CN1874142B - 产生参考信号的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用振荡器(2)产生参考信号的电路装置。在振荡器(2)后面连接有相位受控的滤波器(12)。该相位受控的滤波器(12)后面连接有频率倍增器(10)。该频率倍增器(10)与用于输出参考信号的输出端(8)连接。

Description

产生参考信号的电路装置
技术领域
本发明涉及一种利用振荡器产生参考信号的电路装置。 
背景技术
在各种电子技术设备和仪器中都需要高度稳定和低噪声的高频信号作为参考。参考信号的作用分别由特殊的应用情况给定。例如将这样的参考信号作为模拟数字转换器(ADC)或数字模拟转换器(DAC)的时钟信号，作为直接数字综合器(DDS)的时钟信号，或作为相位调节回路(Phasen-Regelschleife)的参考信号。 
该信号关于稳定性和噪声大小的品质通常通过参数来表征，例如长时间频率稳定性(老化)、短时间频率稳定性、取决于温度的频率和相位稳定性、取决于老化和/或温度和/或颤噪效应的相位稳定性、相位抖动或按照不同频率间隔的单边带相位噪声功率密度[dBm/Hz](或涉及信号功率[dBc/Hz])。 
由于其突出的特性(短时间稳定性、很小的接近于载波的相位噪声、低噪声层(Rauschflur)、低价格)尤其是采用石英晶体振荡器作为参考信号的信号源。石英晶体振荡器为了达到对温度振荡的低灵敏性而通常在受控的炉子中运行(炉中受控振荡器，OCXO)。电路和机械设计对开发者是个很大的挑战，此外还必须和石英制造商紧密合作。因此将整个OCXO作为标准部件将是很经济的。在电路设计时，达到各个预定参数而必需的措施是部分地相对作用的，因此例如对于石英晶体振荡器来说在采用石英磨片时会出现最小的老化，但同时没有表现出很小的相位噪声。还可能在不同参数的规格说明中必须采取折衷，或者无法找到可达到全部特定值的合适的OCXO(在预定的价格范围内)。 
另一个困难是因为用于该应用的石英最多只能制造成用于几百MHz(泛音石英)。此外石英的品质随着频率的升高而剧烈下降。 
因此，用传统的OCXO作为独立的解决方案无法产生极度长时间稳定、同时又低噪声的参考信号以及频率大于100MHz的高品质的参考信号。确切地说  需要特殊的电路措施。 
因此，U1rich L. Rohde的专业著作“Microwave and Wireless Synthesizers-Theory and Design”，106-110页，1997公开了一种本文开始所述类型的电路装置。该书中，以制备640MHz为例对比了3种针对频率大于200MHz的参考频率的制备的技术上可行的解决方案。 
这些方案的共同之处：10MHz的OCXO信号用倍数n＝64来加倍。所展示的方案的基础在于以下事实：边带噪声和可能的干扰信号(寄生信号)提高相同的倍数n。由此对于边带噪声功率密度会以dB为单位增加20*logn，而在乘以64倍时会提高36dB。在乘积链中，各个组件在该链中的位置越靠前，该组件的噪声分量就越大。如果采用噪声很小的倍增器，则OCXO的噪声是主要的。 
通过所谓的Leeson等式可以确定针对预定频率间隔的振荡信号的单边带噪声功率密度(SSB噪声功率密度)，例如参见Peter Vizmuller的书“RF DesignGuide-Systems，Circuits，and Equations”，1995，230页。据此在振荡器频率和SSB噪声功率密度之间存在与频率增倍相同的关系。在其它参数(晶体管噪声系数、振荡回路品质、信号功率)保持不变的情况下，振荡器频率的翻倍使得SSB噪声功率密度提高6dB。但由于如上所述石英的品质随着频率增加而降低，因此通过对相对低的输出频率增加数倍通常比直接产生最终频率通常能得到就相位噪声功率来说更佳的值。 
