本發(fā)明涉及測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路，還涉及一種鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

基于鎖相環(huán)路的頻率合成器設(shè)計(jì)具有頻率范圍寬的特點(diǎn)，是目前主流的頻率合成方案。在該類型的頻率合成器設(shè)計(jì)方案中，需要使用壓控振蕩器如(YTO/VCO)等來產(chǎn)生目標(biāo)頻率，壓控振蕩器的輸出頻率與控制電壓成正比。在設(shè)計(jì)中，往往需要對壓控振蕩器進(jìn)行電壓預(yù)置，將其輸出信號頻率限定在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，然后再閉環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)環(huán)路鎖定。由于壓控振蕩器的壓控曲線會受到溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的影響，因此在惡劣環(huán)境條件下，壓控振蕩器的壓控曲線會發(fā)生較大的偏移，會導(dǎo)致環(huán)路失鎖，使系統(tǒng)不能正常工作。因此在惡劣條件下通常需要對預(yù)置電壓重新進(jìn)行校準(zhǔn)，使環(huán)路正常鎖定，保證系統(tǒng)正常工作。

現(xiàn)有的解決方案是利用頻率計(jì)、溫濕度傳感器搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路頻率合成器的預(yù)校準(zhǔn)。如圖1所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)包括由參考輸入、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、功分器、分頻器構(gòu)成的鎖相環(huán)路、CPU單元、頻率計(jì)、溫濕度傳感器等4部分。校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本原理是在實(shí)驗(yàn)室條件下，設(shè)定各種不同的溫濕度環(huán)境條件，將鎖相環(huán)路頻率合成器置于該溫濕度條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，由CPU單元記錄該溫濕度條件下對應(yīng)的校準(zhǔn)值。當(dāng)鎖相環(huán)路頻率合成器在惡劣環(huán)境下工作時，CPU單元讀取溫濕度傳感器的值，調(diào)用該條件下的校準(zhǔn)值，從而保證環(huán)路鎖定。

利用頻率計(jì)、溫濕度傳感器搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作流程如下：

(1)將系統(tǒng)置于環(huán)境試驗(yàn)箱，設(shè)置溫度、濕度分別為W₁、S₁，開機(jī)預(yù)熱30分鐘后，進(jìn)行校準(zhǔn)操作。校準(zhǔn)操作分以下三個步驟進(jìn)行：

步驟一：環(huán)路開環(huán)，CPU單元控制DAC設(shè)置值，使壓控振蕩器輸出頻率；

步驟二：CPU單元程控頻率計(jì)，通過頻率計(jì)讀取壓控振蕩器的輸出頻率，并與目標(biāo)頻率進(jìn)行比較；如果壓控振蕩器輸出信號頻率高于目標(biāo)頻率，則減小DAC設(shè)置值，從而降低壓控振蕩器的輸出信號頻率；如果壓控振蕩器輸出信號頻率低于目標(biāo)頻率，則增大DAC設(shè)置值，從而提高壓控振蕩器輸出信號頻率。通過調(diào)節(jié)DAC設(shè)置值D₁使壓控振蕩器的輸出信號頻率F₁最大程度的接近目標(biāo)頻率；

步驟三：CPU單元記錄該實(shí)驗(yàn)條件下的W₁、S₁、D₁、F₁，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

(2)在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)置不同的溫濕度環(huán)境條件，并且在不同的溫濕度條件下重復(fù)以上校準(zhǔn)步驟，得到每種環(huán)境條件對應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(W₂、S₂、D₂、F₂)……(W_n、S_n、D_n、F_n)，CPU單元記錄以上數(shù)據(jù)。

(3)在實(shí)際應(yīng)用過程中，鎖相環(huán)路頻率合成器處于不用的溫濕度條件下時，CPU單元讀取實(shí)際環(huán)境的溫濕度條件，然后按照就近原則，從存儲的數(shù)據(jù)中調(diào)用最接近的一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而保證環(huán)路鎖定。

現(xiàn)有的鎖相環(huán)路頻率合成器校準(zhǔn)方法的缺點(diǎn)是：

(1)需要利用頻率計(jì)、溫濕度傳感器、環(huán)境試驗(yàn)箱等進(jìn)行預(yù)置電壓校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)多、需要校準(zhǔn)的頻點(diǎn)多，操作步驟繁瑣，耗費(fèi)時間較長。

(2)需要頻率計(jì)、溫濕度傳感器、環(huán)境試驗(yàn)箱等組件，成本較高。

(3)無法在實(shí)際應(yīng)用過程中進(jìn)行自校準(zhǔn)，在遇到特殊條件時，無法保證鎖相環(huán)路頻率合成器正常工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路，包括：鎖相環(huán)路、失鎖判定電路、正負(fù)電壓判定電路、CPU單元，其中，鎖相環(huán)路包括參考輸入、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、分頻器；

