阅读说明：本技术 基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统 (System for generating center frequency variable high-speed linear frequency modulation signal based on phase-locked loop ) 是由 姚宗诚 黄涤生 王清文 吴义华 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统,属于射频领域。本发明包括：运算放大器、单片机、锁相环、晶振、环路滤波器、加法器、压控振荡器和定向耦合器,所述运算放大器与加法器连接,单片机和晶振均与锁相环连接,锁相环通过环路滤波器与加法器连接,加法器通过压控振荡器与定向耦合器连接,定向耦合器与锁相环连接。本发明利用锁相环精确锁定输出线性调频信号的中心频率,通过加法器将调制信号和锁相环输出的直流信号相叠加,以控制线性调频信号的大小和扫频带宽,利用单片机控制中心频率的切换,以达到超宽带,中心频率可调的目的,利用直接驱动的方式,保证了扫频信号的响应速度,能够满足越来越高的性能要求。(The invention provides a system for generating a center frequency variable high-speed linear frequency modulation signal based on a phase-locked loop, belonging to the field of radio frequency. The invention comprises the following steps: the circuit comprises an operational amplifier, a single chip microcomputer, a phase-locked loop, a crystal oscillator, a loop filter, an adder, a voltage-controlled oscillator and a directional coupler, wherein the operational amplifier is connected with the adder, the single chip microcomputer and the crystal oscillator are both connected with the phase-locked loop, the phase-locked loop is connected with the adder through the loop filter, the adder is connected with the directional coupler through the voltage-controlled oscillator, and the directional coupler is connected with the phase-locked loop. The invention utilizes the phase-locked loop to accurately lock the central frequency of the output linear frequency modulation signal, superposes the modulation signal and the direct current signal output by the phase-locked loop through the adder to control the size and the sweep frequency bandwidth of the linear frequency modulation signal, utilizes the singlechip to control the switching of the central frequency so as to achieve the purposes of ultra wide band and adjustable central frequency, and utilizes a direct driving mode to ensure the response speed of the sweep frequency signal and meet the higher and higher performance requirements.)

基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统

技术领域

本发明涉及射频领域，特别涉及一种基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统。

背景技术

频率源的产生是一项重要的微波技术，几乎所有的射频系统都会用到频率源。近年来，随着数字无线通信、雷达、广播电视等通信技术的迅速发展，对频率源的性能要求也逐渐提高。其中，线性调频信号是一项重要的频率源技术，如何产生高速稳定的线性调频信号，是射频工程师以及工程应用中必须面对和解决的一个问题。

目前传统的三种产生线性调频信号的电路具体为：基于压控振荡器产生线性调频信号的电路，其基本电路图见图1，基于锁相环产生线性调频信号的电路，其基本电路图见图2，基于DDS产生线性调频信号的电路，其基本电路图见图3。

其中，基于压控振荡器产生线性调频信号的电路的工作原理为：调制信号如三角波调制信号，经过运算放大器之后，直接驱动压控振荡器，以产生线性调频的射频信号。调制信号经过运算放大器进行处理之后，与压控振荡器相适配，即可以输出所需频率，所需带宽的线性调频信号。该电路有驱动方式简洁、电路简单、响应速度快的优点。

基于锁相环产生线性调频信号的电路的工作原理为：通过单片机接收频率控制码，控制锁相环以锁相环频率合成的方式直接产生线性调频信号。该电路有电路简单、温度适应性好、输出频率精准、相位噪声好的优点。

基于DDS产生线性调频信号的电路的工作原理为：通过单片机接收频率控制码，控制DDS，以直接数字频率合成的方式产生线性调频信号。该电路有响应速度极快、输出频率精准、相位噪声极好、温度适应性好的优点。

目前传统的产生线性调频信号的电路存在的技术问题及缺陷如下：

基于压控振荡器产生线性调频信号的电路存在以下几个缺陷：1)压控振荡器在高低温下的特性不能进行有效的补偿，该电路只能靠温度补偿电阻对运算放大器的放大倍数定性的对其输出电压进行大致的补偿，其温度补偿电阻的温度变化曲线与压控振荡器的变化曲线很难相对应。造成在不同的环境温度下压控振荡器的输出频率会产生变化。从而不能准确的得到所需要的线性调频信号频率，难以满足越来越高的性能要求。且对温度补偿电阻选择和运算放大器的调试带来了很大的难度，影响生产效率。2)该电路结构虽然简单，但是采用自由振荡的方式导致频率未锁定，导致输出线性调频信号的相位噪声差，可控性差，且不能作跳频源使用。难以满足越来越高的性能要求。

基于锁相环产生线性调频信号的电路存在以下缺陷：1)通过单片机控制锁相环直接产生线性调频信号的本质属于数字合成，因此输出信号的频率存在一定的步进，如1MHz步进，影响输出频率的线性度。2)该电路虽然可控，且频率精准，但是锁相环的反应速度较慢，一般为毫秒量级，无法满足快速响应的指标需求，快速响应一般为微秒量级，甚至是纳秒量级。

基于DDS产生线性调频信号的电路存在以下缺陷：1)该电路的本质是直接数字频率合成，因此输出信号的频率存在一定的步进，如10KHz步进，即使步进可以做到很小，但仍然对信号的线性度有所影响。2)DDS电路本身比较复杂，且功耗较大，并且需要较高的参考时钟，如图3所示，使用了锁相环来产生DDS所需的参考时钟信号。一般的DDS需要的参考时钟频率在1GHz～3.5GHz范围。3)使用DDS产生的线性调频信号带宽窄，且杂散较差。4)使用DDS产生的线性调频信号频率很低，一般在1GHz以下。5)使用DDS产生的线性调频信号虽然相位噪声极好，但是存在高频需求时，就需要通过倍频或者混频的方式将频率提高，而倍频会直接恶化相位噪声，混频的相位噪声则取决于相位噪声较差的信号，因此在由高频需求时，相位噪声也不会比锁相环更优。