但是，在第一个Rhode的文献中提到的优选结构B具有对若干应用都很关键的缺陷。由于石英滤波器的极端温度变化而失去了640MHz信号的相位与10MHz信号的刚性耦合。由于所涉及的滤波器的相位特性扩大了后续级的倍数，因此紧接着OCXO的10MHz滤波器的相位特性的作用尤其强。将滤波器集成到炉中的解决路径是特定于用户的，因此导致部件非常昂贵。如果由于这个原因而将该滤波器设置到链中的更后面，则滤波效果剧烈降低，也就是说接近于载波的噪声被抑制得不足，因为在频率很高时滤波器选择和窄带性存在技术界限。随着滤波器频率的升高，必须相应地在滤波器带宽和该装置的可靠性方面进行更大的折衷，因为滤波器通带范围由于温度变化、老化或误差调整而可能与信号频率不同。 
此外，窄带石英滤波器具有机械振荡(例如鼓风机振动)转变为电干扰的危险。该特性也称为颤噪。 
DE3029249C2公开了一种用于将受干扰的输入信号与对应的发送信号同  步的方法以及相应的电路装置。这里描述的方法用于具有远大于1的时间带宽乘积的信号(展布频谱***)。其中，利用相位受控的滤波器从受干扰的接收信号中产生发送信号。由此可以在进行了起始同步之后用对应的发送信号跟踪接收信号而不必转换。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电路装置，能产生长时间稳定、同时低噪声的高频参考信号，尤其是频率超过100MHz的参考信号。 
本发明的技术问题是通过一种利用振荡器产生参考信号的电路装置来解决的。其中，在振荡器后面连接有相位受控的滤波器，其输出端用于输出参考信号。由此提供了一种非常廉价的电路装置，因为可以采用标准OCXO。滤波器效果和参考信号的质量都一直保持得很好，因为滤波器的中间频率和漂移的信号频率一样。控制由于组件容差、温度改变和老化的相位特性。因此可以极其窄带地控制滤波器。由此用较少的代价就能实现针对非常小的频率间隔的很好的滤波器效果。滤波器的平衡可以在相应的尺寸下被省略。在特殊的应用情况下可以这样匹配该调节，使得颤噪效应受到控制。然后用一个一级或多级的频率倍增器产生高频的参考信号。 
特别优选的实施方式在于，频率倍增器与用于输出参考信号的输出端连接，相位调节器的实际值输入端与频率倍增器的输出端通过分频器连接，该分频器的分频值等于频率倍增器的倍增值。不需要平衡电路。对包括必要时需要的接口滤波器在内的倍增器的相位变化进行控制。通过该设置对倍增器中的接口滤波器由于老化而引起的传输相位的巨大变化也可以进行补偿。 
在另一个优选的实施方式中，分频器可转换地具有另一个分频值，以同步相位调节。该实施方式使得可以采用没有复位可能性的廉价的分频器。尽管如此输入分频器还是可以在最终频率很高时(很大的n)强迫启动到输入信号的特定边沿(Flanke)。 
附图说明
下面借助3个附图解释本发明的3个实施例。其中， 
图1以结构框图示出用于产生参考信号的第一电路装置的主要元件。 
图2示出用于产生参考信号的第一电路装置， 
图3示出用于产生高频参考信号的第二电路装置。 
具体实施方式
图1中以主要元件示出的用于产生长时间稳定且低噪声的参考信号的电路装置包括石英振荡器2，后者在温度受控的炉中(炉中受控振荡器，OCXO)运行。由此尽可能避免了振荡信号的频率和相位对温度的依赖性。石英振荡器的信号输出端与相位受控的滤波器6的输入端4连接。滤波器6实施为带通滤波器。 
在相位受控的滤波器6的输出端8输出长时间稳定且低噪声的参考信号。频率比石英振荡器的频率更高的高频参考信号通过连接在输出端8后面的频率倍增器10产生。 
相位受控的滤波器6包括具有可变中心频率的特殊石英滤波器12，该滤波器通过相位调节回路14(即“Phase Locked Loop”，锁相环，PLL)一直保持在恒定的传输相位上。由此石英滤波器12的中心频率始终与石英振荡器2的信号频率一致。换句话说，石英滤波器12的中心频率跟随频率漂移的输入信号。石英滤波器12可以非常窄带地实施，因为温度变化和组件容差可通过调节来消除。 
相位调节回路14包括额定-实际值比较器16和积分调节器18，该积分调节器的后面还连接着低通滤波器20。低通滤波器20的输出端与石英滤波器12的控制输入端(Stelleingang)22连接。 
额定-实际值比较器16可以作为乘法器形式的相位鉴别器实现。乘法器的特征曲线遵循输出端8的参考信号的相位与输入端4的振荡器信号的相位之差的余弦函数。该电路装置的大小这样确定，使得所述调节调整90°的相位差，这相当于0的余弦值。在该运行状态下在额定-实际值比较器的输出端设置0V的检测电压。其优点是只有相位被调节。振幅差将被抑制。 
