以看出相位增量越小，其形状越类似于正弦，也就意味 着正弦信号的重构性越好，但是这样相量；旋转一周的时间也就越长，开销也 就大了。 根据奈奎斯特准则，抽样频率一定要大于等于传输速率的2 倍，所以，相 2 1 t 海大学颂f ：学位论文 位增量至少需要石，如果用频率来描述的话t 叩s 输出频率( z ) 应该小于三 采样时钟频率( 圭z ) ，所以理想d d s 输出频率的上限为圭z ；如果相位增量 不断的减小。n 一般受芯片的限制为一个圃定值，所以当等膨中m 为l 时， 相位增量最小，完成一整周的正弦信号输出需要经过鲁= 2 ”个参考时钟周期， 歹 即= 参时为正的下限，t g , 就是d d s 的分辨率。 从上述的分析中可以得出以：擎z ：等z ，d d s 中m 就是硎 从上述的分析啊以得出以= 掣z = 爹z ， 中m 就是丌w 频率控制字，所以，f o ：! ：翟；堕( 0 f t w _ 1 6 0 m h z 的频率。当要求输出 高于1 6 0 m h z 频率时，将a d 9 9 5 6 产生的信号作为p l l 的鉴相参考频率，配以 外扩的滤波电路和v c o ，实现1 5 0 m h z i g h z 频率输出范围，其间，通过d d s 输出的参考信号的扫频功能和p l l 电路的线性跟踪性能，可以实现 1 0 m h z i g h z 范围内的扫频。 4 2 3 3 本方案的优势 1 、由铷原子钟提供的精准时钟，再配以窄带性能非常好的p l l 电路，保证了 系统输出信号的高稳定性。 2 、a d 9 9 5 6 的4 8 位频率控制字以及后级p l l 电路的良好的鉴相特性，给系统 带来了很高的分辨率。 船 上海人学硕 ：学位论文 3 、采用d d s 激励p l l 的组合方式，充分利用锁相环的窄带滤波性能，提高对 带外杂散的抑制度，降低杂散水平。同时芯片良好的噪声抑制能力，大大减 少了带内噪声。 4 、利用高集成度的d d s 、p l l 和v c o 芯片组合，简化和提高了整体屯路的可 实现性，由于集成芯片所保证的良好特性，避免了由于多器件设计时的不必 要的干扰，保证了整体电路的可靠性。 4 2 4 系统方案的论证 4 , 2 4 1 系统的频率范围 系统的频率范围要求覆盖1 0 m h z - 1 g h z ，设计中通过几个频率段的覆盖，理论 上完全满足了上述需求，并且保留一定的冗余度，各器件输出频率范围见下表： 表4 tv c o 频率范围表 输出频率段频率范围 d d s 输出频率缸 1 0 m h z 1 6 0 m h z v c o i 输出频率缸， 1 5 0 m h z 一2 8 0 m h z v c 0 2 输出频率厶 2 0 0 m h z 3 8 0 m h z v c 0 3 输出频率缸3 3 0 0 m h z - 5 2 5 m h z v c 0 4 输出频率缸4 5 0 0 m h 加1 0 0 0 m h z 4 2 4 2 系统的频率分辨率 系统的频率分辨率要求达到1 h z ，本次选择的d d s 芯片的频率控制字f 1 w 为4 8 位，所以，根据d d s 理论计算，系统的分辨率可以达到 矽= 刍= = 2 8 4 x 1 0 - 6 h z ，所以，即使在外扩v c o 的情况下，分辨率 也完全可以达到1 h z 甚至更高。 4 l j ：海大学硕t 学位论文 4 2 4 3 系统的扫频性能 这次的系统扫频功能要求步进可调，最小达到1 h z ，虽然a d 9 9 5 6 内部自 带扫频功能，但是由于其芯片内部核心控制单元的限制，自动扫频功能的频率 台阶不能达到i h z ，所以，本次设计采用外部m c u 控制其频率的缓慢变化来 达到步进1 h z 的扫频要求，此时的扫频台阶完全由d d s 输出频率的分辨率来 决定，再利用后续f l l 电路的良好的跟踪性能，可以实现在所设计的全频域内 的扫频。 4 2 4 4 系统的杂散指标 在前面的章节已经介绍过，p l l 系统是一个窄带的高q 值的系统，对于带 外的杂散的抑制能力也是相当好的，所以，d d s 部分的杂散是整个系统中杂散 最严重的，尤其是落在p l l 带内的部分，根据a d 9 9 5 6 的芯片资料中显示，其 宽带( 也就是奈奎斯特带宽) 杂散的最差指标为5 5 d b e ，但是由于落在p l l 带 外，所以指标基本不会变化。需要关注的是a d 9 9 5 6 的窄带杂散特性，其窄带 杂散指标最差点为一8 1 d b e ，这些杂散经过p l l 回路会被扩大n 倍，n 的最大值 为1 6 ，所以，频谱杂散的最差指标为一8 1 + 2 0 1 0 9 n 一8 1 + 2 0 1 0 9 1 6 = - 5 7 d b c ，所以， 可以满足频率杂散优于5 5 d b e 的要求。 4 3 本章小结 本章主要介绍了课题的技术指标、完整的系统方案以及此方案的优势，对 每个模块内芯片所关注的特性进行了分析和选型，通过所选芯片的技术参数， 对此方案的可行性进行了分析，为后续的实际电路设计在理论参数上给与支持。 i ：海人学顽i 二学位论文 第五章系统设计 5 1p l l 时钟模块电路设计 5 1 1 芯片性能简介 a d f 4 0 0 2 f 3 7 1 频率合成芯片通常用于产生信号接收和传输部分的本地时钟， 可以根据不同的时钟需求，来向上或者是向下合成信号频率。它是由低噪声的 鉴相器( p f d ) 、高精度的电流崩电路、可编程的参考时钟电路、n - 分频的输 入信号分频电路和r - 分频参考信号分频电路组成。在外部配以低通滤波电路 ( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 就是一个完整的p l l 回路了。 i - 一 i 图5 - 1a d f 4 0 0 2 内部结构图 a d f 4 0 0 2 的参考信号的频率范围为2 0 3 0 0 m h z ，反馈输入信号的频率范 围为5 枷m i - i z ，也就是说v c o 的输出反馈频率不得高于4 0 0 m i - i z ，但是，如 果外部配以分频电路的话。v c o 输出频率将不受芯片输入频率的限制，可以进 一步抬高输出频率。 a d f 4 0 0 2 的最高鉴相频率可达2 0 0 m h z ，再配以精确的电流崩，可以保证 v c o 输出的精准度，而且此芯片具有很低的相位噪声( 见图5 - 2 ) ，频响特性非 常好。 上海人学顾_ i ：学位论文 m m w 目k t 嘲 图5 - 2a d f 4 0 0 2 相位噪声示意图 其内部信号输入电路中的n 计数器为1 3 b i t ，分频范围可以从1 8 1 9 1 ，参 考信号分频电路中的r 计数器为1 4 - b i t ，分频范围为1 1 6 3 8 3 ，由此可以推出 v c o 的输出频率应该满足等式5 - 1 ： ， 州。等 5 。1 其中厶。为输入参考信号频率。 a d f 4 0 0 2 内部还配有一个输出信号选择电路，通过芯片於部管脚 m u x o u t 输出。在芯片调试和使用的时候可以进行内部信号的选择输出，以