L波段频率源设计

2011年2月1日第34卷第3期
现代电子技术
M odern Electro nics T echnique
Feb.2011V ol.34N o.3
L 波段频率源设计
王浩军,王景贤
(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)
摘 要:为了设计一个L 波段频率源,使其能够稳定输出,采用锁相倍频电路实现高频信号输出,通过Q 3236锁相环芯片实现。

利用有源比例积分滤波器实现环路滤波器的设计,给出了滤波器参数计算方法。

做了大量关于锁相环电路和环路滤波器电路的实验,反复调试得到电路稳定工作最佳状态。

最后给出了样机的测试结果,该频率源具有体积小、低功耗、低相噪及频率稳定性好等优点。

关键词:频率合成;倍频;锁相环;环路滤波器
中图分类号:T N74 34 文献标识码:A 文章编号:1004 373X(2011)03 0085 03
Design of L Band Frequency S ource
WA N G H ao jun,W A N G Jing x ian
(Chi na Airborne Missi le Academy,L uo yang 471009,China)
Abstract :T o desig n a L band fr equency synthesizer and make it st able,a scheme of using phase locked loo p frequency synthesis techno lo gy and Q 3236is desig ned.T he activ e pro po rtion integ ratio n filter is used as loo p filter and the par ameter ca lculatio n method of the loop filter is also g iven.M any experiments about P LL cir cuit and loo p f ilter cir cuit are perfo rmed,and a stable wo rking state is gained by repeated debugg ing.T he test r esults sho w that t he frequency so ur ce has the advantages of small size,lo w pow er co nsumption,low phase and noise and g oo d fr equency stability.
Keywords :frequency synthesis;fr equency mult iplication;phase locked loop;loo p filter
收稿日期:2010 08 12
0 引 言
频率合成器是以一个高精确度和高稳定的石英晶体振荡器为基准参考频率,通过加、减、乘、除四则运算,获得与石英晶体振荡器同样精确度和稳定度的频率源。

本文利用频率合成技术实现频率倍频,输出L 波段点频源。

利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制电路都可以构成倍频器
[1]。

也可以由锁相倍频电路实
现,该电路是一个闭环频率反馈系统,它主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和累加计数器构成,本设计采用这种方案。

目前出现了众多单片集成频率合成芯片,如美国QualCom m 公司的Q3236等,这种带有前置分频器和多个计数器的芯片,给锁相环电路的设计带来了极大的方便,为实现电路的小型化提供了可能。

下面对总体方案设计,Q3236芯片的功能,电路和环路滤波器设计逐一讨论。

1 方案设计
本设计采用对晶体振荡器输出的参考信号,直接锁
相倍频获得高频信号,再将高频信号放大到设计要求的
方案。

利用的是锁相频率合成技术,属于间接频率合成[2]。

整个倍频源基本由锁相倍频电路、放大和滤波电路组成,最重要的是锁相倍频电路。

锁相倍频电路利用锁相技术实现频率合成,锁相环(PLL)是其中的重要组成部分,实质上是一个相位负反馈自动控制系统。

基本由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)三部分组成[3]。

鉴相器用于比较两个输入信号相位,产生对应于两个信号瞬时相差的误差电压;环路滤波器具有低通作用,把鉴相器输出的误差电压滤波,滤除高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,提高系统稳定性;压控振荡器受误差电压控制,使得VCO 的输出频率向参考频率靠近,直到消除频差而锁定。

倍频源框图如图1所示。

图1 L 波段倍频源系统框图
设计采用QualComm 公司的高性能数字锁相环芯片Q3236,其内部集成有分频器、鉴相器和计数器。

鉴
相器在7M H z 频率上进行鉴相,可以提高鉴相灵敏度、缩短跳频时间。

2 硬件电路设计
2.1 锁相环的选择与使用
QualCom m 公司的Q3236是一种可在高达2GH z 频段工作的分频次数可编程的数字锁相环芯片,在正常工作状态下其功耗小于0.6W,工作电压为5V 。

其鉴相频率可达到100M H z [4]
,本设计鉴相器工作在7M H z,可应用于此项设计中。

Q3236主要电路性能为[5]:
(1)双模前置分频器(10分频或11分频);(2)9位M 和4位A 吞脉冲计数器,6位R 参考分频器;
(3)100M H z 数字鉴频/鉴相器,鉴相灵敏度为320mV/rad;
(4)单电源+5V 供电,功耗小于0.6W;
(5)具有宽的输入灵敏度范围,从-10~+3.5dB m 。

