基于DDS驱动PLL结构的宽带频率合成器设计

摘 要：结合数字式频率合成器(DDs)和集成锁相环(PLL)各自的优点，研制并设计了以DDS芯片AD9954和集成锁相芯片ADF4113构成的高分辨率、低杂散、宽频段频率合成器，并对该频率合成器进行了分析和仿真，从仿真和测试结果看，该频率合成器达到了设计目标。该频率合成器的输出频率范围为594～999 MHz，频率步进为5 Hz，相位噪声为-91 dBc／

    DDS的参考信号由晶振产生，其频率为fref。DDS输出的信号频率为fDDS，频率值由频率控制字(FTW)控制。锁相环(PLL)的参考信号由DDS的输出信号驱动。VCO的输出频率由PLL芯片的电荷泵(CP)输出，并通过低通滤波器(LPF)后控制。频率合成器的输出信号为VCO的输出信号。该频率合成器通过单片机提供控制信号，以改变DDS中FTW和PLL的分频比。
    VCO输出信号频率与DDS输出信号频率间的关系为：

   
    而DDS的输出频率由频率控制字K控制，且有：

   
    式中：M是DDS的相位累加器的位数；fref是DDS的内部时钟。这样，式(1)可以写成：

   
    在图1所示的结构中，由于DDS模块具有较高的频率分辨率，所以从式(3)可以看出，理论上输出信号具有比传统结构更高的频率分辨率。设计中晶振频率为400 MHz，PLL分频比为27。由式(3)计算可知，该频率源可以实现5 Hz的频率分辨率。其中DDS的输出频率为22～37 MHz，所以系统输出频率范围为594～999 MHz，达到了设计要求。
l.2 电路实现
    对于DDS模块，采用了AD9954芯片产生低频参考信号。AD9954是ADI公司最新的AgiIeRF合成器，具有32位的频率控制字。在400 MHz的时钟频率下，输出频率分辨率可以达到约4．7×10-5Hz，具有14位可编程移相单元。芯片采用了先进的：DDS技术，内部集成14位的高性能DAC。该DAC具备优秀的动态性能，相位噪声优于-120 dBc／

    PLL模块在该设计结构中尤为重要。在此采用ADF4113锁相环芯片。ADI公司研制的数字锁相频率合成器ADF4113，最高工作频率可达4 GHz，主要应用于无线射频领域，用以构成数字锁相环，锁定某一频率。该电路内部资源主要包括可编程的模分频器：8／9，16／17，3z／33，64／65；可编程的14位参考频率分频器；可编程的射频信号分频器；3线串行总线接口；模拟和数字的锁定状态检测功能。该芯片的最高鉴相频率达到55 MHz，芯片的底噪为-171 dBc／

2 电路分析与仿真
    为了分析和评估提出的频率综合器性能，采用ADISimPLL软件对该方案的相位噪声模拟仿真。仿真结果如图4，图5所示。这里给出频率为810 MHz，环路带宽为120 kHz的相位噪声仿真图形以及锁定时间图形，从图中可以看出，该方案满足了设计目标的要求。

3 实验及测量结果
    为了检验文中给出的频率综合器性能，使用Agi-lent E4401B对扫频源的相位噪声、杂散进行测量，测量结果如图6～图8所示。594~999 MHz包含了很多频点，测试时选择了一系列较有代表性的点进行测量，限于篇幅，这里给出810 MHz频点相位噪声和杂散的测量结果。由图可见，相噪为-92 dBc／

4 结语
    介绍了一种采用DDS激励PLL的频率合成器，有效地克服了宽带系统中DDS输出频率较低和PLL频率分辨率低的缺点。取长补短实现频率合成，实现了单一技术难以达到的效果。