CN201188608Y - 低噪声低杂散小型频率合成器 - Google Patents
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Abstract
一种低噪声低杂散小型频率合成器，属于一种电子电路，其特征是它主要由参考信号发生器和锁相环组成，所述的参考信号发生器由DDS芯片(1)、高频晶体振荡器(2)和DDS输出滤波器(3)组成，DDS芯片(1)的输入端接高频晶体振荡器(2)，DDS芯片(1)的输出接DDS输出滤波器(3)的输入；所述的锁相环由鉴相器(4)、整形电路(9)、充电泵(5)、环路滤器(6)、VCO电路(7)以及射频分路器(8)组成。它具有抗干扰性好，噪声和杂散水平提高幅度大的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电子电路，尤其是一种频率合成装置，具体地说是一种低噪声低杂散小型频率合成器。
背景技术
目前，在各类通信设备中，频率合成器是一个关键部件，负责生成设备所需的各种频率信号，所以频率合成器的性能直接关系到通信设备性能的好坏。如今，电子设备的大量使用，周边的电磁环境不断恶化，各类有意或无意的干扰日益增多，电磁环境恶劣。这就对通信设备的性能指标提出了更高的要求，也就对频率合成器的性能指标提出了更高的要求。而噪声水平和杂散水平是衡量频率合成器的两个最重要的方面，所以，设计噪声更低、杂散更小(少)的频率合成器是当务之急。
发明内容
本实用新型的目的是设计一种抗干扰能力强的低噪声低杂散小型频率合成器，具有极好的噪声和杂散性能，非常适合短波波段高性能收发信机使用。
本实用新型的技术方案是：
一种低噪声低杂散小型频率合成器，其特征是它主要由参考信号发生器和锁相环组成，所述的参考信号发生器由DDS芯片1、高频晶体振荡器2和DDS输出滤波器3组成，DDS芯片1的输入端接高频晶体振荡器产生的100MHz标准信号，DDS芯片1的输出接DDS输出滤波器3的输入；所述的锁相环由鉴相器4、整形电路9、充电泵5、环路滤器6、VCO电路7以及射频分路器8组成，DDS输出滤波器3的输出作为标准信号发生器的输出与鉴相器4的一个输入端相连，鉴相器4的输出经整形电路9整形后与充电泵5的输入端相连，充电泵5的输出接环路滤波器6的输入端，环路滤波器6的输出接VCO电路7的输入，VCO电路7的输出端通过射频分路器8一路作为反馈信号送入鉴相器的另一输入端中，射频分路器8的另一路输出作为频率合成器的输出信号经放大、滤波后输出。
VCO电路7的输出信号经过射频分路器81N40分为2路，一路作为反馈信号送入鉴相器41N35，另外一路经放大器1N31放大、滤波器1Z31滤波后输出。
鉴相器4的输出端接由1D4、1R210、1C29、1L12组成的整形电路，信号经整形后整形后再送入充电泵1N36。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型采用多种手段降低噪声和杂散，在提高频率合成器的噪声和杂散水平方面向前迈出了一步，和以往的近似频段频率合成器相比，本实用新型的噪声和杂散水平有了大幅提高。
2、采用高频恒温晶体振荡器、高参考频率、高鉴相频率的设计思想，有利于大幅降低相位噪声。
3、在输出和反馈之间采用射频分路器。由于射频分路器的输入、输出端之间有20dB以上的隔离度，减少输出信号对反馈信号的干扰；同时，有效防止外界干扰信号通过输出通路反射影响VCO状态。综上，在输出和反馈之间采用射频分路器，大幅减少了杂散信号的产生，保证了频谱纯度。
4、鉴相器输出信号经过整形再送到充电泵抑制了无用信号的调制，也减少了杂散信号的产生。；
5、本实用新型可工作于68MHz～105MHz频率下，能实现低噪声低杂散频率合成，噪声水平达到了-120dBc/Hz(@20kHz偏移)，杂散水平达到-80dB(宽带)，非常适合短波波段高性能接收机/发射机使用。
