摘 要： 介紹了一種用單片機控制的智能微波信號源發生器，以美國國家半導體公司的低功率、高性能的δ-∑小數分頻數字鎖相環電路LMX2485和YTO為核心構成。微波信號源的工作頻率范圍為8~14 GHz，頻率分辨率為40 Hz。分析了設計方案及實現過程中的關鍵技術，給出了部分實驗結果。
關鍵詞： 數字鎖相環；信號源發生器；微控制器；LMX2485
隨著微波應用的發展，微波信號源在通信或儀器中得到了廣泛的應用。信號源的合成技術按合成方法可分為直接合成和間接合成兩種，按形式可分為直接式頻率合成、鎖相式頻率合成和直接數字式頻率合成[1-2]。直接式頻率合成的特點是頻率轉換時間短、輸出相位噪聲小、工作頻率高，并能產生任意小的頻率間隔；缺點是采用了大量倍頻、分頻、混頻和選頻濾波器，不僅體積重量大、成本高，而且輸出紋波、噪聲和寄生頻率均難以抑制。鎖相式頻率合成主要采用數字鎖相法，其主要優點是鎖相環相當于一個窄帶跟蹤濾波器，具有良好的窄帶跟蹤濾波特性和抑制輸入信號的寄生干擾的能力， 避免了大量使用濾波器，有利于集成化和小型化。直接數字式頻率合成的優點是分辨率高、容易做到極低的頻率、控制靈活等，但它面臨輸出頻率上限難以提高和寄生輸出難以抑制兩個難題。因此，對于微波、毫米波信號源的合成應主要采用數字鎖相方式，并基于大規模專用集成芯片來設計。本文提出一種用單片機控制的智能微波信號源發生器，以美國國家半導體公司的低功耗、高性能的δ-∑小數分頻數字鎖相環電路LMX2485[3]和YTO為核心，并通過單片機C8051F120控制。應用該電路產生4~7 GHz的頻率源，再通過倍頻器實現8~14 GHz應用所需的信號。應用這種方法實現的微波信號源發生器成本低、體積小、性能好，具有很高的實用價值。
1 LMX2485功能介紹
LMX2485是美國國家半導體公司的一款低功率、高性能的δ-∑小數分頻數字鎖相環電路，其頻率范圍可達50 MHz~3 GHz。采用全新δ-∑結構，可以將其低頻段的雜散和相位噪聲推移到更高頻段，從而使得電路所需頻段的雜散和噪聲更小[4]。δ-∑調制器可供四級選用，可以兼顧應用的不同需要，如對相位噪音、假信號抑制能力以及鎖定時間的要求，確保系統可以充分發揮其性能。開發時只需加設極少低成本的外置元件，有助于縮短設計時間，減低系統成本。其工作原理如圖1所示，輸出頻率f0經小數分頻(÷N.F)后得到參考頻率f1，鑒相器通過比較f1和參考頻率的相位，控制輸出鑒相電流或電壓，通過低通濾波后控制壓控振蕩器改變輸出頻率，最終達到兩者相位相同即鎖定，由此得到f0/N.F=f1=fref，即輸出頻率，如式(1)所示。通過單片機控制N.F，就可以得到用戶需要使用的頻率。
f0=fref×N.F (1)
2 系統方案設計
系統設計要求信號源產生8~14 GHz的微波源，頻率分辨率為100 Hz。采用LMX2485小數分頻數字鎖相環，外置調諧振蕩器采用YTO(YIG調諧振蕩器)，YTO具有很寬的頻率調諧范圍、良好的調諧線性、低相噪、溫度特性好、失諧隔離高、調諧速度快，因此得到廣泛運用。系統總體方案如圖2所示。其中LMX2485 PLL的設置及YTO的電壓偏置控制由單片機進行，ADC7545用于控制YTO的預調電壓即主線圈電壓，環路濾波器輸出控制YTO的副線圈電壓。
2.1 分頻器設計
LMX2485內部設有22位的分數模數寄存器，程序分頻寄存器有：RF_N(10:0)表示N.F的整數部分，RF_FN(21:0)表示N.F小數部分的分子，RF_FD(21:0)表示N.F小數部分的分母，RF_R(5:0)為參考分頻器。對于本例信號源發生器，要求輸出頻率為8~14 GHz，頻率分辨率為100 Hz。采用4~7 GHz YTO，在輸出級加上2倍頻電路，環路中加入HMC433四分頻電路。系統采用高精度溫補10 MHz晶振，片內使用倍頻控制，RF_R固定為1，RF_FD固定為4 000 000，則按照式(1)，本信號源輸出頻率為式(2)，公式中乘以8是由于環路中增加了四分頻電路和最終輸出端增加了倍頻器。當RF_N=50，RF_FN=0時，鎖相環頻率為1 GHz，系統輸出頻率為8 GHz。當RF_N=87，RF_FN=2 000 000時，鎖相環頻率為1 750 MHz，系統輸出頻率為14 GHz。本方案的系統分辨率為20 MHz/4 000 000×8=40 Hz，滿足應用要求。RF_N的選擇范圍為50~87，RF_FN的選擇范圍為0~3 999 999。單片機配置LMX2485采用IO控制，其配置時序如圖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 數字鑒相器
