一种频率合成控制系统及设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种频率合成控制系统及设计方法，用于对太阳射电的频谱测量领域。首次提出了将STM32作为微控制器与ADF4351相结合的方式进行频率的合成，包括如下步骤：采用了三阶环路滤波器，提高了高稳定性、低相位噪声、低杂散的锁相环频率合成器。根据ADF4351与鉴相器输出频率的计算公式配置频率合成器的各个寄存器，最后通过将合成输出的频率信号归一化功率值后进行存储，设计了高精度的频率合成器的频率输出。本发明专利技术首次针对通过微控制器提出了宽频带、高精度、低杂散且稳定的频率输出，同时考虑了含有浮点类型的频率合成输出。与现有的频率合成器相比，本发明专利技术的输出频率范围是35.375MHZ～4.4GHZ，能够满足更多场景的需求。

A frequency synthesis control system and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种频率合成控制系统及设计方法
本专利技术属于无线电中的射频锁相式频率合成的
，尤其涉及一种频率合成控制系统及设计方法。
技术介绍
频率合成技术最早出现在上个世纪三十年代，根据频率合成器出现的先后顺序可以分为以下几种方法：直接模拟频率合成、间接频率合成和直接数字合成。在频率合成器的研究上主要使用的方法是直接数字式频率合成器和锁相环频率合成技术。锁相环频率合成器分为整数式合成器和分数式合成器，其中整数式合成器频率分辨率不高，而分数式合成器相比较于前者具有较高的精度、相位噪声以及变频时间短的优势。锁相技术是40年代发展起来的，其本质是通过负反馈电路，使输出信号的相位或频率在一定的范围内跟随参考输入信号的相位或频率而变化的一种相位或频率控制技术。目前，国内外市场上的锁相通信产品大都复杂多样，且其技术要求也不近相同。市场上的锁相环产品存在体积大、成本高的问题，很难满足市场的需求且容易造成资源浪费。基于此需求，需要低功耗、小体积、价格低廉且具有存储功能的锁相式频率合成技术方案。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种频率合成系统及设计方法。解决了锁相环产品体积大、成本高的问题，实现了频带宽、成本低、体积小且具有存储功能的锁相式频率合成系统的设计。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种频率合成控制系统，包括微控制器、频率合成模块、功率衰减器、按键模块、液晶显示模块、存储管理模块、存储介质；所述微控制器的PC0端口与频率合成模块的DATA端口连接，微控制器的PC端口与功率衰减器的IO口连接，按键模块的行线与列线分别与微控制器的PA0～PA7引脚连接，频率合成器模块的输出端与功率衰减器模块的输入端连接；所述存储管理模块分别与微控制器和存储介质连接；所述微控制器，用于接收按键模块输入的目标输出频率值，并根据该目标值配置所述频率合成模块的寄存器，同时设置频率合成模块的片选于时钟信号引脚，通过微控制器内置的AD采集模块将频率合成模块输出的频率信号对应的功率值转换成电压值；所述频率合成模块，用于接收微控制器传输的寄存器配置数据，输出频率信号至微控制器；所述功率衰减器，用于通过微控制器PC口的输出电平值控制功率衰减器的IO口，将输入微控制器内置的AD采集模块的功率值衰减到目标功率值；所述按键模块，用于输入目标频率值至微控制器；所述液晶显示模块，用于显示按键模块输入的目标输出频率值；所述存储管理模块，用于将每个频率对应的电压值与功率值写入所述存储介质。进一步的，所述频率合成模块包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器，所述鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连，所述环路滤波器的输出端与压控振荡器的输入端相连，所述压控振荡器的输出端与分频器的输入端相连，所述分频器的输出端与鉴相器的输入端相连；所述分频器，用于形成相位的反馈电路，将压控振荡器的输出信号进行分频并反馈到鉴相器；所述环路滤波器，用于滤除直流电压信号中的交流成分，使得经过滤波器的输出信号拥有更纯净的电压信号，除了可以滤除纹波之外，环路滤波器还起着稳定环路控制传输特性的作用；所述压控振荡器，用于将环路滤波器输出的直流电压信号线性转化为频率信号；所述鉴相器，用于将参考信号fPFD与压控振荡器的输出经过分频后的信号的相位进行比较，产生控制电荷泵充放电的直流脉冲，直到相位被锁定为止。由于反馈电路的存在，此时锁相环拥有非常稳定的输出频率。