專利名稱：快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于快速測(cè)試系統(tǒng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)、快速組網(wǎng)通信系統(tǒng)以及快速測(cè)量雷達(dá)等眾多領(lǐng)域的頻率信號(hào)源，特別是一種快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器。
二
背景技術(shù)：
快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器是眾多通信與雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)源中的關(guān)鍵部件，它在國(guó)內(nèi)外有相關(guān)的研究，如文獻(xiàn)1“快速鎖相頻率合成器”壓電與聲光.1994，16(1).P14-16，39，它的捷變時(shí)間≤130us，相位噪聲-94dBc/Hz/1kHz(1GHz)；文獻(xiàn)2“High-speed frequency-switching synthesizer using fractional N phase-locked loop”Electronics&Communications in Japan，Part IIElectronics(English translation of DenshiTsushin Gakkai Ronbunshi)，v 77，n4，Apr，1994，P20-28，它的捷變時(shí)間約為1.3ms、相位噪聲-120dBc/Hz(50KHz)，以上文獻(xiàn)中的頻率合成器均采用分立元件構(gòu)成，采用的頻率捷變方案實(shí)現(xiàn)的頻率捷變時(shí)間指標(biāo)較長(zhǎng)，體積也較大，因此限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，快速頻率捷變以及小型化集成化的多模式信號(hào)源是重要和必不可少的，因此實(shí)現(xiàn)鎖相式頻率合成器的快速頻率捷變以及集成化小型化具有重要的意義。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工作于L波段，捷變時(shí)間小于10us，頻率步進(jìn)10MHz的小型化快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器，該鎖相式頻率合成器具有快速頻率捷變、低相位噪聲、低雜散眾多優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的解決方案為一種快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器，它包括參考分頻器、鑒相器、雙模前置分頻器、放大器、控制電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，其特征在于它還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，其連接關(guān)系為參考晶振頻率經(jīng)參考分頻器進(jìn)行分頻，并輸出至鑒相器；壓控振蕩器輸出信號(hào)一部分輸出，一部分耦合至鎖相環(huán)雙模前置分頻器進(jìn)行分頻，輸出到鑒相器；控制電路控制著雙模前置分頻器對(duì)壓控振蕩器輸出信號(hào)的分頻比；鑒相器將分頻后的參考頻率與雙模前置分頻器輸出頻率進(jìn)行鑒相，輸出到環(huán)路濾波器；環(huán)路濾波器將鑒相器輸出信號(hào)濾波后輸出誤差控制電壓給放大器；存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算出控制的預(yù)置電壓的數(shù)碼，同時(shí)存儲(chǔ)模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果；模數(shù)轉(zhuǎn)換將放大器輸出的控制壓控振蕩器的誤差電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的電壓碼進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；放大器將數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出與環(huán)路控制電壓相加的結(jié)果放大，一起送到壓控振蕩器的壓控端。
本發(fā)明采用快速捕獲電路以及快速響應(yīng)的低相位噪聲壓控振蕩器保證鎖相式頻率合成器的快速頻率捷變，采用多芯片組裝實(shí)現(xiàn)集成化的鎖相式頻率合成器。首先壓控振蕩器輸出信號(hào)耦合一部分至雙模前置分頻器，經(jīng)N雙模前置分頻后與經(jīng)R參考分頻的參考晶振信號(hào)進(jìn)行鑒相，由鑒相器產(chǎn)生相位誤差電壓，通過(guò)環(huán)路濾波后來(lái)反饋控制壓控振蕩器，使壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率和相位鎖定于參考信號(hào)。由于R通常是一個(gè)固定值，所以通過(guò)改變N，就可以控制頻綜輸出信號(hào)的頻率跳變。
在解決快速頻率捷變的實(shí)現(xiàn)方案上，由于整個(gè)鎖相環(huán)路屬于二階環(huán)，有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，即壓控振蕩器和環(huán)路濾波器，決定了鎖相環(huán)路的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，環(huán)路濾波器對(duì)差拍電壓中的直流分量進(jìn)行積分，不斷增長(zhǎng)的直流控制電壓，牽引著壓控振蕩器的平均頻率，朝著減小與信號(hào)頻差的方向變化，最終使環(huán)路進(jìn)入鎖定，因此，在二階環(huán)中存在頻率捕獲和相位捕獲兩個(gè)捕獲過(guò)程，相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間也應(yīng)該是頻率捕獲時(shí)間和相位捕獲時(shí)間之和，通常頻率捕獲時(shí)間遠(yuǎn)大于相位捕獲時(shí)間，因此要縮短頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，首要問題是解決頻率捕獲時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)快速頻率捷變，發(fā)明了新型的快速頻率捷變方案，主要包括以下兩個(gè)方面1)小型化快速捕獲電路，進(jìn)行頻率預(yù)置，解決輔助頻率捕獲；2)快速響應(yīng)的低相位噪聲壓控振蕩器，保證快速的頻率響應(yīng)。