1.项目概述

项目方向：无线-射频信号源

项目主题：基于ADF4351/ADF4350的射频信号源设计

项目介绍：

本实验围绕ADF4350锁相环频率合成芯片，完成基础射频信号源的设计与验证工作。

项目内容包括：原理图设计、PCB Layout 以及底层驱动开发，实现了对芯片寄存器的配置和输出频率的控制。

系统通过MCU经SPI接口对ADF4350的寄存器进行编程，使芯片输出目标射频信号。在没有外接射频天线也没有频谱仪的情况下，直接使用RTL2832U SDR设备，对电路产生的近场辐射信号频率进行了测量，成功观测到与配置频率一致的信号输出，验证了频率合成与控制逻辑的正确性。

2.系统架构

系统框图：

设计思路：频率生成使用ADF4350进行PLL合成，先计算好输出频率所需的寄存器值，使用MCU通过SPI协议配置到ADF4350，最后进行输出频率的检测。

硬件模块介绍

PLL 频率合成模块：ADF4351/ADF4350（ADF4350 输出频率范围可达到 137.5MHz~4.4GHz，ADF4351输出频率范围为35MHz~4.4GHz）。（这两个芯片物理引脚通用，只是个别寄存器配置不一样，所以我描述时和画原理图时使用ADF4350进行描述，和ADF4351兼容的）。

时钟模块：使用25MHz晶振。

控制模块：板子引出SPI接口使用外部MCU进行通信。

电源模块：3.3V直接供电。

输出模块：SMA射频同轴连接器，以便接入其他系统（实际测试时直接用电路板的近场辐射区进行输出频率测量）。

3.关键实现

3.1 原理图

原理图总览：

引脚说明：

详细设计如下：

• 1 2 3 通信使用兼容spi的通信 CLK DATA LE，30脚muxout也接出来
• 4 芯片使能，上拉到3.3v
• 5 sw 不接
• 26 RF关断引脚，接电源

• 6 10 16 17 28 32 接电源 3.3v（3.0~3.6v），每个都接104 10pf 电容，16 17 为一个脚可以当一个。

• 8 9 11 18 21 27 31 33 接地
• 22 复位引脚，和GND接电阻，控制电荷泵电流

• 19 23 24 都通过电容接地

• 25 输出检测，接LED

• 7 和 20， 控制vco的环路滤波

• 12，13 射频输出使用单端输出，RFOUTA-接GND，RFOUTA+ 如下设计

后来参考其他设计改为如下设计：

• 29 接晶振

• 引出电源、通信引脚，加一个电源灯

3.2 PCB

3.2.1 PCB 总览图：

预览图

背面丝印是旅行者2号（Voyager 2）的任务图（使命轨迹：造访四颗气态巨行星 木星、土星、天王星、海王星及其卫星）。旅行者2号是一艘于1977年8月20日发射的美国宇航局无人星际航天器，截至现在依旧正常运作，是有史以来运作时间最久的空间探测器。

下面列出设计重点：

3.2.2 vture-cpout 部分

3.2.3 射频输出部分

3.3 软件驱动

3.3.1 驱动

通信：使用类似SPI的协议进行通信，CLK（对应SPI CLK）、 DATA（对应SPI MOSI）、 LE（对应SPI CS）。

写入时序：

写入内容：通过SPI依次写入寄存器值（R5~R0的值）即可

3.3.2 计算输出频率

理论：

这颗芯片本质是一个 PLL 频率合成器：需要计算输出频率，计算公式见下图：

其中鉴相器频率Fpfd计算公式如下图：

频率计算：

当前已经确定的值或者要设定值有：

• 参考时钟输入为25MHz晶振，
• RFdiv=16 （输出分频设定16分频）
• 鉴相器 Fpfd = 25MHz （设置 T D 均为0）
• MOD = 400
• 预计输出200Mhz, 则 Fvco = 200*16 = 3.2GHz
• 计算INT 和 FRAC：通过一个N来计算