6、本实用新型采用多种降低噪声和杂散的手段(其中在输出和反馈之间使用射频分路器以及鉴相器输出信号先整形再送至充电泵为首创)，实现了一个低噪声、低杂散的小型频率合成器(68MHz～105MHz)。经测试，噪声水平达到-100dBc/Hz(@1kHz偏移)，-120dBc/Hz(@20kHz偏移)，-140dBc/Hz(@100kHz偏移)，比现有近似频段频率合成器都提高了10dBc/Hz左右；宽带杂散水平达到-80dB以上，比现有同频段频率合成器都提高了10dB左右，并且杂散数量也比现有频率合成器大为减少。
附图说明
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型的标准信号发生器部分的电路图。
图3是本实用新型的锁相环部分的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1、2、3所示。
一种低噪声低杂散小型频率合成器，主要由DDS芯片1(型号可为AD9951)、高频晶体振荡器2和DDS输出滤波器3、锁相环由鉴相器4、整形电路、充电泵5、环路滤器6、VCO电路7、射频分路器8以及整形电路9组成，DDS输出滤波器3的输出作为标准信号发生器的输出与鉴相器4的一个输入端相连，鉴相器4的输出经整形电路9整形后与充电泵5的输入端相连，充电泵5的输出接环路滤波器6的输入端，环路滤波器6的输出接VCO电路7的输入，VCO电路7的输出端通过射频分路器8一路作为反馈信号送入鉴相器的另一输入端中，射频分路器8的另一路输出作为频率合成器的输出信号经放大、滤波后输出。本实用新型采用目前流行的DDS和PLL(锁相环)相结合的方法，DDS输出作为锁相环的参考信号这样满足了频率分辨率及快速换频的要求，同时通过DDS输出滤波器抑制了DDS杂散，提高了频谱纯度。对于锁相环的输出相位噪声来说，带内(指环路滤波器通带)的相位噪声主要决定于参考信号的相位噪声和鉴相器的底部噪声，带外的相位噪声则由VCO的相位噪声决定。理论上参考信号的相位噪声和鉴相器的底部噪声等效到PLL输出端近似为Nf+20logN-10logfpd(Nf为PLL底部噪声，N为PLL输出频率和参考信号频率之比，fpd为鉴相频率)，因此采用高参考频率(20MHz)，高鉴相频率(2MHz)，从理论上抑制了带内噪声的恶化。
本实用新型的原理框图如图1所示。图中，晶体振荡器2可采用高性能恒温晶体振荡器，频率为100MHz，噪声水平达到-140dBc/Hz(@1kHz偏移)。晶体振荡器产生的标准频率信号作为参考频率供给DDS芯片。
DDS芯片采用AD公司的AD9951。AD9951为AD公司的新型直接数字频率合成芯片，工作频率高达400MHz，32Bit频率控制字，14Bit的D/A转换器，噪声性能达到-120dBc/Hz(@1kHz偏移)。如前所述，本使用新型采用高参考频率、高鉴相频率的设计思路从理论上降低了噪声的倍频加成，所以在使用100MHz晶振的前提下，DDS输出信号定为20MHz，作为鉴相器的参考信号。
由于DDS芯片的输出最终由D/A变换产生，因此，在输出频谱中会不可避免的有杂散信号存在，同时还有谐波信号存在，这些无用信号进入鉴相器以后都会调制到VCO的输出频谱上，因此必须在DDS输出上加滤波器。本实用新型中采用的是5阶Butterworth带通滤波器，中心频率21MHz，通带宽度4MHz，在2次谐波处的衰减达到-70dB。
鉴相器是锁相环(PLL)的核心器件，关系到整个的输出性能。本实用新型采用美国国家半导体公司的LMX2301，具有极低的底部噪声(-210dBc/Hz)。
整形电路核心器件为74AC00，内部集成了4个与非门。本实用新型创造性地将鉴相器输出信号先整形再送至充电泵，抑制了各种无用信号在压控电压上的调制，减少了杂散分量。
