一种基于DDS和PLL技术本振源的设计与实现

0 引 言
    频率合成技术作为现在电子系统中的一种关键技术，已广泛应用于通信、雷达、电子对抗、定位导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域并得到了快速的发展，它是用一个或多个高稳定、高精确度的标准频率源作为参考，通过对频率进行加、减、乘、除等一系列变换，从而产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。频率合成器的实现方式有4种：直接模拟频率合成器(DAS)、锁相环频率合成器(PLL)、直接数字频率合成器(DDS)和混合结构(PLL+DDS)。其中，第1种已很少使用，第2～4种都有广泛的使用。应根据频率合成器的使用场合、指标要求确定具体使用哪种方案。
    随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求越来越高，对相位噪声、频率转换时间、频率分辨率、相对工作带宽、体积及功耗等多种指标也提出了更高的要求。在某项课题研究中，根据接收机的结构，接收机需要频综部分提供一个1 514 MHz(77 200 MHz／51△1 514 MHz)的下变频本振信号，为实现载波同步，需要快速地调整下变频本振信号的频率、相位，其频率调整范围不大，在10 MHz以内。如果单独选用锁相环频率合成器(PLL)，则可实现结构简单、体积小、易于集成、调试方便、杂散低等优点，但是频率转换时间相对较长，而直接数字频率合成器(DDS)是一个全数字化的系统，具有易于集成、极快的跳频速度、极高的频率分辨率和频率切换时相位连续等优点，缺点就是杂散比较大、输出频率低。所以根据这两种频率合成器的特点，本文采用DDS和PLL相结合，利用DDS作为参考信号源，以DDS激励PLL的频率合成方案。

1 系统原理
    以DDS激励PLL的基本原理组成框图如图1所示，采用高稳定的石英晶体振荡器作为DDS的参考时钟源；通过FPGA把频率控制字和相位控制字写入DDS内部的寄存器中，DDS便可以产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出；然后把DDS的输出信号作为PLL的参考信号；最后根据期望输出的信号频率，设定分频器的分频比N，便得到了频率为DDS输出频率N／R倍的时钟信号。
    这种结构利用DDS的高分辨率保证了足够小的频率步进，同时PLL的带通特性很好地抑制了DDS输出频谱中的部分杂散。该方案实现了DDS和PLL的优势互补，兼顾了各个方面的性能，所以此方案实现的本振源做到了比较高的频率、较快的频率转换速度和较高的频率分辨率，同时也很好地保证了系统杂散和相位噪声性能。

2 电路设计
    本设计系统的整个电路主要包括两大部分，即DDS部分和PLL部分。
2．1 DDS部分
    DDS部分的时钟输入选用100 MHz的恒温晶体振荡器；DDS部分的核心采用美国AD公司生产的大规模集成芯片AD9954，它是用先进的DDS技术开发的高集成度DDS器件，内置高速、高性能D／A转换器及超高速比较器，可作为数字编程控制的频率合成器，能产生0～160 MHz的正弦波信号。AD9954内含1 024×32 b静态RAM，利用该RAM可实现高速调制，并支持几种扫描模式。AD9954可提供自定义的线性扫描操作模式，通过AD9954的串行I／O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。其应用范围包括灵敏频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫描系统的FM调制源以及测试和测量装置等，其内部结构如图2所示。

    DDS电路设计应遵循的主要原则是使其输出信号具有较好的控制时序、较低的相位噪声和窄带杂散，其次是正确的电路铺设和连接，DDS的外围电路并不复杂，主要由低压差稳压电源NCP1117和低通滤波器SCLF-30等组成。AD9954频率控制字为32位，在本应用中系统工作时钟为100 MHz，输出时钟的频率分辨率△f1=100 MHz／232=0．023 Hz。AD9954相位控制字为14位，输出时钟的相位分辨率△φ1=360°/214=0.022。
2．2 PLL部分
    PLL部分主要包括预分频器、分频器、鉴相器、环路滤波器和’VCO。根据设计需要采用锁相环频率合成器集成芯片ADF4112，它集成了预分频器、分频器、鉴相器等各种重要部件，如图3所示。它由一个低噪声数字鉴相器、一个高精度电荷泵、一个可编程参考分频器(R分频器)、一个可编程A，B计数器以及一个双模分频器P／P+1组成。6位A计数器、13位B计数器与双模分频器P／P+1共同组成了N分频器，分频比N=BP+A。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。该芯片的主要性能特点如下：
    工作电压：2．7～5．5 V，同时还提供外部可调的电荷泵电压调节功能；最高鉴相频率为55 MHz，最高RF输入频率达3 GHz；具有四组可编程双模分频器8／9，16／19，32／33，64／65；内置可编程电荷泵电流和可编程反冲脉宽功能；编程控制采用3线串行接口；能够进行模拟和数字锁定检测；软、硬件断电模式；具有良好的相位噪声参数。

