快速鎖相無(wú)源三階環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)與檢測(cè)

王東虎

（湖北廣興通信科技有限公司，湖北 荊州 434007）

0 引言

在現(xiàn)代的無(wú)線通信設(shè)備中，鎖相環(huán)電路是很重要的組成部分。如何設(shè)計(jì)好高速、穩(wěn)定的鎖相環(huán)電路是很多無(wú)線通信研發(fā)人員面臨的一個(gè)重要課題。鎖相環(huán)中的鑒相和分頻器均有集成芯片，壓控振蕩器也可訂做，而環(huán)路濾波器必須要經(jīng)過(guò)仿真或設(shè)計(jì)計(jì)算。本文將探討2種快速鎖相的三階無(wú)源環(huán)路的濾波器的設(shè)計(jì)和3種環(huán)路鎖定時(shí)間的檢測(cè)手段。

1 鎖相環(huán)電路的組成及環(huán)路濾波器的作用

1.1 鎖相環(huán)電路的組成

圖1所示為基本的鎖相環(huán)電路的組成。由參考時(shí)鐘、控制電路、集成鎖相芯片和環(huán)路濾波器、壓控振蕩器 （簡(jiǎn)稱(chēng)VCO）、衰減匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩反饋電路和驅(qū)動(dòng)放大電路共同組成。其中環(huán)路濾波器的作用在鎖相環(huán)電路中尤為突出。

圖1 基本的鎖相環(huán)電路的組成

1.2 環(huán)路濾波器的作用

環(huán)路濾波器可濾除鑒相器輸出的誤差電壓和噪聲，它將鑒相器輸出的、含有紋波的直流信號(hào)平均化，并將此變換為交流成分少的、直流信號(hào)的低通濾波器。它除了濾出紋波外，還決定能否穩(wěn)定地進(jìn)行鎖相環(huán)控制的傳輸特性。三階環(huán)路濾波器比二階能更好地濾除參考源的邊帶頻率。在三階無(wú)源環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加適當(dāng)?shù)挠布娐芳纯尚薷臑榭焖冁i相的環(huán)路濾波器。

2 三階環(huán)路濾波的快速鎖相設(shè)計(jì)方法

2.1 三階環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鎖相速度的影響

在實(shí)際的現(xiàn)代通信設(shè)備的應(yīng)用中，在頻率波道切換時(shí)往往需要快速地鎖定鎖相環(huán)，特別是涉及到軟件信令的溝通和傳送，對(duì)鎖相時(shí)間的要求就特別苛刻。一般在不考慮電源與分布電容和共模噪音對(duì)VCO影響的情況下：時(shí)間常數(shù)越小，相位噪聲電平越小，截止頻率越高，鎖相速度越快，環(huán)路對(duì)鑒相器輸出脈沖的紋波抑制越弱，相位比較頻率中的頻率變化急??；時(shí)間常數(shù)越大，截止頻率越小，對(duì)紋波抑制越好，相位噪聲越大，鎖相速度越慢。相位裕量越高，鎖相環(huán)的穩(wěn)定性也越高，但鎖相時(shí)間變慢。相位裕量一般選擇45°，就是為了讓環(huán)路的穩(wěn)定性和環(huán)路響應(yīng)之間有一個(gè)好的折衷。相位比較的頻率越高，環(huán)路的相位噪聲就越小。環(huán)路帶寬應(yīng)該盡可能地窄以減少偽噪聲，但是這會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度。通常環(huán)路帶寬應(yīng)該在1 kHz和20 kHz，但是必須至少為1/20fCOM相位比較頻率；如果不在乎鎖定時(shí)間，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推薦使用2 kHz環(huán)路帶寬。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，如果鎖相環(huán)應(yīng)用在跳頻系統(tǒng)中，在保證有足夠信噪比的前提下，帶寬越大越好，此時(shí)主要是解決頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的問(wèn)題；在定頻系統(tǒng)中，帶寬在選取允許的范圍內(nèi)越小越好，這樣才能盡可能地抑制鑒相器輸出的脈沖紋波和噪聲。因此，在保證環(huán)路穩(wěn)定的前提下，可從選取設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的參數(shù)上來(lái)提高鎖相速度：

1）環(huán)路的帶寬盡可能地寬；

2）相位裕量 （也稱(chēng)相位容限）盡可能地低。

綜合上述討論，我們以中心頻率fVCO=465 MHz為例，VCO的增益靈敏度KVCO=2 MHz/V，電荷泵增益 KΦ=1.25 mA/2 π， 比較頻率 fCOM=200 kHz， 濾波器的環(huán)路帶寬fC=2 kHz，相位容限φ=45°，參考時(shí)鐘頻率fREF=12.8 MHz，衰減20 dB，電阻R2=20 kΩ，經(jīng)計(jì)算或仿真得三階無(wú)源環(huán)路濾波器的參數(shù)，如圖2所示。

圖2 某三階無(wú)源環(huán)路濾波器的參數(shù)

2.2 增加三階環(huán)路濾波器硬件電路對(duì)鎖相速度的影響

a）方法1：下面在圖2電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加硬件比較電路和模擬開(kāi)關(guān)，使環(huán)路的鎖相速度得到進(jìn)一步的提高，電路改進(jìn)后如圖3所示。