优选的，所述压控振荡器的参考晶振选用的范围是10MHz～250MHz。参考晶振选用10MHz。进一步的，所述频率合成模块采用集成压控振荡器(VCO)的ADF4351芯片。该芯片内部包含有N分频器、数据寄存器、鉴相器、电荷泵、压控振荡器。分频器通过软件控制，可以更灵活的控制ADF4351从基波频率进行分频输出。该芯片通过六个寄存器的各个位进行控制，每个寄存器均为32位。该芯片具有SPI兼容性串行接口，用于数据写入器件。通过ADF4351的RFOUTA+端口输出目标频率。微控制器与ADF4351芯片的时钟线CLK、数据线DATA和使能线LE连接，采用SPI通信方式实现控制。进一步的，所述环路滤波器采用三阶无源滤波器，由电容C1、C2、C3，电阻R1、R2、R1A组成，其中电容C1、C2、电阻R2的一端分别与ADF4351的电荷泵输出端CPout连接，电容C1另一端接地，电容C2另一端与电阻R1连接，电阻R1另一端接地，电阻R2另一端与电容C3连接，电容C3另一端接地，电阻R1A一端与ADF4351的SW端口连接，另一端与电容C2、电阻R1的连接端相连。其中SW端口为ADF4351的快速锁定开关引脚。所述环路滤波器用于滤除系统产生的噪声，本专利技术采用ADIsimPLL软件仿真不同带宽及相位裕度性能的滤波器参数，根据锁定时间、相位噪声、稳定度、频率误差因素确定滤波器的参数，最终选择三阶无源滤波器，由无源器件电容、电阻组成，不选择有源器件运放或三极管，有源元器件会降低系统的性能。优选的，所述环路滤波器中电阻R1、R2的阻值分别为2.7K、10K，电容C1、C2、C3的容值分别为82pF、1.5nF、33pF。本专利技术的环路滤波器改进的是采用拓扑结构，增加一个额外电阻R1A与ADF4351的SW端口连接。由于本专利技术的频率合成模块采用的是快锁模式，此时电荷泵电流增大M倍，为了保证环路的稳定，环路滤波器的阻尼电阻需要减小为初始值的1/4。因此，使额外电阻R1A与阻尼电阻R1的并联结果为R1初始值的1/4，电阻R1A的阻值为0.9K。进一步的，所述微控制器采用STM32系列单片机。STM32单片机内部自带12位的A/D模块，提供模/数转换功能，并对采集电路得到的锁相系统输出功率进行数据处理；含有八种快速I/O口，性能高、成本低、低功耗、实时性高。进一步的，所述存储管理模块采用CH378芯片。为实现高速、精准的数据存储，选择了CH378文件管理控制芯片，以八位并口方式与微控制器连接，通过#RD、#WD、#PCS、AO信号线完成数据的读写操作。进一步的，所述功率衰减器模块采用HMC307QS16G芯片。该芯片由五个高低电平输入口控制，对应PD1～PD5引脚，实现从1～31dB的衰减量。功率衰减器的PD1～PD5引脚与微控制器的PC8～PC12引脚连接。优选的，所述按键模块采用4*4矩阵键盘、所述存储介质采用U盘；微控制器的PA0～PA3引脚连接4*4矩阵键盘的行线，其PA4～PA7引脚连接4*4矩阵键盘的列线。本专利技术所述控制系统工作原理如下：首先通过按键模块输入目标的输出频率值至微控制器，并将该目标频率值显示在液晶显示模块上，以确保得到的是有效输入，然后将该目标值经过频率合成模块的寄存器的配置后由微控制器的PC0口输入到频率合成模块的DATA口，同时设置了频率合成模块的片选于时钟信号引脚。此过程实现了频率合成模块与微控制器的SPI通信方式，最后频率合成模块输出合成频率，频率合成模块每次输出的点频信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种频率合成控制系统，其特征在于：所述控制系统包括微控制器、频率合成模块、功率衰减器、按键模块、液晶显示模块、存储管理模块、存储介质；所述微控制器的PC0端口与频率合成模块的DATA端口连接，微控制器的PC端口与功率衰减器的IO口连接，按键模块的行线与列线分别与微控制器的PA0～PA7引脚连接，频率合成器模块的输出端与功率衰减器模块的输入端连接；所述存储管理模块分别与微控制器和存储介质连接；/n所述微控制器，用于接收按键模块输入的目标输出频率值，并根据该目标值配置所述频率合成模块的寄存器，同时设置频率合成模块的片选于时钟信号引脚，通过微控制器内置的AD采集模块将频率合成模块输出的频率信号对应的功率值转换成电压值；/n所述频率合成模块，用于接收微控制器传输的寄存器配置数据，输出频率信号至微控制器；/n所述功率衰减器，用于通过微控制器PC口的输出电平值控制功率衰减器的IO口，将输入微控制器内置的AD采集模块的功率值衰减到目标功率值；/n所述按键模块，用于输入目标频率值至微控制器；/n所述液晶显示模块，用于显示按键模块输入的目标输出频率值；/n所述存储管理模块，用于将每个频率对应的电压值与功率值写入所述存储介质。/n...