    该芯片的高集成性能，使其只需外加一个环路滤波器和压控振荡器(VCO)，就可以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，输出频率fVCO=(PB+A)fREFIN／R，其中fREFIN为参考频率，频率步进等于fREFIN／R。芯片使能端CE直接与电源连接，鉴相频率取1．96 MHz，DDS输出的100／3 MHz从REF输入，参考分频比R=17；VCO分两路输出，一路作为频综输出，另外一路输出至ADF4112的RF端，经N分频后与来自R分频器的参考频率进行鉴相并产生一个误差信号，该误差信号从CP输出经有源三阶环路滤波后驱动VCO，最终锁定在1 514 MHz的频点上。调整环路滤波电路中的电阻和电容可以改变环路参数，阻尼系数取0.707。这里分频比N=1 514／[(100／3)／R]=772，P取8，R为17，由N=BP+A得B=96，A=4。4个24位锁存器的初始化设置如下：
    FUNCTIN锁存器：0x0C 0xA0 0x92；
    INITIALIZATION锁存器：0x0C 0xA0 0x93；
    R计数锁存器：0x10 Ox00 Ox44；
    AB计数锁存器：0x00 0x60 0x11。
    环路滤波器电路是锁相环电路中较重要的一个部分，它的性能好坏直接关系到锁相输出的相位噪声和杂散指标。它可以由AD公司提供的PLL仿真软件ADIsimPLL ver 3．O直接生成，根据设计要求，采用三阶无源超前滞后滤波器，各项参数设置如下：输出频率设为1．513 725 49 GHz，N为772，鉴相频率设为1．960 784 31 MHz，压控振荡器增益KVCO设为25．9 MHz／V，环路带宽设为10 kHz，相位裕量设为45°，最终生成电路如图4所示。

    压控振荡器部分的芯片选取主要考虑以下几个方面：具有一定的压控灵敏度；控制特性的线性好；开环相位噪声低；频率稳定度高等。基于以上原因，选取Mini-circuits公司的宽带低相噪器件ROS-1540-419+，其主要技术性能如表1所示。

3 结果分析
    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。PLL相位噪声主要由三部分组成：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。根据PLL仿真软件ADIsimPLL ver 3．0的仿真结果，得出系统在10 kHz处相位噪声指标为-91．96 dBc／Hz，与实验所得结果比较接近；DDS的杂散主要是由于相位舍位造成的相位截断杂散、幅度量化误差造成的杂散以及由于DAC非线性引起的杂散，经过实际测量杂散优于-65 dBc；系统输出时钟的频率分辨率=DDS输出的频率分辨率×(N／R)=0．023×(772／17)=1．044 Hz；DDS的配置时间约为32×4+24×(1／100)=368 ns；PLL的锁定时间约为619μs；最终输出频率为1 513．796 MHz。
    用频谱仪测得的合成器输出频谱图如图5所示。

4 结 语
    实验表明：本设计采用DDS激励PLL的频率合成方案产生的1 514 MHz的本振源，频率稳定、可靠，满足了系统高精度和宽频带的需要，而且该电路可以通过仿真确定电路参数，通过FPGA控制输出频率，调试简单，性能稳定。采用DDS+PLL的频率合成技术综合了DDS和PLL各自的优点，具有优良的技术性能，在工程中已得到了广泛的应用。