鑒相器集成在LMX2485芯片內部，采用小數分頻，最大鑒相頻率限于50 MHz，實際使用20 MHz。設計鑒相頻率需要折中考慮，如果鑒相頻率太高，雖然相位噪聲可以降低，但鎖定時間會延長很大，同時頻率分辨率性能降低。鑒相器電路后是充電泵，其輸出為高阻電流，經過外置濾波電路輸出頻率控制信號，再經過YTO驅動電路驅動YTO產生所需頻率。芯片內有一數字鎖定檢測電路和檢測算法，當檢測到環路鎖定時，輸出鎖定指示為1。
2.3 YTO及驅動
YTO由于具有比VCO更好的性能因此在微波儀器中得到廣泛的應用。YTO內部具有主副線圈，相應地外部需要主線圈驅動電路和副線圈驅動電路，主線圈引起頻率的大范圍變化，副線圈帶動頻率的微小變化，從而獲得更好的性能。主線圈驅動電路的控制電壓由單片機按式(3)計算出相應的電壓，再通過DAC7545進行設置，式中k、f0是常量，由YTO特性確定。
f=kV+f0 (3)
YTO的副線圈是為了YTO輸出頻率的微小變動，因此副線圈控制電壓由鑒相器輸出的兩路頻率相位差值再通過環路濾波后的電壓來控制，從而達到輸出信號源的頻率和參考晶振頻率有固定的相位關系，也即使得鎖相環鎖定在固定的頻率上。
3 硬件設計
信號源發生器硬件系統主要包括單片機控制系統和鎖相環系統兩部分。
3.1 單片機控制系統
單片機主要實現人機接口和鎖相環控制，采用C8051F120，其內核為100 MIPS的8051微控制器。通過SPI接口和人機接口芯片ZLG7289獲得輸入的頻率值，按照該頻率值計算鎖相環LMX2485對應的寄存器值，然后使用IO管腳按照圖3所示時序進行LMX2485的三線配置，LMX2485自動進行鎖相跟蹤，最終鎖定于設置的頻率值。頻率值及鎖定結果通過ZLG7289顯示。
單片機針對輸入的頻率值計算YTO主線圈對應的控制電壓，通過D/A芯片AD7545輸出。AD7545是12 bit分辨率的單電壓控制CMOS數模轉換芯片，參考電壓設為12 V，單片機通過并行接口即可方便地進行控制。YTO副線圈電壓由鎖相環的環路輸出控制來實現。
人機交互電路主要實現信息的輸入、數據顯示及警示作用，采用ZLG7289實現，其內部包含數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理電路，可直接驅動8位共陰式數碼管或64個獨立LED，同時還可以掃描管理多達64個按鍵，采用SPI 串行總線與單片機接口。本系統頻率最大為14 GHz，因此采用兩個ZLG7289并接實現。
3.2 鎖相環電路
鎖相環、四分頻等部分電路如圖4所示，LMX2485通過三線和單片機相連，參考頻率由高穩溫補晶振提供。YTO輸出頻率通過四分頻電路HMC433進行四分頻后進入LMX2485的射頻輸入。兩路信號通過內部鑒相器鑒相，充電泵輸出后，再通過外部環路低通濾波器和運算放大器OP07去控制YTO小線圈驅動。
具體實現時，由于工作頻率較高，電路板需要四層以上。
4 軟件設計
本系統軟件主要接收信號源發生頻率的輸入，經單片機計算后配置LMX2485小數分頻數字鎖相環電路和YTO主線圈驅動電壓的D/A控制，然后經過鎖相環電路的跟蹤鎖定，使得YTO輸出需要的頻率。其軟件框圖如圖5所示。
系統輸出頻譜如圖6(a)所示，當采用四層電路板設計，并且調整相關放大器輸入、輸出匹配等問題后，效果更好，如圖6(b)所示。
本文介紹的微波信號源發生器，使用單片機控制低功率、高性能的δ-∑小數分頻數字鎖相環和相應的驅動電路來控制調諧振蕩器(YTO)的輸出，用這種技術實現的信號源發生器可以帶來頻率準確度和穩定度高、誤差小、操作控制方便等優點，因此具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 余海濤.基于MAX038的智能固態掃頻式微波信號源的設計[J].半導體技術，2003(3):70-73.
[2] 孫悅，尹成群，黃怡然.基于ML2035低頻正弦信號發生器的設計[J].現代電子技術，2008(21):106-108.
[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]. http://www.national.com/ds/LM/LMX2485.pdf.
[4] 周井泉，程景清．基于Σ-△調制的頻率合成器及性能．南京郵電學院學報，1997(3):105-111.