引言

核磁共振波谱仪被公认为是一种重要的研究和测试工具并获得广泛的应用.核磁共振信号的灵敏度相对较低，为得到高性能的图谱，用于产生射频激发与检波本振信号的频率合成器需要具有低相位噪声、高稳定度、高分辨率等特性；另一方面，不同场强下不同样品核的核磁共振频率不同，频率合成器输出的信号必须在相应的频率范围内保持一致的性能.

目前在核磁共振波谱仪中应用较多的频率合成器是由PTS(Programmed Test Source)公司生产的频率源系列，该产品多采用模拟合成技术实现频率合成，具有宽输出频率范围、高稳定度、高分辨率、低相位噪声等优点^[1]，但同时也存在着完全依赖进口、价格昂贵、结构复杂、维修困难等问题.自主研发满足国产核磁共振谱仪应用要求的频率合成器，对于降低整体成本、简化设计、缩小体积、提高适用性具有十分重要的意义.

本文提出了基于单片机控制的锁相环(Phase-locked Loop, PLL)与直接数字合成(Direct Digital Synthesis, DDS)技术相结合的频率合成器方案，设计出的频率合成器具有结构简单、输出频带宽、分辨率高、稳定度好、相位噪声低、成本低廉等优点，并经实验测试验证，各项指标均能够达到核磁共振实验的要求，可以替代进口同类频率源产品完成核磁共振实验功能.以下将对此频率合成器的整体设计、核心技术原理以及测试结果做详细介绍.

1 设计与实现

在核磁共振波谱仪系统中，频率合成器输出的射频信号作为发射机与接收机的本振信号使用.用户根据具体的实验要求，通过上位机软件向频率合成器发送频率数据，经接收解析后由控制器向各器件发送控制命令，更改配置信息，输出相应频率；其输出频率要求具有较低的相位噪声以满足NMR实验对谱仪性能的要求^{[2, 3]}.

1.1 系统设计

本设计共包含3个独立的频率输出通道，各通道原理和结构相同，每个通道主要包括控制和频率合成两个部分.前者主要由ST公司的STM32单片机构成，通过控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)总线接收用户设定频率值的控制指令，并由串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface, SPI)总线输出对PLL及DDS进行配置以设置相应频率；频率合成采用PLL与DDS相结合，通过两次混频分别进行频率的细调和大步进粗调以获得所需频率输出.设计框图如图 1所示.

控制模块采用STM32单片机作为主控制器，它具有大容量的内存可实现数据的快速读取，丰富的外设资源可实现所需系统功能^[4].STM32通过CAN通信接口与控制台及其它部件进行通信^[5]，由CAN收发中断处理程序接收命令并作出反应.主控台发出的频率控制参数由控制器内部程序解析运算得到相应的配置字，通过SPI总线输出控制信号，分别对PLL、DDS以及衰减器进行配置^[6]，从而改变最终输出的频率和功率.

为了避免多时钟引起的干扰，频率合成器与整个系统的时钟采用同一个恒温晶振提供，由功分器将时钟分配给各器件作为参考时钟源.

频率合成分为细调环（0.001 Hz步进）与粗调环（10 MHz步进）两个相对独立的部分.每个调节环内分别进行一次混频，由于不相干的信号混频时输出噪声谱是两个输入信号噪声谱之和^{[7, 8]}，因此用于混频的信号本身的噪声性能极为重要.

频率细调环中选用片上内置VCO的锁相环器件AD9518作为960 MHz固定频率发生器，可以满足本设计多个通道的需求.AD9518可选片上VCO或外接VCO方式，使用灵活，并具有高稳定性和低附加相位噪声；芯片内部已经集成可编程鉴相器，外部的环路滤波器电路要根据实际的输出频率、鉴相频率、期望带宽以及性能需求来设计，根据不同的锁相环参数配置进行调整.环路滤波器对锁相环路参数调整起着决定性的作用，会影响整个锁相环输出的相位噪声、锁定时间和环路的稳定性.综合考虑环路带宽、相位裕度、输出频率等因素调整元件参数值，最终得到较为合理的相噪性能.使用Agilent公司生产的E5500A相噪测试仪，得到固定频率PLL输出信号相噪如图 2(a)所示.

