頻譜分析儀中小數(shù)環(huán)的一點(diǎn)改進(jìn)

向志南，鄒丹

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所 ）

0 引言

AV4033頻譜分析儀是中電41所研制的掃頻超外差式寬帶接收機(jī)，具有高分辨率，低相噪等特性。AV4033頻譜儀采用掃頻本振方案，本振頻率合成部分由參考環(huán)、取樣環(huán)、YTO環(huán)、小數(shù)分頻環(huán)等組成，原理框圖如圖1所示。

3～6.8GHz的本振信號(hào)進(jìn)入取樣器，由取樣環(huán)提供285～297MHz信號(hào)作為取樣本振。60～96MHz的取樣器中頻輸出和小數(shù)環(huán)輸出進(jìn)行鑒相，誤差信號(hào)送至YTO的FM線圈，調(diào)整YTO頻率，直到取樣器中頻輸出等于小數(shù)環(huán)輸出為止。鎖相合成大大提高了本振批率的穩(wěn)定度，小數(shù)環(huán)輸出的微步距實(shí)現(xiàn)了本振以1mHz步進(jìn)，使1Hz分辨帶寬的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖1 本振原理框圖

因此小數(shù)環(huán)的設(shè)計(jì)非常重要，它的性能直接影響著整機(jī)的關(guān)鍵性能。在AV4033頻譜分析儀中小數(shù)環(huán)的原理框圖如圖2所示。

圖2 小數(shù)分頻鎖相環(huán)原理框圖

小數(shù)環(huán)主要由高穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度的參考頻率源、鑒相器、環(huán)路濾波器、可變程序分頻器及壓控振蕩器等部分構(gòu)成。小數(shù)環(huán)的主要性能指標(biāo)由頻率覆蓋范圍、即小數(shù)環(huán)的帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度、頻率間隔、寄生輸出和相位噪聲等。它們與電路結(jié)構(gòu)、器件性能、環(huán)路參數(shù)、調(diào)試狀態(tài)及采取的技術(shù)措施等都有關(guān)。在設(shè)計(jì)、調(diào)試小數(shù)環(huán)中，都想方設(shè)法來(lái)改善其性能，以滿足技術(shù)要求。

1 小數(shù)分頻器

以AV4033頻譜分析儀為例講述小數(shù)分頻器的工作原理及應(yīng)用。

普通鎖相環(huán)原理框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)原理框圖

如果鎖相環(huán)示意圖3中反饋網(wǎng)絡(luò)為分頻器，分頻比為N，則：

只需簡(jiǎn)單地改變分頻比N，就可以得到一系列N*Fr的輸出頻率，即環(huán)路構(gòu)成一個(gè)鎖相倍頻器。上述公式只滿足于鎖定狀態(tài)。當(dāng)環(huán)路反饋改變時(shí)，環(huán)路需經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)的頻率捕捉過(guò)程，所需時(shí)間即為頻率切換時(shí)間。它反比于參考頻率和環(huán)路濾波器的通頻帶。Fo的最小分辨率為Fr，但為了加快捕捉速度，抑制高頻相噪等改善環(huán)路性能的要求，要提高參考頻率，這與提高分辨率發(fā)生矛盾即分辨率與頻率切換速度之間的矛盾。為了解決這一困難,采用小數(shù)分頻。即：

但一般的數(shù)字分頻器只能進(jìn)行整數(shù)分頻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。從平均頻率的觀點(diǎn)出發(fā)，小數(shù)分頻是可以實(shí)現(xiàn)的，即分頻比是一段時(shí)間內(nèi)被分頻的脈沖數(shù)與分頻后的脈沖數(shù)之比。例如作6次八分頻，4次九分頻，有6*8+4*9=84個(gè)脈沖參與分頻，而輸出10個(gè)脈沖，故平均為N.F=84/10=8.4分頻。

