基于单片机和LMX2485的微波信号源发生器的设计

随着微波应用的发展，微波信号源在通信或仪器中得到了广泛的应用。信号源的合成技术按合成方法可分为直接合成和间接合成两种，按形式可分为直接式频率合成、锁相式频率合成和直接数字式频率合成[1-2]。直接式频率合成的特点是频率转换时间短、输出相位噪声小、工作频率高，并能产生任意小的频率间隔；缺点是采用了大量倍频、分频、混频和选频滤波器，不仅体积重量大、成本高，而且输出纹波、噪声和寄生频率均难以抑制。锁相式频率合成主要采用数字锁相法，其主要优点是锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制输入信号的寄生干扰的能力， 避免了大量使用滤波器，有利于集成化和小型化。直接数字式频率合成的优点是分辨率高、容易做到极低的频率、控制灵活等，但它面临输出频率上限难以提高和寄生输出难以抑制两个难题。因此，对于微波、毫米波信号源的合成应主要采用数字锁相方式，并基于大规模专用集成芯片来设计。本文提出一种用单片机控制的智能微波信号源发生器，以美国国家半导体公司的低功耗、高性能的δ-∑小数分频数字锁相环电路LMX2485[3]和YTO为核心，并通过单片机C8051F120控制。应用该电路产生4~7 GHz的频率源，再通过倍频器实现8~14 GHz应用所需的信号。应用这种方法实现的微波信号源发生器成本低、体积小、性能好，具有很高的实用价值。

1 LMX2485功能介绍

LMX2485是美国国家半导体公司的一款低功率、高性能的δ-∑小数分频数字锁相环电路，其频率范围可达50 MHz~3 GHz。采用全新δ-∑结构，可以将其低频段的杂散和相位噪声推移到更高频段，从而使得电路所需频段的杂散和噪声更小[4]。δ-∑调制器可供四级选用，可以兼顾应用的不同需要，如对相位噪音、假信号抑制能力以及锁定时间的要求，确保系统可以充分发挥其性能。开发时只需加设极少低成本的外置元件，有助于缩短设计时间，减低系统成本。其工作原理如图1所示，输出频率f0经小数分频(÷N.F)后得到参考频率f1，鉴相器通过比较f1和参考频率的相位，控制输出鉴相电流或电压，通过低通滤波后控制压控振荡器改变输出频率，最终达到两者相位相同即锁定，由此得到f0/N.F=f1=fref，即输出频率，如式(1)所示。通过单片机控制N.F，就可以得到用户需要使用的频率。
f₀=f_ref×N.F (1)

2 系统方案设计

系统设计要求信号源产生8~14 GHz的微波源，频率分辨率为100 Hz。采用LMX2485小数分频数字锁相环，外置调谐振荡器采用YTO(YIG调谐振荡器)，YTO具有很宽的频率调谐范围、良好的调谐线性、低相噪、温度特性好、失谐隔离高、调谐速度快，因此得到广泛运用。系统总体方案如图2所示。其中LMX2485 PLL的设置及YTO的电压偏置控制由单片机进行，ADC7545用于控制YTO的预调电压即主线圈电压，环路滤波器输出控制YTO的副线圈电压。

2.1 分频器设计

LMX2485内部设有22位的分数模数寄存器，程序分频寄存器有：RF_N(10:0)表示N.F的整数部分，RF_FN(21:0)表示N.F小数部分的分子，RF_FD(21:0)表示N.F小数部分的分母，RF_R(5:0)为参考分频器。对于本例信号源发生器，要求输出频率为8~14 GHz，频率分辨率为100 Hz。采用4~7 GHz YTO，在输出级加上2倍频电路，环路中加入HMC433四分频电路。系统采用高精度温补10 MHz晶振，片内使用倍频控制，RF_R固定为1，RF_FD固定为4 000 000，则按照式(1)，本信号源输出频率为式(2)，公式中乘以8是由于环路中增加了四分频电路和最终输出端增加了倍频器。当RF_N=50，RF_FN=0时，锁相环频率为1 GHz，系统输出频率为8 GHz。当RF_N=87，RF_FN=2 000 000时，锁相环频率为1 750 MHz，系统输出频率为14 GHz。本方案的系统分辨率为20 MHz/4 000 000×8=40 Hz，满足应用要求。RF_N的选择范围为50~87，RF_FN的选择范围为0~3 999 999。单片机配置LMX2485采用IO控制，其配置时序如图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 数字鉴相器

鉴相器集成在LMX2485芯片内部，采用小数分频，最大鉴相频率限于50 MHz，实际使用20 MHz。设计鉴相频率需要折中考虑，如果鉴相频率太高，虽然相位噪声可以降低，但锁定时间会延长很大，同时频率分辨率性能降低。鉴相器电路后是充电泵，其输出为高阻电流，经过外置滤波电路输出频率控制信号，再经过YTO驱动电路驱动YTO产生所需频率。芯片内有一数字锁定检测电路和检测算法，当检测到环路锁定时，输出锁定指示为1。

2.3 YTO及驱动

YTO由于具有比VCO更好的性能因此在微波仪器中得到