图2详细示出石英滤波器12的电路结构。石英滤波器12用两个以串联谐振运行的石英24和26构成，这些石英通过90°移相器28相串联。电容二极管30和32分别与石英24和26串联。通过电容二极管30、32的可变电容可以调节石英24、26的谐振频率。在谐振情况下，以串联谐振运行的石英24、26具有0°的传输相位。与90°移相器28的组合给出了所需的90°。90°移相器还作为阻抗变换器工作，并由此提高了所连接的串联振荡电路的效果。还可以级联其  它用于提高选择性的滤波器。 
通过串联电容34、36和并联电容38、40可以与电容二极管30、32的特征关联地设置相位调节回路的期望工作点和工作范围。电阻42用于将调节器18的调节电压直流地引向电容二极管30、32。 
由于通过相位调节仅应对温度变化、老化和组件容差进行补偿，因此调节动态性能可以很缓慢地达到需要的大小。由此可以通过低通滤波器20效果显著地抑制相位鉴别器16的噪声和调节器18中的运算放大器的噪声。 
图3示出经过修改的用于从10MHz的振荡器信号中产生频率为640MHz的参考信号的电路装置的结构。在此扩展调节回路，使得该调节回路将连接在后面的包含接口滤波器46的倍增级44一块包括在内。为了相位受控必须用分频器48将输出端8的输出信号的频率除以在用于倍增的倍增级44中采用的相同的系数n=64。只有频率相应降低的输出信号才能与输入信号比较。 
一个特殊之处在于该相位调节回路的特性，该相位调节回路的调节范围限于具有可变中心频率的石英滤波器12的控制范围。这与利用电压受控的振荡器(VCO)的传统相位调节不同，电压受控的振荡器可以控制任意的相位变化。在此，传输相位必须在贯穿倍增器44和分频器48组成的链时位于特定的范围内。但这在接通之后在没有特殊预防措施的情况下是不会存在的，因为用于反馈回路的分频器48可以强制启动到输出信号的n个不同的时钟边沿(Taktflank)。也就是说，分成(在此n＝64)n份之后的信号相对于10MHz输入信号的相位可以具有n个不同的状态，这取决于分频器的起始边沿，也就是输出端8的640MHz信号的边沿，分频器48以该信号启动。 
在接通之后一个特殊的同步电路50自动“查找"起始边沿，通过该起始边沿给出检测器上的相位差为大约90°。查找时的步长宽度在此是360°/n。控制输入端22的调节电压用作分析标准。 
分频器48由两个子分频器52和54组成，它们分别只将其本身的输入频率除以
Figure DEST_PATH_A20061008429100081
在总分频系数为64时每个子分频器52、54将频率除以系数8。为了与同步电路50进行功能性的协作，输入端的子分频器52实施为对偶模分频器，其分频系数可从8转换为16或反之。在每次切换分频系数时，子分频器52通常啮合到一个新的输入边沿。分频系数的其它分配或只采用一个65/64对偶模分频器同样都是可行的。也可以通过断开输入信号来达到相同的效果。这同样会促使输入计数器重新启动。但实现快速分频输入开关在技术上明显比采  用对偶模分频器更费事。 
同步电路50包括多振荡器56，由此对偶模分频器52周期性地短时间换向。二极管58的作用在于使分频系数16的转换时间明显小于分频系数8的控制时间。这在图3中另外通过对应于多振荡器58的输出端的输出信号的时序图(60)表示。由此缩短了对正确相位的边沿的搜索时间。 
窗比较器62为多振荡器60产生控制信号。如果在控制时间内通过低通滤波器20输出的调节器的输出电压落入窗比较器62的预定的狭窄窗口内，则其输出信号走高。多振荡器56由此停止。只要该输出电压在预定的时间内没有移出该窗口，则窗比较器62的窗口通过时间单元64的输出信号从“窄”转换为“宽”。该窗口的位置和宽度都必须与采用的部件相匹配。 
特别地，石英振荡器2的频率在接通后的启动引起控制输入端22的电压首先又离开该狭窄的窗口。窗比较器62的输出电压然后回落到“低”；该过程重新开始。只有当石英振荡器22的信号已经达到其稳定的额定频率时，才能设置最终状态。通过可转换的窗口宽度保证了在最终啮合和紧接着扩展了窗口宽度之后具有足够的调节储备。 