具體電路一般是采用程控變模分頻器和累加器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻的。由程控變模分頻器實(shí)現(xiàn)N/N+1分頻，相位累加器控制分頻比N及N+1的切換。

圖4 小數(shù)分頻示意圖

由圖4可看出，累加器每次累加后都存在余量即分頻輸出脈沖的相位誤差。對(duì)于N.F分頻來(lái)說(shuō)，每次N分頻使輸出脈沖相位超前2π(F/N.F)，而N+△N分頻使相位滯后2π(△N -.F/N.F)。經(jīng)鑒相器輸出誤差電壓，濾波后加到VCO上造成調(diào)相。稱為尾數(shù)調(diào)制。

采用“∑-△調(diào)制”技術(shù)，可徹底根除尾數(shù)調(diào)制。其基本原理是利用相位頻譜搬移的方式，借助鎖相環(huán)的低通特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。環(huán)路采用三級(jí)累加器及一系列延時(shí)和求和網(wǎng)絡(luò)，對(duì)分頻比進(jìn)行調(diào)制。其中，一級(jí)累加器已實(shí)現(xiàn)了小數(shù)分頻如圖4所示，但存在尾數(shù)調(diào)制，二級(jí)累加器可去毛刺，但抬高噪聲，三級(jí)累加器降低噪聲，最終實(shí)現(xiàn)完美的小數(shù)分頻。

2 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題與改進(jìn)方法

小數(shù)環(huán)失鎖后，一般會(huì)拉到低端或高端，表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)鑒相電壓為－7.5V，小數(shù)環(huán)輸出為38MHz；鑒相電壓為+13.8V，小數(shù)環(huán)輸出為118MHz。

在剛開始調(diào)試時(shí)經(jīng)常發(fā)生小數(shù)環(huán)失鎖的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在環(huán)路濾波器前端電阻上并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容可以有效改變環(huán)路失鎖現(xiàn)象。

補(bǔ)償電容的作用是有效地改變了環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)，這可從下面對(duì)環(huán)路濾波器的分析中看出。如下圖5所示，這是雙輸入有源比例積分濾波器。圖中，A為運(yùn)算放大器的開環(huán)增益、為濾波器的兩個(gè)輸入電壓為濾波器輸出電壓。

圖5 雙輸入有源比例積分濾波器

展開整理后得

從運(yùn)算放大器得特性可知

將（2）式代入（4）式得

經(jīng)整理得

這一條件，在由運(yùn)算放大器構(gòu)成得有源濾波器中，一般都能滿足。該環(huán)路濾波器得傳遞函數(shù)為

可見(jiàn)，提高放大器得增益，就可實(shí)現(xiàn)理想比例積分器的特性。

我們用圖6（a）所示方波控制分頻比變化，得到的VCO控制電壓 從一個(gè)穩(wěn)定值 到另一個(gè)穩(wěn)定值 。（b）曲線圖是沒(méi)加補(bǔ)償電容前得控制電壓變化曲線，而（c）是加了補(bǔ)償電容后的控制電壓變化曲線圖?？梢钥闯霾ㄐ危╟）的頻率轉(zhuǎn)化時(shí)間明顯減少，輸出頻率穩(wěn)定時(shí)間增加。從而減少了寄生調(diào)頻，降低了相位噪聲，提高了頻譜純度。

圖6 測(cè)試預(yù)頻轉(zhuǎn)換時(shí)間示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

鎖相環(huán)在頻譜儀中發(fā)揮著巨大作用，決定著頻率合成的各項(xiàng)性能指標(biāo)。小數(shù)分頻是目前最常使用的一種改進(jìn)鎖相環(huán)性能的先進(jìn)技術(shù)，解決了鎖相環(huán)分辨率與捕捉速度這一基本矛盾。但是在調(diào)試過(guò)程中也出現(xiàn)了不少問(wèn)題，需要工程人員細(xì)心尋找，并不斷改善其性能。

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