本设计选用的DDS(AD9912)具有48位频率控制字，输出分辨率达μHz，可用于精细调节频率步进，保证输出频率的高分辨率^[9].DDS以AD9518输出的960 MHz低噪声固定频率作为参考时钟，输出频率范围为40 MHz~50 MHz、步进为0.001 Hz的中频信号，这一输出经低通滤波器滤波后进行90°差值的移相，然后再与960 MHz固定频率信号进行正交混频，得到915±5 MHz高中频信号，从而实现频率细调，最终输出的频率分辨率由DDS的分辨率决定.这一级混频输出的相噪测试图如图 2(b)所示.

频率粗调部分直接由专用的宽带PLL产生频率范围为920 MHz~1 540 MHz的信号，与上述频率细调环的输出再一次混频，经低通滤波器滤波后最终得到5 MHz~645 MHz宽带输出，相噪测试图如图 3所示.

按照谱仪系统指标要求，频率综合器的最终输出功率要求在10 dBm左右.由于最后一级混频时混频器本身的转换损耗达10 dB，使得最终输出不能达到指标要求，需要进行功率放大.这一环节采用先串接可变衰减器，再用射频功率放大器进行放大的方式，实现输出功率可控.

1.2 测试结果

本方案设计研发的频率合成器性能指标如表 1所示.由DDS决定的频率步进值可以达到μHz，但实际上0.1 Hz的分辨率已经完全可以满足核磁共振实验的要求.采用两个通道分别输出一定间隔的频率再进行混频的方法可以得到0.001 Hz的步进值测试结果.

频率范围的设计指标值为5 MHz~645 MHz，用Agilent公司生产的E4445A频谱分析仪测试输出频率范围并得出测试结果如图 4所示.

相位噪声测试选取在输出频率为522.727 MHz，实际测得单边相位噪声如图 5所示（单边带相位噪声-56.08 dBc/Hz@1 Hz，-89.47 dBc/Hz@1 kHz），测试单边带宽为1 Hz~1 MHz.

由测试结果可知，频率合成器能够满足可以满足国产核磁共振谱仪的应用需求，具有频率分辨率高、相位噪声低等优点，能够替代同类进口产品进行核磁共振实验.

2 频率合成器实验结果

将本设计研发的频率合成器在自主研发的核磁共振谱仪实验样机上进行NMR实验，并与PTS公司的PTS D620在相同的系统环境下进行线形和信噪比的对比以检验性能.实验使用Agilent公司的5 mm OneNMR探头（探头性能指标为线形≤0.80/7.0/14.0，信噪比≥730）.频率合成器在联机实验时，实际输出频率为所需测试的核磁共振频率加上接收机的中频频率^[10].

信噪比对比实验采用灵敏度样品（0.1%乙基苯，99.9%氘代氯仿）的单脉冲序列进行检测比较.图 6给出了各自的实验谱图，多次测试结果见表 2.实验结果表明自主研发的频率合成器的¹H信噪比与PTS D620上的实验结果相当，达到预期指标要求.

线形对比实验采用线形标样（1%氯仿溶于丙酮）单脉冲实验进行检测比较，实验结果如图 7所示.从结果中可以看出自主研发的的频率合成器与PTS D620在线形指标上相当，达到预期的指标要求.

3 总结

本文介绍了一种基于锁相环技术的频率合成器的设计与实现.通过STM32单片机实现控制和通信，采用锁相式数字频率合成法与直接数字频率合成法相结合，经两次混频分别进行频率步进的粗调和细调以获得所需频率输出，实现了高分辨率、宽带、低相噪的频率合成器，并通过NMR实验测试了频率合成器的性能，验证了本方案的可行性.