CN108768392A - 一种宽频率高精度频率合成器及频率合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频率高精度频率合成器，包括FPGA控制电路，FPGA控制电路的信号输入端连接外部信号，FPGA控制电路的信号输出端通过电平转换器连接DDS频率生成电路,DDS频率生成电路的信号输出端连接VCO频率合成电路的信号输入端，VCO频率合成电路的信号输出端通过程控放大器连接信号输出端，FPGA控制电路还通过控制线分别连接DDS频率生成电路和VCO频率合成电路。本发明的宽频率高精度频率合成器及频率合成方法，能够使输出信号频率范围达到10.9M～1.175GHz，精度可与DDS电路精度保持一致，可广泛应用于雷达、仪器仪表等领域。
Description
技术领域
本发明属于频率合成器技术领域，具体涉及一种宽频率高精度频率合成器及频率合成方法。
背景技术
随着电子技术的发展，对信号源的要求也越来越高，尤其是应用于雷达、测试测量等领域，对信号源的要求更加苛刻。目前，信号产生有DDS、VCO、YIG等方式产生，其具有功能单一、频率范围窄、信号不够干净、无法程控等弊病，尤其是应用于本振的信号，对信号稳定度、频率等特性要求极高，现有技术无法实现通过一个设备覆盖各频率输出，且输出信号精度不高。
发明内容
本发明的目的在于：解决上述现有技术中的不足，提供一种宽频率高精度频率合成器及频率合成方法，使输出信号频率范围达到10.9M～1.175GHz，精度可与DDS电路精度保持一致，可广泛应用于雷达、仪器仪表等领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种宽频率高精度频率合成器，包括FPGA控制电路，所述FPGA控制电路的信号输入端连接外部信号，所述FPGA控制电路的信号输出端通过电平转换器连接DDS频率生成电路，所述DDS频率生成电路的信号输出端连接VCO频率合成电路的信号输入端，所述VCO频率合成电路的信号输出端通过程控放大器连接信号输出端，所述FPGA控制电路还通过控制线分别连接所述DDS频率生成电路和所述VCO频率合成电路。
进一步的，上述的VCO频率合成电路包括与所述DDS频率生成电路依次连接的鉴频鉴相器、压控振荡器、倍频器和分频器，所述倍频器的信号输出端还连接所述鉴频鉴相器，所述分频器的信号输出端连接所述程控放大器。
进一步的，上述的DDS频率生成电路和VCO频率合成电通过带通滤波器连接，所述VCO频率合成电路和程控放大器之间通过第一低通滤波器连接，所述鉴频鉴相器和压控振荡器之间通过第二低通滤波器连接，所述程控放大器和信号输出端之间通过第三低通滤波器连接，所述带通滤波器为30-50MHz带通滤波器，所述第一低通滤波器、第二低通滤波器和第三低通滤波器为1.2GHz低通滤波器。
进一步的，上述的DDS频率生成电路包括与FPGA控制电路依次连接的DDS合成器、电压电流转换电路、双端转单端变压器，所述双端转单端变压器的信号输出端与所述VCO频率合成电路的信号输入端连接。
进一步的，上述的FPGA控制电路分别通过控制线连接所述倍频器、所述分频器和所述DDS合成器。
进一步的，上述的FPGA控制电路的信号输入端分别连接31个控制端口。
一种宽频率高精度频率合成方法，应用上述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：调试VCO频率合成电路，使所述压控振荡器的输出信号和所述鉴频鉴相器的信号输入端输入的信号频率一致；
步骤二：FPGA控制电路识别外部输入的31个控制电平，根据输入的控制电平改变输出信号的频率，并控制DDS频率生成电路输出相应的电流信号；
步骤三：通过电压电流转换电路将所述电流信号转换为电压信号，然后通过变压器将双端信号转换为单端信号并通过带通滤波器滤波后输出至VCO频率合成电路；
步骤四：通过鉴频鉴相器将所述电压信号转换为直流电压信号并通过第一低通滤波器滤波后输出至压控振荡器，压控振荡器根据所述直流电压信号输出相应频率的输出信号，然后通过倍频器和分频器控制输出至第二低通滤波器信号的频率；
步骤五：第二低通滤波器将得到的信号通过程控放大器增益后输出至信号输出端。
进一步的，上述步骤四中，FPGA控制电路通过控制倍频器的倍频系数和分频器的分频系数，控制输出至第二低通滤波器信号的频率，计算公式为：
