專利名稱：：一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鎖相環(huán)，特別是一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)。
背景技術(shù)：
：目前國內(nèi)外所使用的鎖相環(huán)技術(shù)具有這樣的特點利用參考信號控制環(huán)路振蕩信號的頻率和相位，使振蕩信號跟蹤參考信號的頻率和相位，當兩者的頻率完全相等時，就可以認為是鎖定狀態(tài)。這種鎖相環(huán)電路可以分為三種，即模擬鎖相環(huán)(APLL)、數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)以及有記憶能力(微機控制的)軟件鎖相環(huán)。鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VC0)三部分組成。傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)(APLL)有較短的鎖定時間保證參考時鐘源和輸出時鐘的穩(wěn)態(tài)相差，但其中心頻點受壓控振蕩器(VC0)的限制，范圍較小、環(huán)路帶寬較寬，當參考源出現(xiàn)瞬斷或者參考時鐘源切換時，壓控振蕩器(VC0)輸出時鐘頻率會出現(xiàn)較大的相位瞬變；采用數(shù)字電路實現(xiàn)濾波算法的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)，可以方便的通過軟件調(diào)整環(huán)路的濾波特性實現(xiàn)平滑源切換，但數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)環(huán)路的鎖定時間較長，且穩(wěn)態(tài)相差比較難控制；就硬件鎖相環(huán)(模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán))而言，都存在不是任何情況下環(huán)路都能鎖定的缺點。如果壓控振蕩器(VCO)固有振蕩頻率與參考信號頻率相差太大，則環(huán)路失鎖；只有當參考信號與壓控振蕩器(VC0)的中心頻率相差不太大時,環(huán)路才能鎖定。因此，必須根據(jù)參考信號的頻率選擇對應的標準信號頻率，而且標準信號必須是低噪聲的可控頻率源(這也是系統(tǒng)造價高的原因)。由于可控頻率源的可拉動頻率范圍有限，必然使得鎖相環(huán)的鎖定頻率范圍過窄。如果要提高鎖相環(huán)的可鎖定頻率范圍，就需要寬范圍的可鎖定源。傳統(tǒng)的方法用了很多倍頻器和混頻器來拓展鎖定的頻率范圍，這就造成了鎖相設備復雜、造價高，可靠性也不高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高鎖相環(huán)的可鎖定頻率范圍的基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是,它至少包括被測信號分頻器和參考信號分頻器，用于分別對被測信號和參考信號分頻，使分頻得到的被測信號和參考信號的等效鑒相頻率為5MHz;鑒相處理模塊，完成被測信號經(jīng)分頻器后的信號和參考信號經(jīng)分頻器后的信號的鑒相，輸出產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制電壓；壓控振蕩器，用于輸出所述控制電壓的振蕩信號。所述的鑒相處理模塊包括鑒相器，將分頻后的被測信號和參考信號送入?yún)⒉铊b相器后，鑒相器對被測信號和參考信號進行比相，將被測信號和參考信號分別接入鑒相器的"set"端和"clr"端，鑒相器將"set"端和"clr"端的上升沿間的時間間隔轉(zhuǎn)化為輸出端的正脈寬的長度；電荷泵,鑒相后得到的正脈沖信號進行低通濾波，去掉高頻干擾和過沖形成的毛刺；低通濾波器、相減器、放大器，用于將鑒相器輸出的兩路信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器、相減器、放大器轉(zhuǎn)化為直流電壓來控制壓控振蕩器(VCO)的頻率；低通濾波器由一個二階電路實現(xiàn)，其截止頻率為1Hz;相減器將鑒相低通輸出的電壓減去L^，再經(jīng)放大器將電壓放大K(《-max(A5))倍，輸出等效鑒相的結(jié)果信號。