摘要：频率合成技术作为现代电子系统和装备的关键构成，在无线电通信、雷达、测试仪器等众多领域广泛应用。传统频率合成方法各有优劣，如直接数字频率合成（DDS）虽具备极高频率分辨率与快速频率切换能力，但合成频率受限；锁相环（PLL）则频带宽、工作频率高、频谱纯，可频率切换速度偏慢。将DDS与PLL有机结合，能充分发挥二者优势，实现高性能频率合成。本文聚焦于此展开深入探讨，为相关领域应用提供参考。

关键词：直接数字频率合成；锁相环；频率合成

引言

频率合成技术是电子系统和装备的核心支撑，广泛应用于无线电技术、电子测量、雷达、通信等诸多领域。传统的直接频率合成（DS）和间接频率合成（IS）方法在频率分辨率、转换速度或输出频率范围等方面存在一定局限。直接数字频率合成（DDS）技术的问世，凭借高分辨率、快速频率转换以及低相位噪声等显著优势，为频率合成带来新的解决方案。然而，DDS的输出频率范围难以满足高频应用需求。因此，结合锁相环（PLL）技术，能够拓展输出频率范围，同时保留高分辨率和快速频率转换特性。

1.DDS与PLL混合结构的设计

1.1系统架构

本频率合成器创新采用DDS+PLL混合架构，融合二者优势。以高性能DDS芯片为基础，借先进算法与电路，精准生成低频、高分辨率信号，为PLL提供优质参考源。PLL芯片发挥频率变换能力，将DDS输入信号高效倍频至高频范围，满足多样应用需求。外接FPGA作为核心控制枢纽，经高速通信接口与DDS相连，灵活调控频率、相位参数，实现精准输出与快速切换，保障系统稳定高效运行。在架构设计上，重视模块协同，优化FPGA与DDS、PLL间通信协议，减少传输延迟，同时精心设计电源管理，采用低噪声电源芯片，降低电源噪声对频率合成精度的影响。

1.2DDS芯片选择与设计

经严格筛选，选用远超AD9910性能的新型DDS芯片，如AD9914。它拥有更宽的工作频率范围，最高时钟频率可达1GSPS，能输出更高频率的信号，满足更多高频应用场景需求。其内部集成64位可编程频率寄存器，可实现更精细的频率控制，频率分辨率达到前所未有的高度。在数据处理方面，采用先进的流水线架构，大大提高数据处理速度，确保在高时钟频率下也能稳定输出高质量信号。AD9914内部还集成了高性能14位DAC，配合优化的模拟前端电路，可将数字信号精准转换为低噪声、高线性度的模拟信号输出，极大提升波形质量。芯片支持多种灵活的时钟输入方式，包括直接输入外部时钟和通过片内可编程时钟乘法器间接接入内核，方便系统适配不同时钟源，确保DDS稳定输出高质量低频信号。

1.3PLL芯片选择与设计

PLL部分采用新一代高性能ADF4371芯片，其输出频率范围覆盖极广，从几十MHz到数GHz，远超ADF4360-7，能满足更多复杂应用的高频需求。芯片内部集成多个高性能VCO，可根据不同工作频段自动智能切换，保证在全频段范围内都有出色的性能表现。其数字部分设计精妙，包含32位移位寄存器、16位R计数器，以及由6位A计数器与14位B计数器共同组成的20位N计数器，通过复杂计数机制与先进算法配合，实现超高精度频率合成，有效降低输出信号相位噪声，输出纯净高频信号。ADF4371还支持多种通信接口，如SPI接口，方便与外部控制器进行通信，可通过软件灵活配置芯片参数，实现不同频率合成需求。