同時(shí)結(jié)合以下幾個(gè)方面措施實(shí)現(xiàn)快速頻率捷變盡量提高鎖相環(huán)的鑒相頻率，從而加大環(huán)路的捕獲帶及快捕帶，減小模擬鎖相環(huán)本身的頻率及相位捕獲時(shí)間；選擇高速運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)快速地控制電壓的建立；合理的選擇環(huán)路參數(shù)與環(huán)路帶寬，以同時(shí)保證低相位噪聲的同時(shí)，擴(kuò)大頻率捕獲帶寬。
本發(fā)明與現(xiàn)有成果相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、實(shí)現(xiàn)了快速捕獲電路、快速響應(yīng)壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)了快速頻率捷變方案，優(yōu)化環(huán)路帶寬以及鑒相頻率，實(shí)現(xiàn)10us量級(jí)的鎖相式頻率合成捷變時(shí)間；2、采用低噪聲的單片鎖相環(huán)芯片、超低噪聲運(yùn)放以及低噪聲有源環(huán)路構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)頻率合成器的低相位噪聲；3、結(jié)合現(xiàn)代頻率合成技術(shù)新方法以及多芯片組裝工藝，實(shí)現(xiàn)集成化、小型化、低相位噪聲、高頻譜純度、快速捷變時(shí)間的L波段捷變頻頻率綜合器。
四


圖1是本發(fā)明的快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器的構(gòu)成框圖。
圖2是本發(fā)明的快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器的快速響應(yīng)壓控振蕩器電路構(gòu)成框圖。
五
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖1，將快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器組成單元前置分頻器、鑒相器、雙模前置分頻器、壓控振蕩器、控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、電可擦除只讀存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、環(huán)路濾波器、放大器等，按照?qǐng)D中所示進(jìn)行連接。首先壓控振蕩器輸出信號(hào)耦合一部分至雙模前置分頻器，經(jīng)N雙模前置分頻后與經(jīng)R參考分頻的晶振信號(hào)進(jìn)行鑒相，由鑒相器產(chǎn)生相位誤差電壓，該誤差電壓與經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換的預(yù)置在電可擦除只讀存儲(chǔ)器的電壓數(shù)據(jù)相加，經(jīng)過(guò)放大，一部分通過(guò)快速捕獲電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，并將此次采樣得到的數(shù)據(jù)刷新電可擦除只讀存儲(chǔ)器的預(yù)置電壓數(shù)據(jù)，另一部分通過(guò)環(huán)路濾波后來(lái)反饋控制壓控振蕩器，使壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率和相位鎖定于參考信號(hào)。由于R通常是一個(gè)固定值，所以通過(guò)改變N，就可以控制頻綜輸出信號(hào)的頻率跳變。采用包含雙模式的鑒頻鑒相器PLL，它具有既能降低相位噪聲的模擬工作狀態(tài)，又能提高鑒相頻率，增加環(huán)路帶寬的數(shù)字工作狀態(tài)的雙重功能，這樣它能夠使環(huán)路快速自動(dòng)入鎖，這樣有助于提高頻率捷變時(shí)間，同樣也能降低相位噪聲，選擇Peregrine半導(dǎo)體公司的鎖相環(huán)芯片PE3236，除壓控振蕩器、快速捕獲電路、環(huán)路濾波器以外，包含了所需其它器件。
本發(fā)明采用一種新穎的小型化的輔助頻率捕獲電路，以實(shí)現(xiàn)具有快速跳頻能力的低相噪頻率合成器?？焖俨东@電路組成如圖1所示，首先根據(jù)壓控振蕩器電壓控制曲線，計(jì)算出控制的預(yù)置電壓的數(shù)碼，存入電可擦除只讀存儲(chǔ)器中，當(dāng)頻率合成器開始工作時(shí)，各頻率點(diǎn)相應(yīng)的電壓碼逐點(diǎn)從電可擦除只讀存儲(chǔ)器中取出，該電壓碼經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后與環(huán)路控制電壓相加一起送到壓控振蕩器的壓控端。頻率合成器正式工作時(shí)每次頻率轉(zhuǎn)換，鎖相環(huán)均能一次鎖定。除了在某些特定的時(shí)間利用數(shù)字鎖相環(huán)工作對(duì)環(huán)路預(yù)置電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行修正外，在每次鎖相環(huán)鎖定后仍對(duì)壓控振蕩器調(diào)諧電壓采樣，并將此次采樣得到的數(shù)據(jù)刷新原來(lái)的預(yù)置電壓數(shù)據(jù)。這樣，在跳頻過(guò)程中壓控振蕩器預(yù)置電壓得到了實(shí)時(shí)修正，從而使輔助頻率捕獲電路自動(dòng)跟蹤了壓控振蕩器特性的變化。將數(shù)字鎖相環(huán)鎖定后的壓控振蕩器調(diào)諧電壓采樣并存儲(chǔ)起來(lái)，則在下次頻率捕獲時(shí)可省去數(shù)字鎖相環(huán)捕獲時(shí)間和模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣時(shí)間而讓鎖相環(huán)直接工作，完全避免了數(shù)字鎖相環(huán)捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題。這樣，頻率合成器實(shí)際需要的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就只有數(shù)模轉(zhuǎn)換建立時(shí)間、參考信號(hào)建立時(shí)間和鎖相環(huán)捕獲時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，這幾種時(shí)間都很短，都在微秒量級(jí)。