所述的被測信號和參考信號輸入鑒相器的兩個信號頻率可以為不同頻信號，參考信號輸入信號厶和被測信號輸出信號/,,,經(jīng)被測信號分頻器和參考信號分頻器分頻得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>上升沿使參差鑒相器輸出置"r'，/2上升沿使輸出清零；A、B為互素的正整數(shù)。所述的鑒相器為參差鑒相器。所述的被測信號分頻器和參考信號分頻器分頻值是由外部的單片機控制的，單片機將需要的分頻值以8位數(shù)據(jù)的形式輸入到分頻器內(nèi)。所述的壓控振蕩器(VCO)為5MHz的壓控晶體振蕩器，輸入端與放大整形模塊輸出端電連接，輸出端與被測信號分頻器輸入端電連接。本發(fā)明的工作原理是設兩個信號的頻率為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中A和B是兩個互素的正整數(shù)，Z^是兩個頻率信號的最大公因子頻率，最大公因子頻率的周期<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>稱為兩個頻率的最小公倍數(shù)周期；./;和/2的鑒相輸出經(jīng)低m狄r通濾波后的電壓滿周期的變化對應的兩個信號的相對相位漂移量，稱為等效鑒相周期<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>它'^兩個頻率信號間出現(xiàn)相鄰的相位重合狀況所發(fā)生的相位移；對應的等效鑒相頻率是/，-乂5/M"，由公式/^^J5/^,可以看出，等效鑒相頻率遠遠高于其中任何一個信號的頻率值,因而以它為基礎的鑒相和鎖相能獲得很高的精度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點-傳統(tǒng)的鎖相環(huán)(Pi丄)都是用頻率處理器件，如變頻器，將/;,，和y;,",信號變換成相同的較低頻信號后再進行鑒相。但這樣存在一個缺陷，那就是線路復雜且不易提高鎖相精度。本發(fā)明利用兩路信號相互之間的頻率關(guān)系，從等效鑒相頻率的概念出發(fā)，實現(xiàn)了一種新的鎖相環(huán)電路的設計。與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)最大的不同是，在基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)中，輸入鑒相器的兩個信號是不同頻的。這樣可以大大簡化線路，并且可以減小倍頻線路帶來的相位噪聲，而且成本將更加低廉。與傳統(tǒng)種類的鎖相環(huán)電路相比，本發(fā)明具有更高的鎖相精度和更簡單的線路。這種方法如果能利用現(xiàn)代的微電子和半導體技術(shù)結(jié)合，有可能為新一代的鎖相環(huán)集成電路設計帶來巨大的變化。也可以在頻率合成器的設計方面發(fā)揮巨大的作用，具有造價低、性能好等方面的明顯優(yōu)勢。本發(fā)明中的鎖相環(huán)利用等效鑒相頻率的原理，實現(xiàn)了不同頻率信號間的鑒相鎖相，從而省去了傳統(tǒng)鎖相環(huán)中的高指標的頻率合成器，只用一個高穩(wěn)定度的壓控振蕩器(vco)作參考源，就可以完成其與任意頻率信號間的鑒相鎖相，大大簡化了電路，降低了成本。圖i是本發(fā)明實施例原理框圖2是鑒相處理模塊原理框圖；圖3為鑒相低通輸出的波形圖；圖4為參差鑒相器的仿真波形；圖5為較高指標頻率源改善的實驗原理框圖。表1為較低指標的源與參考源互鎖后頻率穩(wěn)定度的改善情況；表2為較高指標的源的頻率穩(wěn)定度改善后的指標。具體實施例方式如圖1所示，是基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)的原理框圖，基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)的具體設計分為以下幾個模塊i)被測信號分頻器和參考信號分頻器輸入信號經(jīng)被測信號分頻器和參考信號分頻器后進入?yún)⒉铊b相器，被測信號分頻器和參考信號分頻器的分頻值是由外部的單片機控制的，單片機將需要的分頻值以8位數(shù)據(jù)的形式輸入到分頻器內(nèi)。分頻器的設計是在CPLD(復雜可編程邏輯器件)中完成的。此處需要考慮如何根據(jù)^"和,"'的頻率值來選擇分頻器1和分頻器2的分頻值，從而確定A和B的值。