分频器输出频率＝倍频器输入频率*倍频系数/分频系数。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的宽频率高精度频率合成器及合成方法解决了宽频信号需分频段选择输出、多模块切换、输出功率不足、信号谐波较大的问题；
本发明可实现宽频率输出，输出频率范围达到10.9M～1.175GHz；
本发明可实现程控输出，精度与DDS合成器一致；
本发明中宽频率高精度频率合成器的输出信号幅度可控，Phn100优于-99dBc/Hz，Phn20M优于-147dBc/Hz，谐波小，信号极干净；
本发明中宽频率高精度频率合成器的***响应优于1us。
附图说明
图1为本发明的频率合成器电路连接示意图。
图2为本发明的DDS频率生成电路连接示意图。
图3为本发明的VCO频率合成电路连接示意图。
图4为本发明的频率合成方法流程示意图。
具体实施方式
参照附图1-4，对本发明的实施方式做具体的说明。
一种宽频率高精度频率合成器，包括FPGA控制电路，所述FPGA控制电路的信号输入端连接外部信号，所述FPGA控制电路的信号输出端通过电平转换器连接DDS频率生成电路，所述DDS频率生成电路的信号输出端连接VCO频率合成电路的信号输入端，所述VCO频率合成电路的信号输出端通过程控放大器连接信号输出端，所述FPGA控制电路还通过控制线分别连接所述DDS频率生成电路和所述VCO频率合成电路。
进一步的，上述的VCO频率合成电路包括与所述DDS频率生成电路依次连接的鉴频鉴相器、压控振荡器、倍频器和分频器，所述倍频器的信号输出端还连接所述鉴频鉴相器，所述分频器的信号输出端连接所述程控放大器。
进一步的，上述的DDS频率生成电路和VCO频率合成电通过带通滤波器连接，所述VCO频率合成电路和程控放大器之间通过第一低通滤波器连接，所述鉴频鉴相器和压控振荡器之间通过第二低通滤波器连接，所述程控放大器和信号输出端之间通过第三低通滤波器连接，所述带通滤波器为30-50MHz带通滤波器，所述第一低通滤波器、第二低通滤波器和第三低通滤波器为1.2GHz低通滤波器。
进一步的，上述的DDS频率生成电路包括与FPGA控制电路依次连接的DDS合成器、电压电流转换电路、双端转单端变压器，所述双端转单端变压器的信号输出端与所述VCO频率合成电路的信号输入端连接。
进一步的，上述的FPGA控制电路分别通过控制线连接所述倍频器、所述分频器和所述DDS合成器。
进一步的，上述的FPGA控制电路的信号输入端分别连接31个控制端口。
一种宽频率高精度频率合成方法，应用上述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：调试VCO频率合成电路，使所述压控振荡器的输出信号和所述鉴频鉴相器的信号输入端输入的信号频率一致；
步骤二：FPGA控制电路识别外部输入的31个控制电平，根据输入的控制电平改变输出信号的频率，并控制DDS频率生成电路输出相应的电流信号；
步骤三：通过电压电流转换电路将所述电流信号转换为电压信号，然后通过变压器将双端信号转换为单端信号并通过带通滤波器滤波后输出至VCO频率合成电路；
步骤四：通过鉴频鉴相器将所述电压信号转换为直流电压信号并通过第一低通滤波器滤波后输出至压控振荡器，压控振荡器根据所述直流电压信号输出相应频率的输出信号，然后通过倍频器和分频器控制输出至第二低通滤波器信号的频率；
步骤五：第二低通滤波器将得到的信号通过程控放大器增益后输出至信号输出端。
进一步的，上述步骤四中，FPGA控制电路通过控制倍频器的倍频系数和分频器的分频系数，控制输出至第二低通滤波器信号的频率，计算公式为：
分频器输出频率＝倍频器输入频率*倍频系数/分频系数。
本发明宽频率高精度频率合成器能输出频率为10.9M～1.175GHz的信号源，具有31个控制端口来改变输出信号的频率，该信号源设计采用DDS和VCO压控振荡器实现，输出功率能达到200mW左右，该频率合成器具有输出精度高、消耗功率小、安装方便的特点。
FPGA处理器由FPGA以及***最小***等硬件构成，主要用于DDS芯片、VCO芯片的时序控制，以及控制端口的识别。
由于FPGA的控制电平为3.3V，而AD9851的控制电平为5V，因此需要对电平进行转换后才能匹配，SN74LV4245A是一个双向的电平转换器，通过对CE端口拉低，就能实现3.3V电平转换为5V电平。
DDS频率生成电路是为压控振荡器提供一个参考频率，受控与微处理器。DDS芯片选择ADI公司的AD9851，该芯片具有高性能的10为ADC，32为频率控制字，使一个数字可编程频率合成器和时钟发生器功能化。当参照准确的时钟源，AD9851可以产生一个稳定的频率和相位且可数字化编程的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作CDCE421A的时钟源。
