口袋射频时钟源 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 项目说明 这几天做了一个便携射频时钟源，尺寸很小，一手掌握，揣在口袋里就走。双通道输出，频率范围为20MHz到9.8GHz，频率分辨率理论可达1Hz。输入方面有一个参考输入，一个参考输出，支持使用板载ocxo作为基准或锁定外部基准。控制方面通过TYPEC口进行控制+供电，做到即插即用。目前是串口发指令控制，写了十条指令，基本功能均能覆盖。后续会考虑用QT搭建上位机，图形化配置。 ### **PS:** QT挺好玩的，玩了两天简单做了个上位机，现已可以图形化控制便携射频时钟源了，TYPEC连上电脑即用，无需单独配置各种寄存器。    # 开源协议说明 <font color="Red">**未经作者允许，禁止商用。转载或引用需注明原作者与工程链接**</font> # 项目相关功能 ### 1.整版资源概述： 本射频源板载OCXO，默认参考信号频率为10MHz。板载STM32F411进行控制与跟上位机通信。射频链路均匹配到了50Ω阻抗，板载非反射式射频开关用于对参考信号切换，支持外部参考信号输入。板载低抖动时钟缓冲器，附加一路参考信号输出。并且本次设计包括了<font color="Orange">**铝型材外壳与PCB面板**</font>，将PCB及元件封装起来，更像一个真正的口袋仪器。 ### 2.TYPEC接口： 本次供电与通信使用单个TYPEC口完成，无需驱动，即插即用（使用串口芯片为CH343P，绝大部分电脑可以免驱运行）。处于保护考虑，TYPEC接口含有<font color="Orange">**ESD+共模滤波**与**EFUSE**</font>，防止烧坏电脑接口。 ### 3.电源管理： 为了减小小数分频模式的杂散，本次并未引入DC-DC电源，各项供电均采用的**超高PSRR、低噪声的LDO+穿心电容滤波器**，以获得较为干净的电源，引入更小的噪声。整机启动时（恒温晶振预热）功耗约为4W，运行时稳定功耗约为2W-3W。 ### 4.恒温晶振参考源： 恒温晶振采用DAPU的O22S-1802(全新约50元)，高稳定性，低相位噪声，标称参数1KHz@10MHz 相噪典型值为-150dBc，算是全新的OCXO中比较具有性价比了。  ### 5.PLL芯片： 锁相环频率合成器采用的TI的LMX2592（全新约75），输出频率范围为 20 至 9800MHz，有着优秀的VCO相位噪声，在输出为 6GHz 且偏移为 1MHz 时为 –134.5dBc/Hz。归一化 PLL本底噪声为-231dBc/Hz。支持分数 N 和整数 N 模式，具有一个 32 位分数分频 器，支持选择合适的频率。可编程输出功率水平。  # 项目属性 本项目为首次公开，为本人原创项目。项目未曾在别的比赛中获奖。 # 项目进度 ## 一、硬件部分： 硬件部分验证已全部完成，所有目标功能均已实现，可正常输出20M-9800MHz射频信号，可正常锁定外部参考或者内部参考信号，参考信号缓冲输出也正常。 ### 1.射频信号相噪特性：6GHz测试相位噪声为100hz处约 -70dBc ，受限于仪器设备该档位的底噪（实际相噪会更小），无法测到更远位置的相位噪声情况。(测试仪器为Keysight N9000B，输出功率为0dBm，RBW为5.1Hz) 第二张图为在RBW=1Hz条件下测试，6GHz测试相位噪声为100hz处约-80dBc  ### 2.射频信号输出：可正常输出理论分辨率为1Hz的20M-9800M内任意频点信号，如图1为SDS804测试的114.5141MHz，双通道输出；图二为Keysight 测试的7.1GHz输出波形与FFT谱。   其次，由于该PLL的VCO最大振荡频率为7100MHz，再往上需要使用片内的倍频器对VCO进行倍频，因此有较大的次谐波（怀疑是芯片没做次谐波的抑制），测试结果如下图所示，可见FFT谱中9.8GHz输出时有较大的4.6GHz的次谐波成分  ### 3.参考信号输出：可正常输出10MHz参考信号，输出阻抗为50Ω，10MHz。峰峰值为1.72V，上升沿为330ps左右（甚至可以用来做TDR），如下图，测试仪器来自Keysight  ### 4.显示与通信：通信与LED显示功能均正常，共有6个LED，分别为Power Good信号、LOCK信号、使用内部参考源信号、使用外部参考信号、以及AB通道输出使能信号。  ## 二、软件部分： ### 1.PLL驱动： 已完成LMX2592各个寄存器控制，可实现预定功能。 ### 2.UART驱动： 串口发指令控制，有十余条指令，可覆盖基本功能。所有命令均以'\n'(0x0A)结尾，并写了帮助菜单，输入**HELP\n**即可获取帮助菜单，所有命令及解释如下图所示：  ### 3.上位机： 玩了玩QT6，简单写了个图形化上位机，该有的功能基本都有了，目前支持Win平台，可控制输出频率，参考信号切换，N分频模式，每个通道输出使能与关闭，每个通道的输出功率等。  # 设计原理 没什么好说的，本质上就是基于锁相环对输入参考信号任意倍频，获得想要的输出信号，想详细了解的可以去Bing搜一搜。