综上所述，传统的以上三种线性调频电路均各有所长，同时又各有所短，不解决掉缺陷便难以满足越来越高的性能要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统，以满足越来越高的性能要求。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统，包括：运算放大器、单片机、锁相环、晶振、环路滤波器、加法器、压控振荡器和定向耦合器，所述运算放大器与加法器连接，单片机和晶振均与锁相环连接，锁相环通过环路滤波器与加法器连接，加法器通过压控振荡器与定向耦合器连接，定向耦合器与锁相环连接；

所述晶振，用于配合锁相环，产生直流信号，并输入至环路滤波器；

所述运算放大器，用于将输入的调制信号进行处理后输入至加法器；

所述加法器，用于将经过环路滤波器后的直流信号与经过运算放大器处理过的调制信号相叠加，共同控制压控振荡器，产生线性调频信号，并输入至定向耦合器，其中，经过环路滤波器后的直流信号，决定输出的线性调频信号的中心频率的大小，经过运算放大器处理后的调制信号，决定输出的线性调频信号的带宽；

所述定向耦合器耦合一路输出信号反馈给锁相环，再将锁相环输出的直流信号经过环路滤波器之后，输入至加法器，另一路输出线性调频信号；

所述锁相环，用于锁定输出的线性调频信号的中心频率；

所述单片机，用于根据接收的频率控制码，对锁相环进行控制，控制输出的线性调频信号的中心频率的切换。

作为优选，所述加法器为电压加法器。

作为优选，所述经过运算放大器处理后的调制信号为0V为中心的交流信号。

作为优选，所述交流信号为电压幅值范围为-1V～1V的三角波。

本发明的有益效果是，通过上述基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统，利用锁相环精确锁定输出线性调频信号的中心频率，通过加法器将调制信号和锁相环输出的直流信号相叠加，以控制线性调频信号的大小和扫频带宽，利用单片机控制中心频率的切换，以达到超宽带，中心频率可调的目的，利用直接驱动的方式，保证了扫频信号的响应速度，能够满足越来越高的性能要求。

附图说明

图1为目前传统的基于压控振荡器产生线性调频信号的电路的基本电路图；

图2为目前传统的基于锁相环产生线性调频信号的电路的基本电路图；

图3为目前传统的基于DDS产生线性调频信号的电路的基本电路图；

图4为本发明基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述基于锁相环产生中心频率可变高速线性调频信号的系统，其原理框图见图4，其中，该系统包括：运算放大器、单片机、锁相环、晶振、环路滤波器、加法器、压控振荡器和定向耦合器，所述运算放大器与加法器连接，单片机和晶振均与锁相环连接，锁相环通过环路滤波器与加法器连接，加法器通过压控振荡器与定向耦合器连接，定向耦合器与锁相环连接。

上述系统中，晶振，用于配合锁相环，产生直流信号，并输入至环路滤波器；运算放大器，用于将输入的调制信号进行处理后输入至加法器；加法器，用于将经过环路滤波器后的直流信号与经过运算放大器处理过的调制信号相叠加，共同控制压控振荡器，产生线性调频信号，并输入至定向耦合器，其中，经过环路滤波器后的直流信号，决定输出的线性调频信号的中心频率的大小，经过运算放大器处理后的调制信号，决定输出的线性调频信号的带宽；定向耦合器耦合一路输出信号反馈给锁相环，再将锁相环输出的直流信号经过环路滤波器之后，输入至加法器，另一路输出线性调频信号；锁相环，用于锁定输出的线性调频信号的中心频率；单片机，用于根据接收的频率控制码，对锁相环进行控制，控制输出的线性调频信号的中心频率的切换。

根据实际工况的选择，加法器优选为电压加法器。为了满足调制信号的要求，一般情况下，经过运算放大器处理后的调制信号可以优选为0V为中心的交流信号。基于使用习惯，交流信号优选为电压幅值范围为-1V～1V的三角波。

实际应用时，通过定向耦合器耦合一路输出信号反馈给锁相环，再将锁相环输出的直流信号经过环路滤波器之后，通过电压加法器将该直流信号与运算放大器处理过的调制信号相叠加，共同控制压控振荡器。其中，由晶振和锁相环产生的，经过环路滤波器后的直流信号，此处设为Vt，决定输出的线性调频信号的中心频率；经过运算放大器处理后的调制信号，此处设为Vs，决定线性调频信号的带宽。经过加法器之后，控制压控振荡器的信号为Vt+Vs。

再通过单片机对锁相环进行控制，即可以作为跳频源使用，达到灵活的切换输出的线性调频信号中心频率的目的。配合宽带压控振荡器，即可作为宽带的中心频率可变的高速线性调频信号。

本发明虽然由锁相环和调制信号通过加法器之后共同驱动压控振荡器，但由于锁相环信号仅用于控制中心频率，而加法器，运算放大器，压控振荡器的响应速度极快，因此输出线性调频信号的响应速度没有受到影响，具有简洁、响应速度快的优点。

综上所述，本发明通过利用锁相环可以精确锁定输出线性调频信号的中心频率；通过加法器可以将调制信号和锁相环输出的直流信号相叠加，以控制线性调频信号的扫频带宽；利用单片机可以控制中心频率的切换，仅由运算放大器、加法器、压控振荡器，共三个高速器件决定扫频的响应速度，再配合超宽带压控振荡器，即可产生超宽带的中心频率可变的高速线性调频信号，以达到超宽带，中心频率可调的目的，并且，直接驱动的方式，保证了扫频信号的响应速度。