基于单片机控制的LMX2572锁相频率合成器的设计与实现

李 垒

（南京熊猫汉达科技有限公司卫星通信技术研究所，南京 210094）

0 引言

近年来，卫星通信技术的快速发展和各类机载、车载、地面等终端设备的广泛应用，对终端设备的体积和功耗要求越来越高，传统的锁相环和压控振荡器为两种独立的器件，尺寸较大，无法满足越来越迫切的产品小型化需求[1][2][3]，本文利用ATMEL公司的8位单片机ATTINY9结合TI公司新一代集成VCO的频合器LMX2572设计了一款输出频率为4875MHz的锁相频率源。

设计要求：

（1）相位噪声＜-70dBc@100Hz，＜-80dBc@ 1kHz，＜-90dBc@10kHz，＜-100dBc@100kHz。

（2）输出电平≥5dBm。

1 硬件选择与实现

1.1 硬件选择

LMX2572是美国TI公司2019年推出的一款低功耗、高性能宽带合成器，可以输出12.4MHz到6.4GHz之间的任何频率且不需要内部倍频，这就大大减少了混频输出的本振产生的分频和倍频杂散，PLL可提供优异的性能，在3.3V单电源中的电流消耗仅为75mA。LMX2572允许用户同步多个器件的输出，并可支持需要输入和输出之间具有确定延迟的应用并提供了一个可精准调节相位的选项，以解决电路板上或器件内的延迟不匹配问题；芯片内部的频率斜升发生器可在自动斜坡生成选项或手动选项中最多合成2段斜坡，以实现最大的灵活性。通过快速校准算法，用户可在不到20µs的时间内改变频率。LMX2572集成了通过3.3V单电源供电的LDO，无需再配备板载低噪声LDO，综合以上描述LMX2572为目前业界同类产品中比较领先的一款芯片，在100kHz偏频和6.4GHz载波的情况下具有-106dBc/Hz的超低相位噪声[4]。

单片机选用的是ATMEL公司ATTINY9芯片，该单片机是一个6个引脚的8位单片机，尺寸小，功耗低，其内部含有32Byte的可编程可擦除存储器[5]。在设计时，为了减少单片机中的杂散干扰，在单片机与LMX2572连接之间接入10k电阻和皮法级别的接地电容。

1.2 系统结构原理

该锁相频率合成器的具体实现结构如图1所示。本系统由频率合成器LMX2572、单片机、环路滤波器、参考源组成。参考源为高稳定度和高准确度的晶体振荡器产生的10MHz经过5倍频而来，然后利用锁相环路良好的跟踪特性，使内部压控振荡器的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。LMX2572中设有预分频器和倍频器，可根据需要选用哪种电路来获得鉴相频率，本文采用100MHz鉴相。下图中fo为输出频率，fosc为晶振频率，fREF为参考频率，fcom为输出频率分频后的鉴相比较频率。

图1 LMX2572锁相频率合成器结构框图

1.3 系统硬件实现

4875MHz输出频率时的原理图如图2所示。图中LMX2572的CP脚外接电容8.2nF、180nF和电阻47Ω构成的两阶环路滤波器，其环路带宽为45kHz左右。LMX2572各供电管脚的滤波电容排版时尽量接近管脚，降低电源的低频干扰。

2 系统软件实现

利用TI公司的辅助设计工具TICSPRO-SW软件计算出125组寄存器值，很多项只有地址位，可以忽略，针对单一频点输出的特点，删除掉多余的无关项和冗余项，最后选取寄存器值如下：

R46：0x2E07F1 R45：0x2DCE1F

R44：0x2C1F83 R43：0x2B02EE

R39：0x2703E8 R37：0x258205

R36：0x240030

R34：0x220010 R12：0x0C5001

R11：0x0BB018 R10：0x0A10F8

R9：0x091004 R0：0x00211C

3 模拟仿真

利用TI公司的仿真软件PLLatinum Sim设置如下：参考频率为50MHz，鉴相频率为100MHz，电荷泵电流为5mA，输出频率为4875MHz，环路带宽为45kHz，相位裕度选用60°由模拟仿真曲线图3可以看出各个典型值的相位噪声为：-90dBc@100Hz，

-100dBc@1kHz，-100dBc@10kHz，-110dBc@ 100kHz，完全满足设计要求。

图2 模拟仿真曲线图

4 实物测试结果

根据原理图结合射频电路板设计规范制作了实物电路板，对较为敏感的芯片供电脚处都加了相应电容进行滤波处理，尤其是单片机和频合器通信电路上数据线要尽量短并滤波处理，减少杂波对数字信号的干扰。

利用是德科技的N9030A型频谱仪对实物电路进行了测试，输出频率在SPAN 200k下如图4（a）所示，可以看出频率比较干净，没有明显的近端杂散；图4（b）为频宽为5GHz下的远端杂散，可以看出在信号的1/2分频处没有杂散输出，此频合器的近端和远端杂散都是非常优良的，频合器电平输出频谱仪测试大小为-0.15dBm左右，用校准后的功率计准确测试为7dBm左右；图4（c）为频谱仪自动相位噪声测试模式下的实测值，分别为为-78dBc@100Hz、-95dBc @1kHz、-100dBc@10kHz、-105dBc@100kHz完全满足设计要求。

图3 实测结果曲线

5 结束语

频率源作为卫星通信系统的最核心的部件之一，相较于其他如雷达系统，对相位噪声的要求很高，如果近端相噪不好会影响后续的调制解调的难度，导致误码率上升，严重者会引起通信中断。本文设计的频率源，选用了最新一代的频合器芯片，空间尺寸小、功耗低，性能可靠，而且可以通过改变单片机软件控制关键字及利用芯片的输出频率速度快的特点获得一系列跳频源，增加通信的抗干扰能力，具有较好的扩展性，有着广泛的应用前景。