尚善学 赵羽

摘 要： 频率合成器是现代通信系统中一个重要组成部分，在数字通信、卫星通信、遥测遥控、雷达、导航等领域有着广泛应用。文中介绍了锁相频率合成技术的基本原理和性能指标，给出了一种利用LMX2541实现频率合成器的硬件结构和实现方法，并对其主要指标进行了测试，测试结果显示其具有低相位噪声、低杂散和结构简单的特点，满足了设计指标的要求。

关键词：频率合成器 锁相环 相位噪声 LMX2541

Abstract ：Frequency synthesizer is the key part of modem communications systems ， which are widely used in digital communications， satellite communications， TT&C， radar， navigation and other fields. The basic principle and performance standard of PLL frequency synthesizer are introduced in this paper.A hardware structure for realizing frequency synthesizer based on LMX2541 and implementation methords are given. From the measured results， we can see that the frequency synthesizer has characteristics of low phase noise， low spurious and simple stucture， which satisfy the design requirments of the index.

Keywords：frequency synthesizer； PLL； phase noise； LMX2541

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）07-0274-01

一、引言

频率源可在雷达中用作本振信号或作为数据处理的采样时钟等，在雷达领域有着重要的作用。相位噪声和杂散是衡量频率源的两个重要指标[1]。频率源的设计主要有三种技术：直接频率合成技术、直接数字频率合成技术和锁相式频率合成技术。

本文基于LMX2541锁相环芯片设计出一种低相噪低杂散的频率源，实验结果表明该频率源的设计取得了理想的效果。

LMX2541芯片[2]由NS推出的一款超低噪、高度集成的频率合成器。频率源指标：输出2600MHz；输出功率大于15dBm；杂散抑制不小于-60dBc；相噪小于-100dBc/Hz@10KHz，-120dBc/Hz@1MHz。

锁相环频率合成技术是一种相位负反馈技术，通过比较输入基准频率与经过分频器N的输出频率，通过与两输入信号相位差成正比的误差电压控制压控振荡器的输出频率，使其经过分频器N后的频率与输入的频率与输入基准频率相等。一个基本的锁相环主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个基本部分组成。

LMX2541芯片有12个寄存器，包含有多个分频系数寄存器、锁定检测寄存器和电荷泵寄存器等。数据写入采用的是SPI总线形式，时序图如图1所示。

CLK为来自单片机Attiny13的时钟信号，在CLK的第一个上升沿时，DATA为高电平开始写入，LE为写使能，低电平有效。DATA先输入数据，最后再输入4位寄存器值，在每一个时钟的上升沿，数据被送入芯片，高位数据先进。

二、锁相式频率合成器电路设计

基于LMX2541芯片的频率源技术方案设计如下图2所示。

2.控制电路设计

对芯片的CLK、DATA、LE控制时，选用Attiny13芯片，其为AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。VCC为数字电路的电源，供电+3.3V；端口B为6位双向I/O口，有可编程的内部上拉电阻。PB3、PB4、PB0以及PB1分别接LMX2541芯片的CLK、DATA、LE以及Ftest/LD管脚；RESET是复位输入引脚，持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

三、频率合成器指标测试

频率合成器测试指标包括相位噪声与输出功率，在测试电路中，选用Agilent-E4447A频谱仪，频率范围为3Hz～42.98GHz，采用频谱仪的对数曲线功能，用其测量输出信号的输出功率以及在10KHz与1MHz频偏下的相位噪声。

频率源输出2600MHz，功率为16.3dBm，10KHz处相噪为-109dBc/Hz，1MHz处相噪为-132dBc/Hz，输出功率及相位噪声频谱图如下图3所示。

四、实验结果与分析

由测量结果可以看出无论是在10KHz处还是在1MHz处，频率源输出功率与相位噪声均满足系统指标要求。

参考文献

[1]潘玉剑，张晓发， 袁乃昌.基于HMC830的低相噪低杂.散频率源的设计[J]. 电子设计， 2011， 10（6）：180-183.

[2]LMX2541， Datasheet. Ultra-Low Noise PLL Frequency Synthesizer With integrated VCO.National Semiconductor.

作者介绍：尚善学，男，（1988-），山东日照人，燕山大学，电子与通信工程，工学硕士，助理工程师。

赵羽，男，（1986-），陕西咸阳人，西安电子科技大学，电子信息工程专业，本科，助理工程师。