只是这次完成度蛮高的，基本上封装成一个产品的样子了，有外壳有上位机，即插即用，尺寸也很小，一手掌握，揣在口袋里就走。 # 软件说明 底层驱动基于C语言，使用STM32HAL库开发，开发软件为Keil v5 最主要的控制函数为**LMX2592_WRITE_FREQ**，用来配置PLL输出频率及基本寄存器。下面仅展示流程，详细代码见工程附件。LMX2592寄存器部分代码为**LMX2592.c /.h**文件中 ```C void LMX2592_WRITE_FREQ(double freq){ // Fvco = Fpd x PLL_N_PRE x (PLL_N + PLL_NUM / PLL_DEN) // The VCO core covers an octave from 3.55 to 7.1 GHz. // F_PFD=20Mhz Fout = pfd * (N) / channel_div; input freq is in Mhz // denominator = 20M(0x0131 2D00 ) the resolution = 1Hz /****************** REF PART ********************/ /****************** OUTPUT PART ********************/ /****************** NDIV SET ********************/ /****************** STRAT WORK ********************/ } ``` 与上位机通信、接收命令，发送状态函数在**UART_CTRL.c /.h**文件中，主要依赖**strstr**函数对命令进行检测。UART通信采用的中断接收。 ```C void LMX2592_FREQ_CTRL(){ temp_ret=strstr(CTRLBuffer, "FREQ="); if(temp_ret){ RX_freq=atof(temp_ret+5); if(debug_outen) printf("freq=%f\n",RX_freq); LMX2592_WRITE_FREQ(RX_freq); } ...... 其余部分省略 } ``` ### 上位机基于QT6 Cmake，比较简单，但基本功能均已实现  1. 串口选择区，确保射频时钟源连接上电脑后，点击<font color="Orange">**Scan COM**</font>获取到射频时钟源串口号，下拉选择串口为射频时钟源，点击<font color="Orange">**Open COM**</font>打开串口，如果连接成功，上面的**Select COM**指示灯将会变为<font color="Green">**绿色**</font> 2. 接上串口后，再对话框中输入想要输出的频率，单位是Mhz，范围为20-9800，而后点击<font color="Orange">**Set FREQ**</font>设置频率，如果射频时钟源成功锁定，（5）的Locked将会转为<font color="Green">**绿色**</font>，且仪器上的LOCK指示灯将会亮起。 3. 此处选择N分频模式，可选整数分频与不同阶数的小数分频，默认为小数分频，阶数为3. 4. 此处选择参考源为内部的OCXO还是外部输入，选择后应重新输入频率进行VCO校准与锁定 5. lock指示灯，如果射频时钟源成功锁定，（5）的Locked将会转为<font color="Green">**绿色**</font>，且仪器上的LOCK指示灯将会亮起。 6. 此处为控制AB通道输出使能、输出功率。如果要A通道输出，勾选上<font color="Orange">**Enable CHA**</font>，在下面的下拉栏里可以选择输出功率大小。下方B通道控制同A一样。 # 实物展示    # 注意事项 ### 板子上的金色小颗粒区域为镀金铜颗粒，兼顾散热与装饰的作用，尺寸为3x3x1.5 mm ### 焊接时可最后再焊OCXO，防止阻挡。 ### 铝型材外壳尺寸为54x23x80 mm 黑色漆，约9元一个 ### 由于板子功耗较大，插入铝盒时应在背面贴上高导热软硅胶垫片，使板子与铝外壳紧密接触，将热量导到外壳去。导热软垫厚度为2.5mm，贴上板子往铝盒子中推时会被外壳自动切削掉多余的厚度，以达到紧密连接 ### PCB上STM32烧录口为SWD，可用CMSIS-DAP进行烧录 ### PCB通过SMA接口固定在前面板上，再通过前面板的螺丝固定在外壳上。安装时可以先安装后面板（有TYPEC的一侧），而后将装好前面板的PCB推入外壳，后固定。 ### 附件中的Protable RF Synthesizer中的上位机，点击其中的.exe文件启动 ### 附件中LMX2592文件为STM32驱动，包含STM32 cubemx配置文件 ### 由于上传大小限制，完整演示视频和说明将发布在B站，链接在这里： [口袋射频时钟源](https://www.bilibili.com/video/BV1Ym421s7XR/) ### 总体成本大概150元以内，预祝各位制作成功。