CN1725645A - 快速捷变频集成锁相式频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速捷变频集成锁相式频率合成器。它包括参考分频器、鉴相器、双模前置分频器、放大器、控制电路、环路滤波器、压控振荡器，数模转换单元、存储器、模数转换单元。本发明采用快速捕获电路、快速响应压控振荡器，实现了快速频率捷变，优化了环路带宽以及鉴相频率，实现10us量级的锁相式频率合成捷变时间；采用低噪声的单片锁相环芯片、超低噪声运放以及低噪声有源环路构建，实现了频率合成器的低相位噪声及集成化、小型化、低相位噪声、高频谱纯度、快速捷变时间的L波段捷变频频率综合器。
Description
一技术领域
本发明涉及一种用于快速测试***、实时动态仿真***、快速组网通信***以及快速测量雷达等众多领域的频率信号源，特别是一种快速捷变频集成锁相式频率合成器。
二背景技术
快速捷变频集成锁相式频率合成器是众多通信与雷达***信号源中的关键部件，它在国内外有相关的研究，如文献1“快速锁相频率合成器”压电与声光.1994，16(1).P14-16，39，它的捷变时间≤130us，相位噪声-94dBc/Hz/1kHz(1GHz)；文献2“High-speed frequency-switching synthesizer using fractional N phase-locked loop”Electronics&Communications in Japan，Part II：Electronics(English translation of DenshiTsushin Gakkai Ronbunshi)，v 77，n4，Apr，1994，P20-28，它的捷变时间约为1.3ms、相位噪声-120dBc/Hz(50KHz)，以上文献中的频率合成器均采用分立元件构成，采用的频率捷变方案实现的频率捷变时间指标较长，体积也较大，因此限制了其在某些领域的应用。在现代电子***中，快速频率捷变以及小型化集成化的多模式信号源是重要和必不可少的，因此实现锁相式频率合成器的快速频率捷变以及集成化小型化具有重要的意义。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种工作于L波段，捷变时间小于10us，频率步进10MHz的小型化快速捷变频集成锁相式频率合成器，该锁相式频率合成器具有快速频率捷变、低相位噪声、低杂散众多优点。
实现本发明目的的解决方案为：一种快速捷变频集成锁相式频率合成器，它包括参考分频器、鉴相器、双模前置分频器、放大器、控制电路、环路滤波器、压控振荡器，其特征在于它还包括数模转换单元、存储器、模数转换单元，其连接关系为：参考晶振频率经参考分频器进行分频，并输出至鉴相器；压控振荡器输出信号一部分输出，一部分耦合至锁相环双模前置分频器进行分频，输出到鉴相器；控制电路控制着双模前置分频器对压控振荡器输出信号的分频比；鉴相器将分频后的参考频率与双模前置分频器输出频率进行鉴相，输出到环路滤波器；环路滤波器将鉴相器输出信号滤波后输出误差控制电压给放大器；存储器存储预先计算出控制的预置电压的数码，同时存储模数转换的结果；模数转换将放大器输出的控制压控振荡器的误差电压进行模数转换；数模转换单元将存储器存储的电压码进行数模转换；放大器将数模转换电路的输出与环路控制电压相加的结果放大，一起送到压控振荡器的压控端。
