新型频率源的设计 

在上一节中介绍了利用 DDS 与 PLL 外混频设计的频率合成器,虽然此方案可以克服电压调制 VCO 方案中非线性度的缺点,但限于 DDS 技术还远远无法达到设计要求的频率,须经过一系列的上变频与倍频处理,电路复杂,所需芯片较多,成本高,不利于广泛应用。考虑到这些因素,下面将利用 PLL 芯片 ADF4159 来设计一种新型的频率源,不仅具有以上方法的高线性度、高频率分辨率、高频率、对杂散抑制较强等优点,而且在此方案中 DDS 不再使用,电路简单,成本较低。是 FMCW 雷达信号源的理想解决方法之一。 

项目指标要求 

根据 FMCW 测距原理以及实际系统的需求,确立本次频率源设计的指标: 

输出频率:24GHz~25GHz 

频率步进:50k Hz 

频率分辨率:小于 10Hz 

线性度:小于 0.01% 

调频周期:16ms 

相位噪声:优于-90d Bc/Hz@100k Hz 

           优于-105d Bc/Hz@1MHz 

系统方案设计 

如图 4-4 为该系统方案框图。 

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该方案系统主要由两部分构成,一是以 ADF4159 为核心的小数分频频率合成器部分,通过对芯片的设置来对整个源部分的输出进行控制;二是 PLL 环路部分,结合 ADF4159,通过环路滤波器和带有二分频器的 VCO 输出 24GHz~25GHz 步进20k Hz 的扫频频率。该方案有以下几点优势: 

1、该方案的核心是一个频率合成器芯片ADF4159,其片内具有FMCW扫频功能,由其构成的PLL环路即可满足频率源调频要求,设计过程不再需要DDS部分,简化了电路,并使成本降低。

2、方案应用了PLL环路,可以充分利用PLL的窄带滤波特性,提升带外杂散的抑制程度,进而降低杂散水平。

3、ADI公司自带的PC端软件可对ADF4159直接进行设置,无需另外的单片机控制以及编程,使控制更加便捷灵活。

芯片 ADF4159 介绍

ADF4159 基本介绍 

ADF4159是一种RF频率高达13GHz的PLL频率合成器,在ADF4159上的鉴频鉴相器最高频率可达110MHz,功耗低于100mW;内置高分辨率25位小数N分频模数和片内FMCW斜坡发生功能,这使其非常适合频率调制连续波(FMCW)雷达功能,包括汽车雷达系统、微波点到点(PtP)系统、通信仪器和测试设备。

如图4-5所示,ADF4159由低噪声数字鉴频鉴相器(PFD)、精密电荷泵和可编程参考分频器组成。该器件内置一个-A型小数插值器,能够实现可编程小数N分频。INT和FRAC寄存器可构成一个总N分频器(N=INT+(FRAC/225))。

image.png

图 4-5 ADF4159 内部结构框图 

ADF4159 是一款具有调制、以及快速和慢速波形产生能力的 13GHz 小数 N 分频频率合成器,该器件使用25位固定模数,提供次赫兹频率分辨率。ADF4159可用于实现频移键控(FSK)和相移键控(PSK)调制。还有一些可用的频率扫描模式,可在频域内产生各种波形,例如锯齿波和三角波。扫描可以设置为自动进行,也可以设置为通过外部脉冲手动触发每个步骤。ADF4159具有周跳减少电路,可进一步缩短锁定时间,而无需修改环路滤波器。所有片内寄存器均通过简单的三线式接口进行控制。ADF4159采用2.7V至3.45V模拟电源和1.62V至1.98V数字电源供电,不用时可以关断。

ADF4159工作原理

ADF4159由单频模式、频率调制模式和中断模式,它能够在频域内产生五种波形:单一斜坡突发脉冲、单一三角突发脉冲、单一锯齿突发脉冲、连续锯齿斜坡和连续三角斜坡。在本次设计中,主要应用的是ADF4159产生连续三角斜坡的特性,并以此来介绍ADF4159的工作原理。

由图4-5可知,ADF4159由低噪声数字鉴频鉴相器(PFD)、精密电荷泵和可编程参考分频器组成。如图4-6为RFINT分频器结构图,

image.png

ADF4159具有25位固定模数。此模数输出频率间隔分辨率为:

FRES=FPFD/225      (4-1)

其中PFDf 是鉴频鉴相器(PFD)的频率。例如,PFD频率为100MHz时,可实现2.98Hz的频率步进。

利用INT和FRAC的值以及R分频器,可以产生间隔为鉴频鉴相器(PFD)的分数的输出频率。

VCo的输出频率公式为:

image.png

其中:RFour是外部电压控制压控振荡器(VCO)的输出频率;INT是12位分频器的预设分频比(23至4095);FRAC是小数分频的分子(0至25-1)。PFD频率(frfo)公式为:

image.png

其中:REFM是基准输入频率;D是REFN倍频器位(0或1);R是二进制5位可编程参考分频器的预设分频比(1至32);T是REFN2分频位(0或1)。

图4-7为斜坡信号产生的示意图。定义斜坡的关键参数有:频率偏差;超时间隔;步进数。

image.png

image.png

其中:CLK,和CLK,12位时钟值(寄存器R2中的12位CLK,分频器和寄存器R4中的12位CLK,分频器)。对于斜坡分频器,寄存器R4中的位DB[20:19]必须设为11。fero为PFD频率。CLK,或CLK,必须大于1,即不允许CLK,=CLK2=1。

(4)步进数:

20位步进值定义了发生跳频的次数。从起始值起,INT值的递增幅度不得超过28=256。

ADF4159可完成斜坡的种类有多种,它们的产生机理分别为:

(1)单一斜坡突发脉冲:

最基本的波形是单一斜坡突发脉冲。其他所有波形均在此波形基础上变化。

在单一斜坡突发脉冲中,ADF4159被锁定至FRAC/INT寄存器(RO)内定义的频率。使能斜坡模式时,ADF4159将N分频器递增DEVx25V-OFFSE7,造成各定时器间隔上的频移focv。此频移重复发生至设置的步进数为止。然后ADF4159保留最终N分频值。

(2)单一三角突发脉冲:

三角突发脉冲类似于单一斜坡突发脉冲。不过,完成步进后,ADF4159开始在每个超时间隔中将N分频值递减DEV×20EV-OFFSET。

(3)单一锯齿突发脉冲

在单一锯齿突发脉冲中,N分频值在步进数后的下一个超时间隔中复位至初始值。ADF4159将保留此N分频值。

(4)连续锯齿斜坡

连续锯齿斜坡是单一锯齿突发脉冲的重复版本。波形重复至禁用斜坡为止。

(5)连续三角斜坡

连续三角斜坡是单一三角突发脉冲的重复版本。不过,完成步进后,ADF4159开始在每个超时间隔中将N分频值递减DEV×2EV-0FFSET。当再次完成步进数时,它会重新递增N分频值。重复这一过程便产生三角波形。波形重复至禁用斜坡为止。


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