充电泵可采用MMPQ6700，内部集成了4个三极管，实现环路的充、放电功能，形成压控电压。
由于受工作频段的限制，VCO(即：压控振荡器)分为两段实现，分别采用UMJ924(68MHz～80MHz)和UMJ635(75MHz～105MHz)。UMJ924和UMJ635都是新加坡UMC公司生产的高性能压控振荡器，噪声水平达到了-100dBc/Hz(@1KHz偏移)，-125dBc/Hz(@10KHz偏移)，-145dBc/Hz(@100KHz偏移)，输出幅度达到10dBm。
以往的频率合成器，VCO的输出直接分为两路，通过简单的放大器隔离，一路送往鉴相器作为反馈信号，一路就作为频合的输出信号。这样，容易使鉴相器内部的各种无用信号(如鉴相频率、分频信号等)窜扰至输出端，形成很多杂散信号，影响输出信号的频谱，同时也容易让外界的信号通过输出通路反射到VCO影响VCO的工作状态。为此，本实用新型创造性地使用了Mini公司的射频分路器LRPS-2-11J来解决这一问题。具体做法就是将VCO的输出信号送至射频分路器，由射频分路器分为两路，一路作为反馈信号，一路作为输出信号。LRPS-2-11J具有低损耗(0.7dB)，高隔离度(20dB)的特点，妥善解决了以上问题。
图2为DDS部分电路图。由于AD9951为双端输出，所以使用了一个1∶1的变压器1T3实现双端到单端的转换。1C402后面的电容电感网络即为5阶Butterworth带通滤波器，中心频率21MHz，通带宽度4MHz，在2次谐波处的衰减达到-70dB。经过带通滤波器后，DDS的输出信号中杂散及谐波分量都受到抑制，PLL输出中由DDS无用信号带来的杂散大为减小或者消失。
图3为PLL部分的电原理图。图3中，由于VCO部分由两个压控振荡器组成，所以采用了4个三极管组成的电子开关在波段控制信号(VCOSel)的控制下进行切换。同时，为了避免两个压控振荡器的输出端相互影响，在两个压控振荡器的输出端使用了射频双路信号选择器PE4259。PE4259是Peregrine公司的产品，工作频段DC-3GHz，差损小于1dB，在100MHz左右隔离度大于50dB。两个压控振荡器的输出作为PE4259的两路输入，PE4259的输出(即VCO的输出)也在VCOSel信号的控制下在两路输入信号之间切换。
Claims (3)
1、一种低噪声低杂散小型频率合成器，其特征是它主要由参考信号发生器和锁相环组成，所述的参考信号发生器由DDS芯片(1)、高频晶体振荡器(2)和DDS输出滤波器(3)组成，DDS芯片(1)的输入端接产生100MHz标准信号的高频晶体振荡器(2)，DDS芯片(1)的输出接DDS输出滤波器(3)的输入；所述的锁相环由鉴相器(4)、整形电路(9)、充电泵(5)、环路滤器(6)、VCO电路(7)以及射频分路器(8)组成，DDS输出滤波器(3)的输出作为标准信号发生器的输出与鉴相器(4)的一个输入端相连，鉴相器(4)的输出经整形电路(9)整形后与充电泵(5)的输入端相连，充电泵(5)的输出接环路滤波器(6)的输入端，环路滤波器(6)的输出接VCO电路(7)的输入，VCO电路(7)的输出端通过射频分路器(8)一路作为反馈信号送入鉴相器的另一输入端中，射频分路器(8)的另一路输出作为频率合成器的输出信号经放大、滤波后输出。
2、根据权利要求1所述的低噪声低杂散小型频率合成器，其特征是所述的VCO电路(7)的输出信号经过射频分路器(8)1N40分为2路，一路作为反馈信号送入鉴相器(4)1N35，另外一路经放大器1N31放大、滤波器1Z31滤波后输出。
3、根据权利要求1所述的低噪声低杂散小型频率合成器，其特征是所述的鉴相器(4)1N35的输出端接由1D4、1R210、1C29、1L12组成的整形电路，信号经整形后整形后再送入充电泵1N36。
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