本发明采用快速捕获电路以及快速响应的低相位噪声压控振荡器保证锁相式频率合成器的快速频率捷变，采用多芯片组装实现集成化的锁相式频率合成器。首先压控振荡器输出信号耦合一部分至双模前置分频器，经N双模前置分频后与经R参考分频的参考晶振信号进行鉴相，由鉴相器产生相位误差电压，通过环路滤波后来反馈控制压控振荡器，使压控振荡器输出信号的频率和相位锁定于参考信号。由于R通常是一个固定值，所以通过改变N，就可以控制频综输出信号的频率跳变。
在解决快速频率捷变的实现方案上，由于整个锁相环路属于二阶环，有两个积分环节，即压控振荡器和环路滤波器，决定了锁相环路的频率转换时间，环路滤波器对差拍电压中的直流分量进行积分，不断增长的直流控制电压，牵引着压控振荡器的平均频率，朝着减小与信号频差的方向变化，最终使环路进入锁定，因此，在二阶环中存在频率捕获和相位捕获两个捕获过程，相应的频率转换时间也应该是频率捕获时间和相位捕获时间之和，通常频率捕获时间远大于相位捕获时间，因此要缩短频率转换时间，首要问题是解决频率捕获时间。为实现快速频率捷变，发明了新型的快速频率捷变方案，主要包括以下两个方面：1)小型化快速捕获电路，进行频率预置，解决辅助频率捕获；2)快速响应的低相位噪声压控振荡器，保证快速的频率响应。同时结合以下几个方面措施实现快速频率捷变：尽量提高锁相环的鉴相频率，从而加大环路的捕获带及快捕带，减小模拟锁相环本身的频率及相位捕获时间；选择高速运算放大器，实现快速地控制电压的建立；合理的选择环路参数与环路带宽，以同时保证低相位噪声的同时，扩大频率捕获带宽。
本发明与现有成果相比，其显著优点是：1、实现了快速捕获电路、快速响应压控振荡器，实现了快速频率捷变方案，优化环路带宽以及鉴相频率，实现10us量级的锁相式频率合成捷变时间；2、采用低噪声的单片锁相环芯片、超低噪声运放以及低噪声有源环路构建，实现频率合成器的低相位噪声；3、结合现代频率合成技术新方法以及多芯片组装工艺，实现集成化、小型化、低相位噪声、高频谱纯度、快速捷变时间的L波段捷变频频率综合器。
四附图说明
图1是本发明的快速捷变频集成锁相式频率合成器的构成框图。
图2是本发明的快速捷变频集成锁相式频率合成器的快速响应压控振荡器电路构成框图。
五具体实施方式
结合图1，将快速捷变频集成锁相式频率合成器组成单元前置分频器、鉴相器、双模前置分频器、压控振荡器、控制电路、数模转换单元、电可擦除只读存储器、模数转换单元、环路滤波器、放大器等，按照图中所示进行连接。首先压控振荡器输出信号耦合一部分至双模前置分频器，经N双模前置分频后与经R参考分频的晶振信号进行鉴相，由鉴相器产生相位误差电压，该误差电压与经过数模转换的预置在电可擦除只读存储器的电压数据相加，经过放大，一部分通过快速捕获电路的模数转换进行采样，并将此次采样得到的数据刷新电可擦除只读存储器的预置电压数据，另一部分通过环路滤波后来反馈控制压控振荡器，使压控振荡器输出信号的频率和相位锁定于参考信号。由于R通常是一个固定值，所以通过改变N，就可以控制频综输出信号的频率跳变。采用包含双模式的鉴频鉴相器PLL，它具有既能降低相位噪声的模拟工作状态，又能提高鉴相频率，增加环路带宽的数字工作状态的双重功能，这样它能够使环路快速自动入锁，这样有助于提高频率捷变时间，同样也能降低相位噪声，选择Peregrine半导体公司的锁相环芯片PE3236，除压控振荡器、快速捕获电路、环路滤波器以外，包含了所需其它器件。