与采用固定的、边沿触发的具有复位功能的分频器的可能设置相比，图3的电路具有以下优点：实际的调节范围和因此滤波器的调节分配(Regelsteilheit)可以保持得非常小，因为不必提前考虑组件参数发散。大的调节分配可能对电容二极管30、32的特征曲线上的振幅-相位调制转换有利，也就是说相位检测器和运算放大器在调节电压下的振幅调制噪声可能转换为信号下的相位调制噪声。另外还去掉了各种平衡。 

Claims (12)

1.一种用于产生参考信号的电路装置，具有
振荡器(2)，用于在其输出端产生具有振荡器信号频率的振荡器信号；
相位受控的石英滤波器(12)，具有与该振荡器(2)的输出端连接的信号输入端，用于接收振荡器信号，控制输入端(22)和输出端，该石英滤波器(12)由该振荡器信号产生长时间稳定的低噪声参考信号，并在其输出端输出该低噪声参考信号；
第一频率倍增器(10)，具有连接到该石英滤波器(12)的输出端、用于接收该低噪声参考信号的输入端，该第一频率倍增器(10)用于由该低噪声参考信号产生高频参考信号；
所述石英滤波器(12)通过该控制输入端(22)保持在恒定的传输相位上，该石英滤波器(12)的中心频率始终与振荡器(2)的信号频率一致；以及
所述相位受控的石英滤波器(12)包括第二控制装置(23)，该第二控制装置(23)与构成为具有可变中心频率的滤波器单元并与相位调节器(18)连接的第一控制装置(21)串联。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述相位受控的石英滤波器(12)包括相位检测器(16)和所述相位调节器(18)，用于设置所述石英滤波器(12)的恒定传输相位。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述石英滤波器(12)的传输相位为90°。
4.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述相位调节器(18)构成为积分调节器。
5.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述相位调节器(18)后面连接有低通滤波器(20)。
6.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，在所述第一控制装置和第二控制装置(23)之间设置90°移相器(28)。
7.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述第一控制装置(21)或第一、第二控制装置(21，23)包括与可控电抗(34，36)连接的谐振运行的石英(24，26)。
8.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述相位检测器(16)的实际值输入端与用于输出低噪声参考信号的输出端(8)连接。
9.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述相位受控的石英滤波器(12)后面连接了第二频率倍增器(44)，该第二频率倍增器的输出端与所述用于输出低噪声参考信号的输出端(8)连接，其中，所述第二频率倍增器(44)被设置在石英滤波器(12)与第一频率倍增器(10)之间，相位检测器(16)的实际值输入端与用于输出参考信号的输出端(8)通过分频器(48)连接，该分频器的分频值等于第二频率倍增器(44)的倍增值。
10.根据权利要求9所述的电路装置，其特征在于，所述分频器(48)包括另一个用于同步相位调节的分频值。
11.根据权利要求10所述的电路装置，其特征在于，所述分频器(48)与同步电路(50)连接以暂时转换到所述另一个分频值，其中该同步电路(50)的输入端与相位调节器(18)的输出端连接。
12.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，所述同步电路(50)的输入端通过低通滤波器(20)与所述相位调节器(18)的输出端连接。
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