Q3236数字处理器接口有三种工作模式:直接并行输入模式、串行总线模式和8位总线模式。

因为设计的是输出固定频率的倍频源,不用跳频,于是采用直接并行输入模式,可以简化设计。

设置BUSM ODE = H IGH ,Q3036MODE= LOW ,6位R 参考分频器的R 4,R 5不用,9位M 计数器的M 7,M 8不用,R 分频器和M 计数器直接由外部输入。

Q3236可提供的程序分频器分频比:对直接并行模式,当小于300M H z 时,为2~128;当小于2GH z,为90~1295。

对外接的晶振,可提供的参考分频比为:直接并行模式1~16。

Q3236有加前置分频器和非预分频两种工作状态。

工作在非预分频状态时VCO 输出频率最高可达300MH z,在前置分频器状态时VCO 输出频率最高可达2.0GH z 。

因为频率源输出1372M H z,所以设计采用前置分频器、直接并行输入模式。

参考分频器分频比编程只使用R 0~R 3位。

F ref /F PD =R +1;即35MH z/7M H z=5,对参考输入信号35M H z 进行5分频,所以R =4。

R 0,R 1= Low ,R 2= H ig h ,R 3= Low 。

压控振荡器输出的高频信号1372M H z 利用M 和A 计数器进行N 分频,N =F V CO /F PD =10*(M +1)+A,A M +1,M 0。

N=F VCO /F PD=1372/7=196;M =integer {N /10}-1=18;
(M 0= L ow ,M 1= H igh ,M 2,M 3= L o w ,M 4= H ig h ,M 5,M 6= L o w )
A=N-(10*(M +1))=6
(A 1,A 2= High ,A 0,A3= L ow )
Q3236具体电路图如图2所示。

图2 Q 3236电路图
2.2 环路滤波器设计
锁相倍频源的核心部分是环路滤波器的设计,因为环路滤波器的传输函数直接决定了整个环路的传输函数。

从而在很大程度上决定了环路的噪声性能、稳定性、捕获和跟踪性能等[6]。

Q3236需要外接环路滤波器和压控振荡器才能构成一个完整的频率综合器。

常用的环路滤波器是一个线性低通滤波器,它可以滤除误差电压中的高频分量和噪声。

常用的有RC 积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。

由传递函数可知,有源比例积分滤波器具有两个独立可调整的参数,并且具有滞后 超前特性,有利于环路稳定
[7]
,于是本设计利用低噪声运放OP27及R,C 元
件组成一阶有源比例低通滤波器实现,主要参数是环路带宽和相位裕量等。

(1)环路带宽
环路带宽(F n )是指开环传递函数幅度等于1时的频率,是环路滤波器设计的关键指标[8]。

如果锁相环的抖动主要由外部信号噪声引起,那么环路带宽应该越窄越好,这样可以抑制外部信号噪声,尤其是参考信号中的噪声;如果需要有效抑制压控振荡器的噪声,并且获得良好的跟踪和捕获性能,环路带宽应越宽越好。

需要折中考虑,环路带宽一般取跳频间隔的1/60,鉴相器跳频间隔7MH z,所以F n =100kH z,硬件调试
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时可以根据需要调整。

(2)相位裕量
相位裕量( c )是指在开环传递函数幅度等于1时的相位相加180 的和。

它与系统稳定性有关,相位裕量选择越低,系统越不稳定,相位裕量选择越大,系统越稳定,但系统的阻尼振荡越小,即以增加锁定时间为代价[9]。

要考虑适合的相位裕量,一般是40~55 之间,最优选相位裕量 c =45 。

为了将环路性能调到最佳,R 1/2和电阻R 2可选用相应阻值的电位器。

环路滤波器电路图如图3所示。

采用频率补偿技术,在放大器外部增加一个补偿极点,由R 1,C c 组成低通实现,在保证一定增益裕度或相位裕度的前提下获得较大的环路增益。

电阻R 1分开成两个R 1/2,
避免相位检测出现电压偏差。

图3 环路滤波器电路图
2.3 环路滤波器参数计算
锁相环的系统性能归结起来可以用三个重要参数:环路增益K 、阻尼系数 及固有振荡角频率 n 来表征,这些参数按应用的要求而定,并决定着系统的整个设计。