雖然A+B的值越大，等效鑒相頻率/，越高，鑒相靈敏度也越髙，但同時會使鑒相器的線性度受損，也會減小鎖相環(huán)(PLL)的跟蹤范圍，而且低通濾波器輸出電壓C/wf的峰峰值也隨之變小。如果L^f的峰峰值太小，它的放大就會有困難，并且放大器的放大倍數(shù)越大，其引入的噪聲也將越大。為了兼顧鑒相靈敏度越高、鑒相器的線性度、鎖相環(huán)(PLL)的跟蹤范圍和[//,,/,的峰峰值，要合理得選擇分頻器1和分頻器2的分頻值，才能發(fā)揮出不同頻鑒相鎖相環(huán)(PLL)的優(yōu)勢。根據(jù)我們的實驗，選擇分頻器1和分頻器2的分頻值使等效鑒相頻率/，在5MHz左右效果比較好，可以使鎖相環(huán)(Pl丄)有最大的跟蹤范圍，并使參差鑒相器保持良好的線性度。2)鑒相處理模塊鑒相處理模塊完成兩個不同頻信號的鑒相，如圖2所示。鑒相處理模塊的輸入信號是輸入信號/',,經(jīng)分頻器1分頻的信號./;和壓控振蕩器(vco)輸出信號y^經(jīng)過分頻器2分頻的信號/2，輸出產(chǎn)生控制壓控振蕩器(VCO)的控制電壓。3)壓控振蕩器(VC0)壓控振蕩器是鎖相環(huán)中關(guān)鍵部件，其振蕩頻率的變化與控制電壓成正比。壓控振蕩器是系統(tǒng)閉環(huán)中的受控元件，本系統(tǒng)中使用高穩(wěn)定度的壓控晶體振蕩器，與外界信號進行相位比對。當相位差的信息改變時，信號調(diào)理模塊會將這種變化的信息對應的電壓反饋到壓控振蕩器(VC0)，即標準源，微調(diào)其輸出頻率以實現(xiàn)鎖定。這樣，鎖定后的輸出信號就是穩(wěn)定的頻率信號。與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)最大的不同是，在基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)中，輸入鑒相器的兩個信號是不同頻的。圖i中的y;、/2分別是輸入信號/和輸出信號/。,經(jīng)過分頻得到的(其中/i-^-,/^'.，/2=5*厶_)，y;上升沿使參差鑒相器輸出置"r',而/2上升沿使輸出清零。用"鑒相處理模塊"的輸出f/^控制壓控振蕩器(vco)的壓控端，產(chǎn)生負反饋從而鎖定厶,,。根據(jù)我們的實驗，分頻器1，2的分頻值使/申在5MHz左右時鑒相靈敏度很高，當厶和</;,,,,鎖定后處于等效相位正交狀態(tài)時，鎖相環(huán)有最大的跟蹤范圍，并且參差鑒相器能夠保持良好的線性度。如圖2所示，鑒相處理模塊由如下幾個部分組成A、參差鑒相器。參差鑒相器又稱序列鑒相器，它的輸出信號能夠表達頻率及相位相對超前或者滯后信息，然后送到電荷泵。該系統(tǒng)中的參差鑒相器在CPLD器件中實現(xiàn)，基于等效鑒相原理，當兩個信號進行比相時，其前沿分別代表各自的相位。比較這兩個脈沖序列的頻率和相位即可得到與相位差有關(guān)的輸出。參差鑒相器將"set"端和"clr"端的上升沿間的時間間隔轉(zhuǎn)化為輸出端的正脈寬的長度。其工作波形如圖4所示，'第一行波形是./;的波形，將其送給參差鑒相器的"set"端，y;的上升沿使參差鑒相器輸出置"1";第二行波形是力的波形，將其送給參差鑒相器的"clr"端，/2的上升沿使參差鑒相器輸出置"0";第三行波形是參差鑒相器的輸出信號波形，從"Q"端輸出，輸出信號表示/i和/2的相位差。B、電荷泵。基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)在對鑒相器輸出信號積分的基礎上提取壓控振蕩器(VCO)控制電壓，它對信號電平的穩(wěn)定性要求很高。由于鑒相器和其他電路模塊共用--個電源，其他模塊工作時產(chǎn)生的噪聲會疊加在電源上，使得鑒相器的電源電壓存在隨機擾動。雖然這樣的擾動不會影響鑒相器的輸出邏輯狀態(tài)，但是會影響輸出的邏輯電平的值，從而使后續(xù)低通濾波器的輸出的電壓值受到干擾，這樣會直接影響壓控振蕩器(VC0)輸出頻率的穩(wěn)定度指標。為了能夠抑制這個干擾，在電路設計中我們使用了電荷泵。在本系統(tǒng)中，電荷泵用來改善由鑒相器輸出的信號的質(zhì)量。其工作原理為，當輸入信號電平大于某-值，其輸出為高電平，且此高電平的電壓穩(wěn)定；當輸入信號低于某一值，其輸出為電壓值穩(wěn)定的低電平。當本系統(tǒng)中鑒相器的上升沿出現(xiàn)時，從其輸出上升至某一電平值到到達平穩(wěn)的高電平的時間內(nèi)，經(jīng)過電荷泵的整形，其輸出總為平穩(wěn)的高電平。