鑒相器比較參考輸入與通過分頻器反饋回來信號的相位，得到兩者的相位誤差電壓，該相位誤差電壓經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量和雜波后，控制壓控振蕩器，從而使壓控振蕩器的輸出頻率最終鎖定到參考輸入頻率上；在開環(huán)的條件下，CPU單元通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓，將壓控振蕩器的輸出頻率調(diào)節(jié)到目標(biāo)頻率；鑒相器會根據(jù)輸入?yún)⒖夹盘栆约皝碜苑诸l器的信號頻率的大小關(guān)系得到極性相反的兩種誤差電壓；

失鎖判定電路根據(jù)低通濾波器輸出的電壓信號的大小判斷環(huán)路是否失鎖；

正負(fù)電壓判定電路是將低通濾波器的輸出電壓進(jìn)行判斷，用于環(huán)路的自校準(zhǔn)；

CPU單元接收來自正負(fù)電壓判定電路、失鎖判定電路的信號，并且通過控制DAC設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓。

可選地，所述失鎖判定電路包括兩個比較器，當(dāng)且僅當(dāng)?shù)屯V波器輸出的電壓在比較電平V_H、V_L之間時，兩個比較器的輸出均為高，此時環(huán)路處于鎖定狀態(tài)；當(dāng)?shù)屯V波器的輸出電壓不在此范圍內(nèi)時，CPU單元接收兩路比較器的輸出電平，判定環(huán)路失鎖。

可選地，所述正負(fù)電壓判定電路包括一個比例放大器和一個電壓比較器，將來自低通濾波器的相位誤差電壓首先利用比例放大器進(jìn)行比例放大，放大后的電壓與0V電壓進(jìn)行比較，如果來自低通濾波器的電壓為正，則輸出為正；如果來自低通濾波器的電壓為負(fù)，則輸出為負(fù)；CPU單元根據(jù)比較結(jié)果判斷壓控振蕩器輸出頻率大于或小于參考輸入頻率，控制DAC設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓，控制壓控振蕩器的輸出頻率。

基于上述電路，本發(fā)明還提出了一種自動校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

第一步：系統(tǒng)加電并預(yù)熱后開始工作，CPU單元接收來自失鎖判定電路的指示信號，如果鎖相環(huán)路鎖定狀態(tài)良好，那么自校準(zhǔn)流程不啟動；而一旦接收到表征環(huán)路失鎖的指示信號，則啟動自校準(zhǔn)流程；

第二步：將壓控振蕩器的整個頻段分段為L1、L2……Ln，并選取每段的起始頻率和終止頻率為校準(zhǔn)點(diǎn)；

第三步：判斷DAC設(shè)置值調(diào)節(jié)的方向，CPU單元選取L1為校準(zhǔn)頻段，選取L1的起始頻率F_L11為校準(zhǔn)點(diǎn)，CPU單元讀取來自正負(fù)電壓判定電路的返回值；如果返回值為正，而且此時環(huán)路失鎖，說明DAC設(shè)置值偏小，環(huán)路輸出正電壓仍然不能補(bǔ)償環(huán)路偏移引起的頻率正偏移，需要增大預(yù)置值；如果返回值為負(fù)，說明DAC設(shè)置值偏大，環(huán)路輸出負(fù)電壓仍然不能補(bǔ)償環(huán)路偏移引起的頻率負(fù)偏移，需要減小預(yù)置值；

第四步：在確定原校準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏大或偏小后，在原校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上以最小步進(jìn)調(diào)節(jié)DAC設(shè)置值，直到來自正負(fù)電壓判定電路的信號極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則此時DAC的設(shè)置值d_L11為最合適的值，CPU單元記錄該設(shè)置值；按照同樣的方法對L1的終止頻率F_L12進(jìn)行校準(zhǔn)，并記錄校準(zhǔn)值d_L12；

第五步：對每段的起始頻率和終止頻率進(jìn)行第三步和第四步的校準(zhǔn)流程，得到其校準(zhǔn)的DAC設(shè)置值，并記錄為(F_L11、d_L11)、(F_L12、d_L12)……(F_Ln1、d_Ln1)、(F_Ln2、d_Ln2)；然后對每一頻段進(jìn)行線性擬合，得到該頻段的壓控曲線F＝k_Lnd_Ln+a_Ln，其中k_Ln＝(F_Ln2-F_Ln1)/(d_Ln2-d_Ln1)，a_Ln＝(F_Ln1d_Ln2-F_Ln2d_Ln1)/(d_Ln2-d_Ln1)，從而保證每一段內(nèi)每個頻點(diǎn)F_x都可以根據(jù)上述公式反推得到最佳的DAC設(shè)置值，即d_x＝(F_x-a_Ln)/k_Ln；