(1)环路增益K
它决定着系统的捕捉带、稳态误差和开环寄生相移。

从噪声抑制来讲,希望大的K (鉴相器增益)和小的K v (VCO 压控灵敏度),因为V CO 的控制输入端是系统对噪声最敏感之处。

K =0.302V/rad
K v =2 (30M H z/V)=2 30 106rad/V (2)阻尼系数
阻尼系数越大,系统的超调量和过渡振荡常数越小,系统越稳定。

但当系统工作在过阻尼状态时, 的增大将增加过渡时间,降低系统的跟踪速度,一般选取0.5< <1。

= n T 2/2, 取最优值0.85,时间常数T 2=R 2C 。

(3) n 选取
n 决定着系统的环路带宽F n 、噪声带宽B L 、捕捉带和捕捉时间, n 越大则F n ,B L 越大,则系统的捕捉时间和过渡过程时间变短,即系统反应迅速,但系统抑制
噪声的能力下降
[10]。

固有振荡角频率为:
n =
K v K N T 1
n =2 F n =2 100krad/s
C c 的引入主要是为滤除鉴相器产生的谐波,避免鉴相器出现电压偏差。

其引入的极点应远离主极点,一个原则是F c >10F n ,其中F c =1/2 T c ,T c =R 1C c /4,是R 1/2,C c 低通滤波器引入的极点。

即 c =4/R 1C c >10 n ,于是C c <4/(10 n R 1)。

如果C =4700pF,可以计算出R 1,R 2,C c :R 1=K v K /( n 2
NC)=306 ,其中,N =196是锁相环分频次数;
R 2=2 /( n C)=576 ;C c <4/(10 n R 1)=2000pF 。

3 实验结果
按照以上设计研制出了功能样机,用频谱分析仪测试输出信号频率特性,杂散抑制如图4所示,输出频谱如图5所示。

图4 杂散抑制
图5 输出信号频谱
4 结 语
本文利用集成锁相频率合成芯片Q3236实现的
L 波段频率源具有结构简单、体积小、功耗低、相位噪声低等特点。

为了得到低噪声、高稳定度的频率,应选择具有高稳定度、低相位噪声的参考源,鉴相器、压控振荡器都必须选择低噪声器件[9]。

随着频率综合技术、集成电路技术以及工艺的不断发展,单片集成频率综合器也正在向更大规模、更高速度的方向发展。

(下转第92页)
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第3期
王浩军等:L 波段频率源设计
下接头盒的操作:
将导引光缆从1.7m处去掉外皮,注意不要损伤光纤;
打开下接头盒上盖,首先将导引光缆从与光缆相匹配的铝套管中穿过套到距端面1.6m的地方,并从下接头盒 引出缆导管 内穿过,并用 引出缆导管 上的紧固螺丝固定好导引光缆;
分别向 引出缆导管 两端内及铝螺帽、铝堵内加一定量、足够多的密封胶,立即拧好,做好密封处理;
按照常规光纤进行熔接接续工作;
检查密封圈应完好无损,盖好下接头盒上盖,拧紧螺丝;
将已接续好的接头盒安装固定在杆、塔的适当位置,将余缆固定在同相导线的金具上。

4 结 语
将OPPC作为普通相线架设在输变电线路中,既可以避免OPGW遭雷击而发生的断股、断纤等致命问题,同时又可以避免ADSS外护套发生的电化学腐蚀。

电力系统通信行业引入光纤复合架空相线(OPPC)光缆,不仅可以填补OPGW和ADSS光缆的应用空白,如线路本身无地线、对地安全距离受限、交叉跨越限制等,而且可以将电力光缆的应用从输电网络延伸到配电网络,使光纤通信能够覆盖所有电网,提高电力系统通信的安全性、可靠性[7]。

随着电力光纤通信网建设逐渐从骨干网向中低压城农网发展[8 9],国内对OPPC光缆的应用需求有所增加。

作为一种新兴电力系统通信解决方案,OPPC光缆有其自身的技术特点,它将与OPGW光缆、ADSS光缆等发挥各自优势。

电力用户也将根据不同线路特点选择技术经济更优的产品和服务,为我国电力系统通信行业的健康发展贡献力量。

参 考 文 献
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作者简介:王学力 男,1981年出生,福建福州人,研究生,工程师。

主要从事电力通信工作。

(上接第87页)
参 考 文 献
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作者简介:王浩军 男,1977年出生,陕西富平人,硕士,助工。

主要研究方向为接收机与信号处理。

王景贤 男,1955年出生,河南滑县人,研究员。

主要研究方向为接收机与信号处理。

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