基于FPGA和頻率合成器的GPS信號源的設計

　　2 頻率合成器ADF4360-4

　　2.1 工作原理及其性能

　　頻率合成器主要功能是為系統上下變頻提供本振信號，多應用于發射機和接收機系統設計中，通常由數字鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程計數器(R計數器和N計數器)等組成，數字鑒相器(PD)對R計算器與N計數器的輸出信號進行相位比較，得到一個誤差電壓，經環路濾波器(LF)后控制壓控振蕩器(VCO)產生所需頻率。

　　頻率合成器ADF4360-4是ADI公司生產的高性能鎖相頻率合成芯片，是一款雙模前置分頻型單環頻率合成器，在不改變頻率分辨率時，能有效提高頻率合成器的輸出頻率;其主要性能有，輸出頻率范圍為1450～1750 MHz，可選擇二分頻，選擇二分頻時輸出信號頻率為725～875 MHz;工作電壓為3～3.6V;輸出信號的功率可控制范圍為-13～-4 dBm;可編程雙模前置分頻器的分頻比為8/9，16/17，32/33;能夠進行模擬和數字鎖定檢測;芯片內部集成了VCO等。ADF4360-4的工作原理如圖3所示，P/(P+1)為高速雙模前置分頻器，其分頻模數為P+1和P，A為5位脈沖吞咽可編程計數器，B為13位主可編程計數器，R為14位可編程參考分頻器，MC為模控制邏輯電路。該器件通過可編程5位A計數器、13位B計數器及雙模前置分頻器(P/P+1)來共同確定主分頻比N(N=BP+A)，14位可編程參考R分頻器對外部晶振分頻后得到參考頻率fr=f0/R，因此，設計時只需外加環路濾波器，并選擇合適的參考值，可獲得穩定的頻率輸出，其輸出頻率為f0=fi/R(A+BP)，式中，fi為輸入頻率，由外部晶振提供。

　　2.2 應用電路設計

　　在模擬電路射頻模塊中，頻率合成器ADF4360-4為混頻器提供本振信號，其應用電路如圖4所示，頻率合成器的模擬輸入是外部溫補晶振，晶振通過一個濾波器將標準時鐘送到ADF4360-4的16腳REFin;頻率合成器的輸出管腳是4腳：RFoutA和5腳RFoutB，這兩路輸出差分高頻信號，通過匹配網絡和諧振濾波網絡送入混頻器的差分輸入端;第17～19管腳分別是頻率合成器初始化時控制數據的CLK腳、DATA腳、LE腳，與測試輸出用的20腳MUXOUT一并接到一個5針插頭，以便與FPGA芯片連接，作為其輸入輸出控制接口;12腳Cc為補償管腳，連一個電容接地;13腳Rset用來設置電荷泵輸出最大電流的大小，電流大小由公式ICPmax=11.75/Rest決定，本電路中Rest=4.7 kΩ;14腳CN連一個電容接Vvco去耦;6腳VCO電源、21腳數字電源和2腳模擬電源分開放置，分別加去耦電容;其他的模擬地和數字地直接接地。

　　2.3 初始化設計

　　頻率合成器ADF4360-4通過高速雙模前置分頻器P，5位脈沖吞咽可編程計數器A，13位主可編程計數器B和14位可編程參考R分頻器共同決定主分頻比，其輸出頻率為

　　。模擬電路中使用輸入晶振為fi=11.289 6 MHz，數字電路部分輸出GPS信號頻率為12.5 MHz，經過推算可以設置頻率合成器參數A=5，B=34，P=8，因此頻率合成器輸出本振信號頻率為.f0=1 563.609 8 MHz。

　　頻率合成器ADF4360-4內部有3個24位寄存器，R寄存器、C寄存器和N寄存器，由于寄存器是用來暫存指令和數據的，每次掉電后原來寫入寄存器的數據也就丟失了，因此每次上電時，必須重新給寄存器寫入數據才能獲得所需的本振輸出。通電時寄存器數據寫入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，寄存器數據輸入程序用VHDL語言編寫，采用FPGA芯片來控制，其中3個24位寄存器的初始化設置值如表1所示。其中每個寄存器最末兩位DBl和DB0用來決定目標寄存器，比如“01”代表R寄存器，“10”代表N寄存器，“00"代表C寄存器;R寄存器的DBl5～DB2用來設置14位可編程參考分頻器R，N寄存器的DB20～DB8用來設置13位主可編程計數器B，DB6～DB2用來設置5位脈沖吞咽可編程計數器A，C寄存器的DB23和DB22用來決定高速雙模前置分頻器P，比如“OO”表示P=8，C寄存器的DBl3和DBl2用來設置輸出功率大小，例如“10”表示頻率合成器輸出功率大小是-7 dBm，可以根據實際需要調整輸出功率的大小。

　　ADF4360-4的3個寄存器數據寫入是通過ADI公司的FPGA芯片PlC6Q240C8的3個雙向I/O口來實現的，連接原理如圖4所示，FPGA芯片的3個雙向I/O口，分別連接ADF4360-4的LE腳、DATA腳、CLK腳，其中CLK為串行時鐘輸入，DATA為串行數據輸入，LE為加載使能。ADF4360-4初始化時序如圖5所示。首先由DATA腳在每個CLK的上升沿從MSB(最高有效位)開始依次寫入24位移位寄存器中的數據，并根據LE腳的上升沿信號一次性將輸入的24 b數據加載到目標寄存器，然后再進行下一個目標寄存器的初始化，其中C寄存器和N寄存器的賦值間隔應該大于5 ms。