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。 

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））。

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，

ADF4159具有25位固定模数。此模数输出频率间隔分辨率为：

F_RES=F_PFD/2²⁵      （4-1）

其中P_FDf 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：

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：

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。

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×2^EV-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。