經(jīng)整形后的信號，其正脈沖的寬度才能有效的反應兩個信號相位差的信息。對電荷泵輸出信號積分，可以消除其他電路模塊的干擾，和由器件本身的特性引起的上升沿過沖太大的影響。C、低通濾波器、相減器、放大器。鑒相器輸出波形的占空比，表征兩路信號的相位差，要將此相位差信息經(jīng)過低通濾波器、相減器、放大器轉(zhuǎn)化為合適的直流電壓量來控制壓控振蕩器(VC0)的頻率從而實現(xiàn)鎖定。此處的低通濾波器由一個二階電路實現(xiàn)，其截止頻率為iHz，實現(xiàn)的是緊鎖。相減器將鑒相低通輸出的電壓減去:/，再經(jīng)放大器將電壓放大K(K-max04,S))倍，最終輸出的是等效鑒相的結(jié)果。本發(fā)明依據(jù)等效鑒相頻率的概念，將兩個不同頻率的信號/,-^/,e和/2=^"1(:送入?yún)⒉铊b相器，參差鑒相器將兩個信號的相位差轉(zhuǎn)化成輸出正脈沖的寬度，低通濾波器再將此輸出信號進行低通平均。如果兩個信號頻率始終準確地保持在/|:/2=4:5,a、b為互素的正整數(shù)，則鑒相輸出波形不變。但是往往這個比例都有點不準確，也就是說存在微差，所以產(chǎn)生相位漂移，使得參差鑒相器輸出的正脈沖寬度的變化趨勢符合周期性特征，由前面的論述可知這個變化周期對應的相位漂移拿是等效鑒相周期T^。低通濾波后輸出的波形也發(fā)生變化。設低通濾波器的輸出t/wp是對每個7^e中的的波形進行電壓平均的結(jié)果(可以證明當兩個頻率信號等效相位重合時C/諷的值最小，稱它為￡7),如圖3所示。每個7^e中含有B個正脈沖，而每個正脈沖的脈寬最大變化量為r,，低通輸出的鋸齒波峰峰值1^^^，可以表示為k層4(";)/u卿MJ/(w/鵬c)MD^附〃其中^M是將厶和/a分頻成同頻后再進檸鑒相輸出的鋸齒波的峰峰值s所以不同頻鑒相輸出的鋸齒波的峰峰值F^j-F^^-F^sM(當然這里是由于A〉B，才有&;=^^/爿；同理當A〈B時，應該是F，-F^/3)。將CA諷減去C^，再放大K倍(尺-U丑)),則其最終輸出電壓C/pD與分頻成同頻再鑒相輸出電壓的C^的峰峰值相同，即F^'-f^(其中F^'是C/。D的峰峰值)'。這樣的鑒相輸出電壓i/⑩就相當于兩個頻率為/^-J5/^e的信號進行同頻鑒相的結(jié)果相同。所以不同頻鑒相的靈敏度是分頻成同頻后的乂*5倍，而由此構(gòu)成的鎖相環(huán)的鎖相靈敏度也提髙了^*5倍。下面通過表1和表2給出本發(fā)明鎖定實驗結(jié)果說明。表1是對指標較差的頻率源的改善實驗<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l用10朋z的0CXO(恒溫振蕩器)鎖定一只指標較差的標稱值為8.448MHz的VCXO(壓控振蕩器)(壓控范圍為士1.4i^),實現(xiàn)精確鎖定。對鎖'定后的8.448MHz的VCXO進行穩(wěn)定度測量，結(jié)果如表1所示。表1中的頻率值是hp5370B以OCX08607-BM為外頻標直接測量得到。從表中數(shù)據(jù)可以看出，用10MHz秒級穩(wěn)定度為2.3xl0—11的0CX0作為該鎖相環(huán)的參考信號厶，對標稱值為8.4站MIfe秒穩(wěn)為1.7xl0"的壓控晶搌實現(xiàn)了精確鎖定，秒級穩(wěn)定度提髙2個數(shù)量級以上，10秒級穩(wěn)定度提髙更多，使10秒級穩(wěn)定度達到6.3x10—11，接近輸入的頻率標準1.0)<10—11的指標。表2是對較髙指標頻率源的改善實驗<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2實驗原理框圖如圖5所示，用0CX08607-BM輸出的秒級穩(wěn)定度為l，3x10—13的5MHz信號作為頻率合成器hp8662A的外頻標，產(chǎn)生5MHz、12.8MHz、16.384MHz和38.88MHz的高指標的信號(經(jīng)測定，此時由hp8662A輸出的信號秒級穩(wěn)定度為l.lx10—12)，分別作為該鎖相模塊的參考信號厶，對一只10朋z的壓控OCXO(秒級穩(wěn)定度為3.7x10-"，壓控范圍土3Hz)進行鎖定。表2的數(shù)據(jù)表明，鎖定后該lOMHz的晶體振蕩器的秒級穩(wěn)定度都進入了10_12量級?？