频率合成技术是指能由一个高稳定度和准确度的标准参考频率，经过一系列的处理，产生大量离散的具有同一稳定度和准确度的信号频率输出，并且输出信号的频率可由数字信号控制改变。频率合成的基本方法有3种：直接频率合成、锁相式频率合成以及直接数字频率合成。

1 锁相式频率合成器的基本原理

锁相式频率合成器是一种建立在相位负反馈基础上的闭环控制系统，主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。输人参考信号与压控振荡器的输出信号经过鉴相器，产生一个对应于两个信号相位差的误差电压，该误差电压经环路滤波器后滤除其中的高频分量和噪声，并向VCO输送一个控制电压去调整压控振荡器的频率。当环路锁定时输入参考信号与压控振荡器的输出信号频差为零，相位差不再随时间变化。这时误差电压为一固定值，环路进入锁定状态。锁相式频率合成器对相位噪声和杂散等具有很好的抑制作用，而且调试简单，因而目前被广泛应用于电视、仪表、通信等许多领域。

2 ADF4113的工作原理及特点

ADF4113是美国ADI公司生产的一款高性能锁相频率合成芯片，他由1个数字鉴相器、1个高精度电荷泵、1个可编程参考分频器R、1个可编程A，B计数器以及1个双模分频器(P／P+1)组成。如图1所示。

2.1 工作原理

ADF4113从外部输入的信号只有标准频率源信号和控制信号。标准频率源信号经过耦合电路差分输入到ADF4113后，经14位的R分频器得到鉴相基准频率送至鉴相器。控制信号由时钟信号CLK、数据信号DATA和使能信号LE组成。在CLK的控制下，由串口输入24位数据信号，暂时存放在24位输入寄存器中。在接收到LE后，先前输入的24位数据根据地址位到达对应的锁存器。当ADF4113接收到反馈回来的输出频率后，首先通过预引比例因子P，经A，B分频器，得到分频以后的反馈信号，输入到锁相器。与分频以后的标准频率源信号在鉴相器中比较，输出低频控制信号以控制外部VCO的频率，使其锁定在参考频率的稳定度上。

ADF4113的分频比N通过设置预引比例因子P和A、B分频器实现，算法为N=B×P+A。参考频率通过R分频器分频得到适合鉴相器的输入，因此有fVCO=(P×B+A)×fref／R。A分频器、B分频器和R分频器分别为6位、13位和14位，其数值通过写相应的控制寄存器实现。ADF4113内部有四个24位控制字寄存器，分别为R分频器、N分频器、功能寄存器和初始化寄存器。通过设置这4个控制字寄存器的控制字来实现对锁相环的控制。

2.2 主要特点

工作电压：2.7～5.5 V；

最高鉴相输入55 MHz，最高RF输入频率达4 GHz；

具有4组可编程双模分频器8／9，16／19，32／33，64／65；

编程控制采用3线串行接口；

能够进行模拟和数字锁定检测；

具有良好的相位噪声参数；

能够进行模拟和数字锁定检测；

软硬件断电模式。

ADF4113可用于无线射频通信系统基站、手机以及通信检测设备中。

3 系统的实现

在整个高频宽带线性调频源系统中，2 GHz本振源电路模块对整个系统的稳定性以及最终生成的线性调频信号质量起着至关重要的作用，电路框图如图2所示。

3.1 ADF4113与单片机AT89C51的接口电路设计

单片机通过串行传输方式向ADF4113的寄存器写控制字。包括时钟线、数据线和控制信号，MUXOUT可通过软件设置为ADF4113锁定检测信号输出端。根据ADF4113控制字寄存器的结构，设置4个寄存器的控制字。单片机首先将24位控制字每个字节按从高位到低位的顺序，移入ADF4113的输入寄存器，24位送完后，给使能信号LE一个高电平，这样先前输入的24位数据，根据地址位，到达相应的寄存器。

3.2 锁相环电路设计

基于锁相环的基本结构和原理，只需要给ADF4113外加环路滤波器和压控振荡器，就可以实现PLL频率合成电路。根据提出的性能指标及要求，设计了完整的本振源电路，原理图如图3所示。

设计中采用10 MHz晶振，为了得到1 MHz的步进量，ADF4113的PFD输入频率为1 MHz，所以参考时钟分频器R设置为10。由关系式：fVCO=(P×B+A)×fref／R知，N为2 000，双模前置分频器设置为P／(P+1)=16／17，计数器A设置为0，计数器B设置为125。则4个控制寄存器的控制字可分别设置为R分频器000028H，N分频器007D01H，功能寄存器4D9092H，初始化寄存器4D9093H。

此处的环路滤波器采用三阶无源低通滤波器，利用ADI SIMPLL工具计算出三阶环路滤波器参数如下：C32=93.8 pF，R13=3.5 kΩ，C33=1.28 nF，R14=7.14 kΩ，C34=42.8 pF。

VCO采用中国电子科技集团第十三研究所的HE714，内部具有缓冲隔离，负载牵引小，采用硅双极晶体管振荡，实现低相位噪声，调谐频带宽，微波薄膜电路结构，电性能稳定可靠。HE714输出的频率范围为1 800～2 600 MHz，调谐电压为0～20 V。如图4所示，从VCO电压-频率图可以看出，当输出频率为2 GHz的时候，对应的输入电压在3～4 V之间，当给ADF4113加3.3 V电压并且给电荷泵供电端V。加上5 V电压的时候，电荷泵加负载后的输出可以达到5 V，以此来驱动VCO输出2 GHz的频率。

需要注意的是VCO输出的信号频率为2 GHz，属于射频频段。为了减小传输损耗，输出部分的导线应该采用微带线来代替。

电源部分采用LM1084产生稳定的3.3 V模拟电压和数字电压供电。单片机AT89C51可在5 V电压下正常工作，但实验证明3.3 V供电时，单片机AT89C51的工作也是完全正常的。

4 结 语

采用ADF4113构成的锁相式频率合成电路应用于许多高频系统。在本系统中，由于ADF4113中4个控制字寄存器的控制字是通过单片机串口写入的，所以可以通过软件的方法，改变串口写入的控制字来实现不同频率的本振信号输出，具有信号性能好，设计结构简单等优点。