其中，k_Ln為頻段Ln的壓控靈敏度，a_Ln為頻段Ln在DAC設(shè)置值為0時對應(yīng)的振蕩頻率，即為頻段Ln的固有振蕩頻率。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)不需要復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過電路本身的失鎖判定單元、正負(fù)電壓判定單元，就可以進(jìn)行自校準(zhǔn)，縮小了電路體積，降低了設(shè)計(jì)難度；

(2)不需要頻率計(jì)、溫濕度傳感器、環(huán)境試驗(yàn)箱等組件，降低了成本；

(3)在各種復(fù)雜環(huán)境條件下，都可以通過自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)環(huán)路鎖定。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中利用頻率計(jì)搭建校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明的鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路原理框圖；

圖3為本發(fā)明的失鎖判定電路原理圖；

圖4為本發(fā)明的正負(fù)電壓判定電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

鎖相環(huán)是間接頻率合成器采用的一種重要方案，它由參考輸入、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、分頻器等部分構(gòu)成，其工作原理是利用相位的負(fù)反饋產(chǎn)生誤差信號來驅(qū)動壓控振蕩器輸出頻率跟隨參考輸入頻率。壓控振蕩器是輸出頻率隨控制電壓發(fā)生變化的器件，在其線性區(qū)間內(nèi)，輸出頻率與控制電壓成正比。在鎖相環(huán)路頻率合成方案中，通常需要對壓控振蕩器進(jìn)行預(yù)置，將其輸出頻率調(diào)整到目標(biāo)頻率附近，然后再通過閉環(huán)鎖定，就可以將壓控振蕩器輸出頻率固定到參考頻率上?，F(xiàn)實(shí)中遇到的問題是，當(dāng)溫度、濕度等條件發(fā)生變化時，環(huán)路狀態(tài)也會發(fā)生變化，尤其是壓控振蕩器(如YTO)的壓控特性會發(fā)生變化，因此在使用鎖相環(huán)路進(jìn)行頻率合成器設(shè)計(jì)時，人們希望能夠?qū)崟r的調(diào)整環(huán)路參數(shù)，以保證在惡劣環(huán)境條件下，頻率合成器正常工作。

為了解決在惡劣環(huán)境條件下鎖相環(huán)路頻率合成器正常鎖定的難題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種自動校準(zhǔn)電路及方法，當(dāng)環(huán)路失鎖時，會通知系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)，通過檢測環(huán)路誤差電壓的正負(fù)極性變化，將預(yù)置電壓設(shè)定在最佳值，從而保證鎖相環(huán)路頻率合成器正常工作。

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖2所示，本發(fā)明的鎖相環(huán)路頻率合成器自動校準(zhǔn)電路包括：鎖相環(huán)路、失鎖判定電路、正負(fù)電壓判定電路、CPU單元，其中，鎖相環(huán)路包括參考輸入、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、分頻器。

鎖相環(huán)路的工作原理是：鑒相器比較參考輸入與通過分頻器反饋回來信號的相位，得到兩者的相位誤差電壓，該相位誤差電壓經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量和雜波后，控制壓控振蕩器，從而使壓控振蕩器的輸出頻率最終鎖定到參考輸入頻率上；在開環(huán)的條件下，CPU單元通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓，將壓控振蕩器的輸出頻率調(diào)節(jié)到目標(biāo)頻率附近，這樣可以大大減少環(huán)路的捕獲時間，使環(huán)路最快鎖定。鑒相器會根據(jù)輸入?yún)⒖夹盘栆约皝碜苑诸l器的信號頻率的大小關(guān)系得到極性相反的兩種誤差電壓，本發(fā)明正是基于這一點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

失鎖判定單元是根據(jù)低通濾波器輸出的電壓信號的大小判斷環(huán)路是否失鎖，如圖3所示，失鎖判定單元主要由兩個比較器構(gòu)成，當(dāng)且僅當(dāng)?shù)屯V波器輸出的電壓在比較電平V_H、V_L之間時，兩個比較器的輸出均為高，此時環(huán)路處于鎖定狀態(tài)；當(dāng)?shù)屯V波器的輸出電壓不在此范圍內(nèi)時，CPU單元接收兩路比較器的輸出電平，判定環(huán)路失鎖。