【技术特征摘要】
1.一种频率合成控制系统，其特征在于：所述控制系统包括微控制器、频率合成模块、功率衰减器、按键模块、液晶显示模块、存储管理模块、存储介质；所述微控制器的PC0端口与频率合成模块的DATA端口连接，微控制器的PC端口与功率衰减器的IO口连接，按键模块的行线与列线分别与微控制器的PA0～PA7引脚连接，频率合成器模块的输出端与功率衰减器模块的输入端连接；所述存储管理模块分别与微控制器和存储介质连接；
所述微控制器，用于接收按键模块输入的目标输出频率值，并根据该目标值配置所述频率合成模块的寄存器，同时设置频率合成模块的片选于时钟信号引脚，通过微控制器内置的AD采集模块将频率合成模块输出的频率信号对应的功率值转换成电压值；
所述频率合成模块，用于接收微控制器传输的寄存器配置数据，输出频率信号至微控制器；
所述功率衰减器，用于通过微控制器PC口的输出电平值控制功率衰减器的IO口，将输入微控制器内置的AD采集模块的功率值衰减到目标功率值；
所述按键模块，用于输入目标频率值至微控制器；
所述液晶显示模块，用于显示按键模块输入的目标输出频率值；
所述存储管理模块，用于将每个频率对应的电压值与功率值写入所述存储介质。


2.根据权利要求1所述的一种频率合成控制系统，其特征在于：所述频率合成模块包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器，所述鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连，所述环路滤波器的输出端与压控振荡器的输入端相连，所述压控振荡器的输出端与分频器的输入端相连，所述分频器的输出端与鉴相器的输入端相连；
所述分频器，用于形成相位的反馈电路，将压控振荡器的输出信号进行分频并反馈到鉴相器；所述环路滤波器，用于滤除直流电压信号中的交流成分；所述压控振荡器，用于将环路滤波器输出的直流电压信号线性转化为频率信号；所述鉴相器，用于将参考信号与压控振荡器的输出经过分频后的信号的相位进行比较，产生控制电荷泵充放电的直流脉冲。


3.根据权利要求2所述的一种频率合成控制系统，其特征在于：所述频率合成模块采用集成压控振荡器的ADF4351芯片，微控制器与ADF4351芯片的时钟线CLK、数据线DATA和使能线LE连接，采用SPI通信方式。


4.根据权利要求3所述的一种频率合成控制系统，其特征在于：所述环路滤波器采用三阶无源滤波器，由电容C1、C2、C3，电阻R1、R2、R1A组成，其中电容C1、C2、电阻R2的一端分别与ADF4351的电荷泵输出端CPout连接，电容C1另一端接地，电容C2另一端与电阻R1连接，电阻R1另一端接地，电阻R2另一端与电容C3连接，电容C3另一端接地，电阻R1A一端与ADF4351的SW端口连接，另一端与电容C2、电阻R1的连接端相连。


5.根据权利要求4所述的一种频率合成控制系统，其特征在于：所述微控制器采用STM32系列单片机，所述功率衰减器采用HMC307QS16G芯片，所述存储管理模块采用CH378芯片，通过八位并口方式与微控制器连接，所述按键模块采用4*4矩阵键盘、所述存储介质采用U盘，微控制器的PA0～PA3引脚连接4*4矩阵键盘的行线，其PA4～PA7引脚连接4*4矩阵键盘的列线。


6.基于权利要求5所述的控制系统实现的一种频率合成控制设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，通过4*4矩阵键盘输入目标频率值，微控制器对ADF4351寄存器进行配置，通过ADF4351的RFOUTA+端口输出频率信号；
步骤2，将输出的频率信号经过功率衰减器进行衰减，得到4*4矩阵键盘输入的目标频率值，将衰减后的频率信号传输至微控制器内置的AD采集模块；
步骤3，微控制器内置的AD采集模块对输入的频率信号对应的功率值处理转换，通过数字滤波算法将模拟功率信号转换为电压信号；
步骤4，存储管理模块将AD采集到频率信号的电压以及电压对应的功率值写入存储介质保存。


7.根据权利要求6所述的一种频率合成控制设计方法，其特征在于：所述步骤1，通过4*4矩阵键盘输入目标频率值，微控制器对ADF4351寄存器进行配置，具体如下：
步骤1.1，通过4*4矩阵键盘输入目标频率值至微控制器；
步骤1.2，计算ADF4351的鉴相器的参考信号频率fPFD，公式如下：
fPFD＝REFIN*{(1+D)/R*(1+T)}(1)
其中，REFIN表示参考输入频率，D表示参考输入频率倍频器位；R表示二进制10位可编程参考计数器的预设分频比；T表示参考二分频位；
步骤1.3，根据ADF4351的VCO工作频率对VCO频段进行分频，确定寄存器的分频值RFDivider，微控制器配置ADF4351的寄存器R4；
通过微控制器将寄存器设定值写入到ADF4351中之前，将寄存器R4[DB5]设为0，即初始化VCO的工作状态；
确定分频值RFDivider后，对ADF4351的寄存器R4[DB22:DB20]进行设置，寄存器R4的该三位对应分频值；设置频段选择逻辑时钟输入的分频器BSCDV，其约束条件如下：
BSCDV＞fPFD/0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金玲玲，殷兴辉，王新君，孙威，沈飞，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32