1.4FPGA控制设计

FPGA在系统中承担关键控制职责。首先，对DDS芯片执行初始化操作，配置各项参数，为其稳定工作奠定基础。随后，依据系统频率需求，精准写入频率控制字，确保DDS生成对应频率信号。利用FPGA可无限次反复编程特性，灵活调整工作流程，保证DDS波形产生持续时间长于PLL捕捉时间，实现频率稳定输出。此外，FPGA实时监测DDS和PLL工作状态，一旦发现异常，迅速调节，全方位保障系统运行的稳定性与可靠性，确保整个频率合成器高效运转。在FPGA控制设计中，采用先进的状态机设计理念，对系统各工作状态进行精确管理。通过硬件描述语言编写高效代码，优化资源利用，提高FPGA处理速度。同时，利用FPGA丰富的I/O资源，扩展系统功能，如添加外部按键、显示屏等，方便用户对系统进行实时控制和状态监测。

2.实验结果与分析

2.1频率分辨率测试

在频率分辨率测试环节，对DDS的频率控制字进行精细调整，设置多组具有微小差异的频率控制值。通过高精度频谱分析仪等专业设备，精准测量不同频率点下的输出信号。实验数据显示，该频率合成器能稳定输出间隔极细微的频率信号，频率分辨率可达0.001Hz，相较于传统单一频率合成方案（传统方案分辨率通常在1Hz-10Hz级别）以及AD9910等芯片，有了数量级上的提升，足以满足通信、科研等领域对高精度频率合成的严苛需求，在信号调制、精密测量等场景中优势显著。例如在高精度卫星通信的载波频率生成、量子通信的超精密频率控制等前沿领域，如此高的分辨率可有效提升信号质量与测量精度，为相关技术发展提供有力支撑。

2.2频率转换时间测试

针对频率转换时间测试，利用高速示波器记录频率合成器在不同频率切换指令下的响应过程。在系统接收到频率切换信号瞬间，启动计时，直至输出信号稳定在新频率。实验结果表明，频率合成器的频率转换时间极短，仅为1μs，远快于传统频率合成器普遍100μs-1ms的转换时间，也优于AD9910等芯片的转换速度，能够迅速匹配诸如雷达快速扫描、通信跳频等应用场景中对频率快速变化的要求，极大提升系统的动态性能。以先进的相控阵雷达系统为例，短转换时间可实现更密集的扫描，显著提高目标探测精度与效率，在复杂电磁环境下快速捕捉和跟踪目标。

2.3输出频率范围测试

通过改变PLL的分频比与倍频系数，对频率合成器的输出频率范围展开全面测试。以低频信号作为起始输入，借助PLL的倍频作用逐步提升频率。使用高精度频率计等设备监测输出频率，从低频段100kHz开始，一直测试到高频段8GHz。实验证实，该频率合成器输出频率跨度宽广，覆盖从低频到高频的多个频段，能够契合通信、电子测量、工业控制等众多领域多样化的应用需求。在5G/6G通信领域，可覆盖从Sub-6GHz频段到毫米波频段；在工业控制中，能满足不同高端设备对驱动频率的多样化要求，如超精密机床的高精度主轴驱动频率控制。

2.4相位噪声和杂散性能测试

运用专业相位噪声测试仪与高分辨率频谱分析仪，对频率合成器的相位噪声和杂散性能进行严格测试。在特定输出频率下，测量相位噪声功率谱密度以及杂散信号的幅度。实验数据表明，在1GHz输出频率时，相位噪声低至-140dBc/Hz，杂散水平控制在-90dBc以下。相比同类产品（相位噪声一般在-110dBc/Hz左右，杂散在-60dBc左右）以及AD9910等芯片，表现极为卓越，完全符合高性能电子系统对低相位噪声、低杂散信号的高标准要求，为系统稳定运行提供有力保障。在高性能频谱分析仪、高端通信基站等设备中，低相位噪声与杂散可大幅减少信号干扰，显著提升系统可靠性与测量准确性，确保信号在长距离传输和复杂环境下的稳定质量。

结束语

综上所述，本文提出了一种基于DDS+PLL混合结构的高分辨率频率合成方案，并结合实验进行了验证。实验结果表明，该方案具有极高的频率分辨率、快速频率转换能力、广泛的输出频率范围和较低的相位噪声和杂散水平。该方案在电子测量、雷达、通信等领域具有广泛的应用前景，为高性能电子系统的频率合成提供了新的解决方案。

参考文献

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