為實(shí)現(xiàn)快速頻率響應(yīng)，采用快速響應(yīng)的壓控振蕩器，同時(shí)為保證壓控振蕩器的低相位噪聲，采用以下方法1)選擇合適的變?nèi)荻O管采用建立時(shí)間較短的硅超突變結(jié)二極管；2)減小變?nèi)莨艽?lián)電容減小該耦合電容，將有效的縮短頻率建立時(shí)間；3)選擇合適的負(fù)載等效電阻，既保證快速的頻率轉(zhuǎn)換，同時(shí)保證振蕩器的高Q值，實(shí)現(xiàn)低相位噪聲?？焖夙憫?yīng)壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。振蕩管采用NPN低噪聲硅雙極晶體管T，變?nèi)莨懿捎霉璩蛔兘Y(jié)二極管Cv，Vcc為直流電壓，壓控振蕩器直流偏置采用單電源偏置方式，這種直流偏置方式可以保持B-E結(jié)保持正偏，不會(huì)因?yàn)榻涣麟妷焊郊釉赗e上而導(dǎo)致B-E結(jié)反偏。Rc、Re是直流偏置電阻，適當(dāng)調(diào)節(jié)這些電阻可改變?nèi)龢O管的直流工作點(diǎn)，同時(shí)Re接在發(fā)射結(jié)，起了負(fù)反饋的作用，可以起穩(wěn)幅作用，同時(shí)降低相位噪聲。Vd為交流輸入電壓，壓控振蕩器交流結(jié)構(gòu)采用共發(fā)射極，基極連接一段開路微帶線接變?nèi)莨躗o，構(gòu)成諧振回路，加在雙極晶體管發(fā)射極的電容C1起反饋?zhàn)饔茫瑒t使振蕩器產(chǎn)生潛在的不穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)與變?nèi)莨艽?lián)的電容C3，一方面起隔直作用，另一方面可使變?nèi)莨芘c諧振回路的耦合強(qiáng)弱發(fā)生變化，耦合越強(qiáng)，帶寬越寬，耦合越弱，帶寬越窄。加在雙極晶體管管腳的射頻扼流圈L1采用高阻抗微帶線實(shí)現(xiàn)，Cc為耦合電容。Rc為限流電阻，C2起正反饋?zhàn)饔谩?br> 權(quán)利要求
1.一種快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器，它包括參考分頻器、鑒相器、雙模前置分頻器、放大器、控制電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，其特征在于它還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，其連接關(guān)系為參考晶振頻率經(jīng)參考分頻器進(jìn)行分頻，并輸出至鑒相器；壓控振蕩器輸出信號(hào)一部分輸出，一部分耦合至鎖相環(huán)雙模前置分頻器進(jìn)行分頻，輸出到鑒相器；控制電路控制著雙模前置分頻器對(duì)壓控振蕩器輸出信號(hào)的分頻比；鑒相器將分頻后的參考頻率與雙模前置分頻器輸出頻率進(jìn)行鑒相，輸出到環(huán)路濾波器；環(huán)路濾波器將鑒相器輸出信號(hào)濾波后輸出誤差控制電壓給放大器；存儲(chǔ)器存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算出控制的預(yù)置電壓的數(shù)碼，同時(shí)存儲(chǔ)模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果；模數(shù)轉(zhuǎn)換將放大器輸出的控制壓控振蕩器的誤差電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的電壓碼進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；放大器將數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出與環(huán)路控制電壓相加的結(jié)果放大，一起送到壓控振蕩器的壓控端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器，其特征在于采用具有頻率預(yù)置功能的輔助頻率捕獲電路，由數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器，其特征在于壓控振蕩器采用硅超突變結(jié)二極管作為壓控器件，NPN低噪聲硅雙極晶體管作為振蕩器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓控振蕩器，其特征在于壓控振蕩器直流偏置采用單電源偏置方式，振蕩管部分電路采用共發(fā)射極形式，基極連接一段開路微帶線構(gòu)成諧振回路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速捷變頻集成鎖相式頻率合成器。它包括參考分頻器、鑒相器、雙模前置分頻器、放大器、控制電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。本發(fā)明采用快速捕獲電路、快速響應(yīng)壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)了快速頻率捷變，優(yōu)化了環(huán)路帶寬以及鑒相頻率，實(shí)現(xiàn)10us量級(jí)的鎖相式頻率合成捷變時(shí)間；采用低噪聲的單片鎖相環(huán)芯片、超低噪聲運(yùn)放以及低噪聲有源環(huán)路構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了頻率合成器的低相位噪聲及集成化、小型化、低相位噪聲、高頻譜純度、快速捷變時(shí)間的L波段捷變頻頻率綜合器。
文檔編號(hào)H03L7/18GK1725645SQ20051003881
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者惲小華, 楚然, 孫琳琳 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)