本发明采用一种新颖的小型化的辅助频率捕获电路，以实现具有快速跳频能力的低相噪频率合成器。快速捕获电路组成如图1所示，首先根据压控振荡器电压控制曲线，计算出控制的预置电压的数码，存入电可擦除只读存储器中，当频率合成器开始工作时，各频率点相应的电压码逐点从电可擦除只读存储器中取出，该电压码经数模转换后与环路控制电压相加一起送到压控振荡器的压控端。频率合成器正式工作时每次频率转换，锁相环均能一次锁定。除了在某些特定的时间利用数字锁相环工作对环路预置电压数据进行修正外，在每次锁相环锁定后仍对压控振荡器调谐电压采样，并将此次采样得到的数据刷新原来的预置电压数据。这样，在跳频过程中压控振荡器预置电压得到了实时修正，从而使辅助频率捕获电路自动跟踪了压控振荡器特性的变化。将数字锁相环锁定后的压控振荡器调谐电压采样并存储起来，则在下次频率捕获时可省去数字锁相环捕获时间和模数转换采样时间而让锁相环直接工作，完全避免了数字锁相环捕获时间过长的问题。这样，频率合成器实际需要的频率转换时间就只有数模转换建立时间、参考信号建立时间和锁相环捕获时间。一般来说，这几种时间都很短，都在微秒量级。
为实现快速频率响应，采用快速响应的压控振荡器，同时为保证压控振荡器的低相位噪声，采用以下方法：1)选择合适的变容二极管：采用建立时间较短的硅超突变结二极管；2)减小变容管串联电容：减小该耦合电容，将有效的缩短频率建立时间；3)选择合适的负载等效电阻，既保证快速的频率转换，同时保证振荡器的高Q值，实现低相位噪声。快速响应压控振荡器的电路结构如图2所示。振荡管采用NPN低噪声硅双极晶体管T，变容管采用硅超突变结二极管Cv，Vcc为直流电压，压控振荡器直流偏置采用单电源偏置方式，这种直流偏置方式可以保持B-E结保持正偏，不会因为交流电压附加在Re上而导致B-E结反偏。Rc、Re是直流偏置电阻，适当调节这些电阻可改变三极管的直流工作点，同时Re接在发射结，起了负反馈的作用，可以起稳幅作用，同时降低相位噪声。Vd为交流输入电压，压控振荡器交流结构采用共发射极，基极连接一段开路微带线接变容管Zo，构成谐振回路，加在双极晶体管发射极的电容C1起反馈作用，则使振荡器产生潜在的不稳定性，调节与变容管串联的电容C3，一方面起隔直作用，另一方面可使变容管与谐振回路的耦合强弱发生变化，耦合越强，带宽越宽，耦合越弱，带宽越窄。加在双极晶体管管脚的射频扼流圈L1采用高阻抗微带线实现，Cc为耦合电容。Rc为限流电阻，C2起正反馈作用。
Claims (4)
1、一种快速捷变频集成锁相式频率合成器，它包括参考分频器、鉴相器、双模前置分频器、放大器、控制电路、环路滤波器、压控振荡器，其特征在于它还包括数模转换单元、存储器、模数转换单元，其连接关系为：参考晶振频率经参考分频器进行分频，并输出至鉴相器；压控振荡器输出信号一部分输出，一部分耦合至锁相环双模前置分频器进行分频，输出到鉴相器；控制电路控制着双模前置分频器对压控振荡器输出信号的分频比；鉴相器将分频后的参考频率与双模前置分频器输出频率进行鉴相，输出到环路滤波器；环路滤波器将鉴相器输出信号滤波后输出误差控制电压给放大器；存储器存储预先计算出控制的预置电压的数码，同时存储模数转换的结果；模数转换将放大器输出的控制压控振荡器的误差电压进行模数转换；数模转换单元将存储器存储的电压码进行数模转换；放大器将数模转换电路的输出与环路控制电压相加的结果放大，一起送到压控振荡器的压控端。
2、根据权利要求1所述的快速捷变频集成锁相式频率合成器，其特征在于：采用具有频率预置功能的辅助频率捕获电路，由数模转换单元、存储器以及模数转换单元组成。
3、根据权利要求1所述的快速捷变频集成锁相式频率合成器，其特征在于：压控振荡器采用硅超突变结二极管作为压控器件，NPN低噪声硅双极晶体管作为振荡器。
4、根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于：压控振荡器直流偏置采用单电源偏置方式，振荡管部分电路采用共发射极形式，基极连接一段开路微带线构成谐振回路。
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