正負(fù)電壓判定電路是將低通濾波器的輸出電壓進(jìn)行判斷，用于環(huán)路的自校準(zhǔn)，如圖4所示，正負(fù)電壓判定電路主要由一個比例放大器A4、一個電壓比較器A3構(gòu)成，將來自低通濾波器的相位誤差電壓首先利用放大器A4進(jìn)行比例放大，放大倍數(shù)由電阻R1、R2確定。放大后的電壓與0V電壓進(jìn)行比較，如果來自低通濾波器的電壓為正，則輸出為正；如果來自低通濾波器的電壓為負(fù)，則輸出為負(fù)。CPU單元會根據(jù)比較結(jié)果判斷壓控振蕩器輸出頻率大于或小于參考輸入頻率，控制DAC設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓，控制壓控振蕩器的輸出頻率。

CPU單元接收來自正負(fù)電壓判定電路、失鎖判定電路的信號，并且通過控制DAC設(shè)置值來調(diào)節(jié)預(yù)置電壓，是整個系統(tǒng)的核心單元。

本發(fā)明自動校準(zhǔn)電路的工作步驟為：

第一步：系統(tǒng)加電并預(yù)熱后開始工作。CPU單元接收來自失鎖判定電路的指示信號，如果鎖相環(huán)路鎖定狀態(tài)良好，那么自校準(zhǔn)系統(tǒng)不啟動；而一旦接收到表征環(huán)路失鎖的指示信號，則啟動自校準(zhǔn)流程。

第二步：壓控振蕩器的頻帶通常較寬，壓控特性曲線在全頻段并非完全線性，將整個頻段分段為L1、L2……Ln，并選取每段的起始頻率和終止頻率為校準(zhǔn)點(diǎn)。

第三步：判斷DAC設(shè)置值調(diào)節(jié)的方向。CPU單元選取L1為校準(zhǔn)頻段，選取L1的起始頻率F_L11為校準(zhǔn)點(diǎn)，CPU單元讀取來自正負(fù)電壓判定電路的返回值。如果返回值為正，而且此時環(huán)路失鎖，說明DAC設(shè)置值偏小，環(huán)路輸出正電壓仍然不能補(bǔ)償環(huán)路偏移引起的頻率正偏移，需要增大預(yù)置值；如果返回值為負(fù)，說明DAC設(shè)置值偏大，環(huán)路輸出負(fù)電壓仍然不能補(bǔ)償環(huán)路偏移引起的頻率負(fù)偏移，需要減小預(yù)置值。

第四步：在確定原校準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏大或偏小后，在原校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上以最小步進(jìn)調(diào)節(jié)DAC設(shè)置值，直到來自正負(fù)電壓判定電路的信號極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則說明此時的DAC的設(shè)置值d_L11即為最合適的值，CPU單元記錄該設(shè)置值。按照同樣的方法對L1的終止頻率F_L12進(jìn)行校準(zhǔn)，并記錄校準(zhǔn)值d_L12。

第五步：對每段的起始頻率和終止頻率進(jìn)行第三步和第四步的校準(zhǔn)流程，得到其校準(zhǔn)的DAC設(shè)置值，并記錄為(F_L11、d_L11)、(F_L12、d_L12)……(F_Ln1、d_Ln1)、(F_Ln2、d_Ln2)。然后對每一頻段進(jìn)行線性擬合，得到該頻段的壓控曲線F＝k_Lnd_Ln+a_Ln，其中k_Ln＝(F_Ln2-F_Ln1)/(d_Ln2-d_Ln1)，a_Ln＝(F_Ln1d_Ln2-F_Ln2d_Ln1)/(d_Ln2-d_Ln1)，從而保證每一段內(nèi)每個頻點(diǎn)F_x都可以根據(jù)上述公式反推得到最佳的DAC設(shè)置值，即d_x＝(F_x-a_Ln)/k_Ln。

其中，k_Ln為頻段Ln的壓控靈敏度，a_Ln為頻段Ln在DAC設(shè)置值為0時對應(yīng)的振蕩頻率，即為頻段Ln的固有振蕩頻率。

基于上述自動校準(zhǔn)電路，本發(fā)明還提出了一種自動校準(zhǔn)方法，其工作原理與自動校準(zhǔn)電路相同，這里不再贅述。

相對于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)路頻率合成器校準(zhǔn)方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

(1)不需要復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過電路本身的失鎖判定單元、正負(fù)電壓判定單元，就可以進(jìn)行自校準(zhǔn)，縮小了電路體積，降低了設(shè)計(jì)難度；

(2)不需要頻率計(jì)、溫濕度傳感器、環(huán)境試驗(yàn)箱等組件，降低了成本；

(3)在各種復(fù)雜環(huán)境條件下，都可以通過自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)環(huán)路鎖定；而以前的預(yù)校準(zhǔn)的方法僅能夠?qū)τ邢薜沫h(huán)境條件進(jìn)行模擬，一旦真實(shí)環(huán)境超出模擬的試驗(yàn)箱環(huán)境條件，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)就失效了。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。