VCO频率合成电路对DDS提供的参考频率通过鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器以及输出分频器之后输出，受控与微处理器。压控震荡器芯片选择的是TI公司的CDCE421A，该芯片具有鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器以及输出分频器等功能块，AD9851生成的时钟源直接当作CDCE421A的参考时钟。
FPGA控制电路先通过判断外部某个端口使能，然后立刻控制AD9851和CDCE421A输出一个其端口对应的频率的信号。
Claims (8)
1.一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：包括FPGA控制电路，所述FPGA控制电路的信号输入端连接外部信号，所述FPGA控制电路的信号输出端通过电平转换器连接DDS频率生成电路，所述DDS频率生成电路的信号输出端连接VCO频率合成电路的信号输入端，所述VCO频率合成电路的信号输出端通过程控放大器连接信号输出端，所述FPGA控制电路还通过控制线分别连接所述DDS频率生成电路和所述VCO频率合成电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：所述的VCO频率合成电路包括与所述DDS频率生成电路依次连接的鉴频鉴相器、压控振荡器、倍频器和分频器，所述倍频器的信号输出端还连接所述鉴频鉴相器，所述分频器的信号输出端连接所述程控放大器。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：所述的DDS频率生成电路和VCO频率合成电通过带通滤波器连接，所述VCO频率合成电路和程控放大器之间通过第一低通滤波器连接，所述鉴频鉴相器和压控振荡器之间通过第二低通滤波器连接，所述程控放大器和信号输出端之间通过第三低通滤波器连接，所述带通滤波器为30-50MHz带通滤波器，所述第一低通滤波器、第二低通滤波器和第三低通滤波器为1.2GHz低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：所述的DDS频率生成电路包括与FPGA控制电路依次连接的DDS合成器、电压电流转换电路、双端转单端变压器，所述双端转单端变压器的信号输出端与所述VCO频率合成电路的信号输入端连接。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：所述的FPGA控制电路分别通过控制线连接所述倍频器、所述分频器和所述DDS合成器。
6.根据权利要求2所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：所述的FPGA控制电路的信号输入端分别连接31个控制端口。
7.一种宽频率高精度频率合成方法，应用权利要求1所述的一种宽频率高精度频率合成器，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：调试VCO频率合成电路，使所述压控振荡器的输出信号和所述鉴频鉴相器的信号输入端输入的信号频率一致；
步骤二：FPGA控制电路识别外部输入的31个控制电平，根据输入的控制电平改变输出信号的频率，并控制DDS频率生成电路输出相应的电流信号；
步骤三：通过电压电流转换电路将所述电流信号转换为电压信号，然后通过变压器将双端信号转换为单端信号并通过带通滤波器滤波后输出至VCO频率合成电路；
步骤四：通过鉴频鉴相器将所述电压信号转换为直流电压信号并通过第一低通滤波器滤波后输出至压控振荡器，压控振荡器根据所述直流电压信号输出相应频率的输出信号，然后通过倍频器和分频器控制输出至第二低通滤波器信号的频率；
步骤五：第二低通滤波器将得到的信号通过程控放大器增益后输出至信号输出端。
8.根据权利要求7所述的一种宽频率高精度频率合成方法，其特征在于：所述步骤四中，FPGA控制电路通过控制倍频器的倍频系数和分频器的分频系数，控制输出至第二低通滤波器信号的频率，计算公式为：
分频器输出频率＝倍频器输入频率*倍频系数/分频系数。
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