梢钥闯觯眠@樣的方法使被鎖定的振蕩器的指標都得到了很大的提高，如果能進一歩降低電子線路的噪聲，并選用吏為高速的器件，就允許兩信號在更高的等效鑒相頻率下進行鑒相，從而獲得更髙的指標，使輸出信號的指標更接近輸入?yún)⒖夹盘柕闹笜?。實驗中用到兩組0CX08607-BM和hp8662A，一組用于產(chǎn)生鎖相環(huán)的輸入信號九，另一組用于頻率穩(wěn)定度測量。權(quán)利要求1、一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是，它至少包括被測信號分頻器和參考信號分頻器，用于分別對被測信號和參考信號分頻，使分頻得到的被測信號和參考信號的等效鑒相頻率為5MHz；鑒相處理模塊，完成被測信號經(jīng)分頻器后的信號和參考信號經(jīng)分頻器后的信號的鑒相，輸出產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制電壓；壓控振蕩器，用于輸出所述控制電壓的振蕩信號。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是所述的鑒相處理模塊包括鑒相器，它將分頻后的被測信號和參考信號送入?yún)⒉铊b相器后，鑒相器對被測信號和參考信號進行比相，將被測信號和參考信號分別接入鑒相器的"set"端和"clr"端，鑒相器將"set"端和"clr"端的上升沿間的時間間隔轉(zhuǎn)化為輸出端的正脈寬的長度；電荷泵鑒相后得到的正脈沖信號進行低通濾波，去掉高頻干擾和過沖形成的毛刺；低通濾波器、相減器、放大器用于將鑒相器輸出的兩路信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器、相減器、放大器轉(zhuǎn)化為直流電壓來控制壓控振蕩器的頻率；低通濾波器由一個二階電路實現(xiàn)，其截止頻率為1HZ，相減器將鑒相低通輸出的電壓減去1/,再經(jīng)放大器將電壓放大K(A:-max(AiB))倍，輸出的等效鑒相的結(jié)果信號。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的--種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是所述的被測信號和參考信號輸入鑒相器的兩個信號頻率可以為不同頻信號，參考信號輸入信號厶和被測信號輸出信號/,,,,,經(jīng)被測信號分頻器和參考信號分頻器分頻得到■/i-^*/".,/2=s*/maxt，,上升沿使參差鑒相器輸出置"1"，/2上升沿使輸出清零；A、B為互素的正整數(shù)。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是所述的鑒相器為參差鑒相器。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是所述的被測信號分頻器和參考信號分頻器分頻值是由外部的單片機控制的，單片機將需要的分頻值以8位數(shù)據(jù)的形式輸入到分頻器內(nèi)。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征所述的壓控振蕩器為5MHz的壓控晶體振蕩器，輸入端與放大整形模塊輸出端電連接，輸出端與被測信號分頻器輸入端電連接。全文摘要本發(fā)明涉及一種鎖相環(huán)，特別是一種基于等效鑒相頻率的鎖相環(huán)，其特征是，它至少包括被測信號分頻器和參考信號分頻器用于分別對被測信號和參考信號分頻，使分頻得到的被測信號和參考信號的等效鑒相頻率為5MHz；鑒相處理模塊，完成被測信號經(jīng)分頻器后的信號和參考信號經(jīng)分頻器后的信號的鑒相，輸出產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制電壓；壓控振蕩器，用于所述控制電壓輸?shù)恼袷幮盘?。所述的被測信號分頻器和參考信號分頻器分頻值是由外部的單片機控制的，單片機將需要的分頻值以8位數(shù)據(jù)的形式輸入到分頻器內(nèi)。所述的壓控振蕩器為5MHz的壓控晶體振蕩器，輸入端與放大整形模塊輸出端電連接，輸出端與被測信號分頻器輸入端電連接。文檔編號H03L7/089GK101567689SQ20091002185公開日2009年10月28日申請日期2009年4月3日優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日發(fā)明者于光運,渭周,孫江濤,海王,陳發(fā)喜,高建寧申請人:西安電子科技大學