N = 3200/25 = 128
INT = 128
FRAC = 0
在R0中设置 INT 和 FRAC。

最终寄存器值为

// 寄存器基础值（25MHz参考时钟优化）
#define ADF_R0_BASE   0x00400000  // INT+FRAC，运行时计算, INT=128, FRAC=0
#define ADF_R1_BASE   0x08000c81  // MOD=400, 预分频器8/9，phase=1
#define ADF_R2_BASE   0x04005fc2  // R=1, 正极性
#define ADF_R3_BASE   0x00000003  // 时钟分频, 未使用
#define ADF_R4_BASE   0x00CC803C  // 反馈=VCO, RF分频=16, 输出=+5dBm, BandSelect=200
#define ADF_R5_BASE   0x00400005  // 数字锁定检测

为了对比，再计算一个R0（0x00430000），对应频率为209.375

计算过程如下：

4.验证与结果

硬件功能展示：

板子商店并使用mcu进行驱动写入：（裸漏的杜邦线是好的调试手段，下一节说明）

使用RTL2832U SDR查看频率：

在输出209.375MHz频率时，使用RTL2832U SDR查看频率：

可以看到输出频率为209.375附近，与寄存器控制后预期频率相同，代表此信号源硬件和驱动可用。

5.总结

5.1 遇到难题和解决办法

一共打了4次板（每一次都表示遇到问题），来一张全家福

从左到右依次说明，

第一版：焊接练习。因为ADF4351比较贵，为了焊接成功，焊接了QFN32（4mm * 4mm）封装的stc mcu，点灯。后来知道 ADF4351是类似QFN32的 LFCSP（5*5mm），相当于是ADI的QFN32别名。

第二版：随便找了个参考画了原理图和pcb，打板，焊接，发现芯片烫的不行，大概能有个50~60度，完了。

第三版：痛定思痛，好好画了下原理图和pcb，买了个平替的芯片继续，发现电流不太正常（太低了）。想通过寄存器是否写入成功，但是这个SPI不能读取，不过muxout引脚可以读取一些中间过程，可是我偷懒没引出muxout，便用飞线引出了一次，结果还是读取失败。

第四版：将muxout引出重新打板，重新买芯片。为了确保焊接成功（上一版用风枪焊接的，这一版打算用焊台），打了个钢网。焊接成功，调试成功。

5.2 心得

焊接经验：

• pcb设计时最好把元件放到一面，用焊台焊接很方便
• 钢网很好用
• 普通项目用0603贴片阻容大小刚刚好
• 焊接准备是可以用这种元件盒将所需元件放好，不用贴标签，直接用表格标记随时可更改

调试经验：如果用逻辑分析仪等设备分析数据时，有那种小夹子，但是杜邦线夹不住时可以在杜邦线剥开1-2mm来进行测试，如果有多根线，剥的位置要错开防止短路。

芯片数据计算：寄存器计算时需要对照手册进行细致计算，用计算器（程序员模式）或者其他工具验证位是否设置正确。

5.3 关于近场区和远场区的一个疑惑

为了知道我当前天线和板子距离30cm这种属于辐射近场区还是远场区，找到了一篇 区分天线的感应近场区、辐射近场区和远场区。

当前L=0.2m，λ = c/f = 3e8/200e6=1.5

2*0.04/1.5 = 0.05m

所以我超过5厘米以上就是远场区？但是AI说超过1m才是远场区。

AI解惑：

这个结果在工程上是“数学成立，但物理上不太靠谱”的

原因：对小天线（D ≪ λ）这个公式会失真

现在：

• λ = 1.5 m
• D = 0.2 m
  D ≈ λ / 7.5（属于“小天线”）

这时候：

• 远场公式给出 很小的距离（几厘米）
• 但实际测量中：

远场往往要到 λ/2 ~ 几个 λ 才“干净”

更靠谱的经验判断

对于你这个 200 MHz：

• λ = 1.5 m

经验上：

所以我这个算时近场辐射区测量的信号。

5.3 总结

通过本次的射频信号源实验，理解了 PLL 频率合成原理，理解了一些射频的基本概念，学会使用SDR做调试工具。

这是第一个射频相关的玩具，以后会继续做下去，直到完成一个SDR。