圖3 增加了硬件比較電路和模擬開(kāi)關(guān)的改進(jìn)電路

當(dāng)鎖相環(huán)中的參考信號(hào)頻率和比較頻率有相位移狀態(tài)時(shí)，鎖相芯片中的F0LD管腳就變?yōu)榈碗娖?，無(wú)相位移時(shí)為高電平。將該管腳輸出的脈沖平均化，用低電平表示失鎖狀態(tài)，這時(shí)，比較器輸出高電平，模擬開(kāi)關(guān)74HC4066接通，時(shí)間常數(shù)變小，鎖相速度加快。一旦環(huán)路鎖定，此時(shí)F0LD管腳就會(huì)輸出高電平，比較器LM358輸出低電平，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，對(duì)環(huán)路濾波的時(shí)間常數(shù)切換變大，這時(shí)又可對(duì)相位比較頻率成分得到足夠大的衰減，輸出波形的寄生特性也不會(huì)變壞，改善了鎖相速度而使其變快。

用同樣的方式我們也可以對(duì)R7阻值進(jìn)行模擬切換，若同時(shí)也將R5的阻值切換為適當(dāng)值，則可以期待獲得更快的鎖相速度。

b）方法2：同樣可以用增加兩只極性相反的二極管并聯(lián)后再串聯(lián)一只電阻的方式以最少的元器件來(lái)提高鎖相的速度。改進(jìn)后的電路如圖4所示。我們假設(shè)R3=2 kΩ，R2=20 kΩ。

圖4 增加了兩只極性相反的二極管的改進(jìn)電路

根據(jù)圖4，頻率偏離大而失鎖時(shí)，鑒相器輸出大量的脈沖使D1和D2導(dǎo)通，環(huán)路濾波器的時(shí)間常數(shù)變小，環(huán)路快速鎖定。當(dāng)鎖定時(shí)，鑒相器又無(wú)輸出脈沖。R3兩端幾乎等電位，D1和D2截止，環(huán)路濾波器的時(shí)間常數(shù)變大，又有利于降低寄生成分和抑制紋波噪聲。上述電路可大大提高鎖相速度，但鎖相后輸出頻率的寄生成分有一定的惡化。這是由于環(huán)路鎖定后，為了補(bǔ)償電容的漏電流與VCO的頻率飄移，鑒相器輸出窄脈沖，該窄脈沖使D1和D2導(dǎo)通，比較頻率成分的衰減量減小的緣故。

結(jié)合圖3和圖4，利用一個(gè)50 Ω衰減為3 dB網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)訂做或自行設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為465 MHz的壓控振蕩器VCO，加上SPF5043Z管子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)放大器，共同組成了完整的頻率鎖相環(huán)電路，通過(guò)該鎖相環(huán)電路可檢測(cè)驗(yàn)證環(huán)路的鎖定時(shí)間。

3 鎖定時(shí)間的檢測(cè)驗(yàn)證

圖5所示為測(cè)試鎖相環(huán)電路的簡(jiǎn)易框圖。其中測(cè)試按鍵S1分別連接基于Atmega128單片機(jī)為核心的測(cè)試夾具的中斷管腳上。同時(shí)又連接到數(shù)字示波器MSO8104A的IN1端口上。IN2端口串接200 kΩ電阻連接到鎖相環(huán)路濾波器上，具體連接到圖4中的R2和C3交叉點(diǎn)上或圖3中的R5和C4的交叉點(diǎn)上。IN3端口連接到鎖相芯片的鎖定管腳FOLD上。

圖5 測(cè)試鎖相環(huán)電路的簡(jiǎn)易框圖

方法1：按照上述圖5連好線后，所有的設(shè)備裝置加電，選取IN1和IN2通道有效，MSO8104A設(shè)置IN1通道為下降沿觸發(fā)。當(dāng)S1的中斷按鍵按下切換波道送頻和數(shù)據(jù)時(shí)，該點(diǎn)既是測(cè)試鎖相環(huán)時(shí)間觸發(fā)的起點(diǎn)又是送頻和數(shù)據(jù)的開(kāi)始點(diǎn)，之所以選擇中斷按鍵就是為了讓單片機(jī)以最小誤差的方式實(shí)時(shí)修改鎖相環(huán)需要的可編程分頻數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，此時(shí)環(huán)路濾波器輸出一穩(wěn)定的直流電平，可從示波器上讀出從觸發(fā)點(diǎn)到穩(wěn)定電平的時(shí)間差，該時(shí)間差即為鎖定時(shí)間。

方法2：按照上述圖5連好線后，所有的設(shè)備裝置加電，選取IN1和IN3通道有效，MSO8104A設(shè)置IN1通道為下降沿觸發(fā)。不同點(diǎn)就在于示波器的IN3端口接鎖相環(huán)芯片的鎖定管腳FOLD上。

a）當(dāng)ATmega128單片機(jī)的初始化程序無(wú)頻和數(shù)據(jù)送出，但設(shè)置一旦鎖定時(shí)，F(xiàn)OLD管腳就為高電平。此時(shí)上電穩(wěn)定后環(huán)路一直不鎖定，但按下中斷按鍵，程序送出頻和數(shù)據(jù)時(shí)，環(huán)路未鎖定時(shí)，F(xiàn)OLD輸出低電平；一旦鎖定，F(xiàn)OLD就輸出高電平。同樣可通過(guò)該按鍵觸發(fā)狀態(tài)的起始點(diǎn)和FOLD輸出高電平的時(shí)間差來(lái)測(cè)試鎖相環(huán)路穩(wěn)定時(shí)的鎖相時(shí)間。

b）當(dāng)ATmega128單片機(jī)的初始化程序有頻率和數(shù)據(jù)送出，同樣設(shè)置環(huán)路鎖定時(shí)FOLD管腳為高電平。通過(guò)此方法可以以最小誤差的方式測(cè)試出兩個(gè)頻道切換時(shí)鎖相環(huán)轉(zhuǎn)換時(shí)的鎖相時(shí)間。

方法3：用調(diào)制磁疇分析儀的測(cè)量?jī)x器（HP53310A）進(jìn)行測(cè)量，同樣用外部中斷按鍵S1觸發(fā)信號(hào)測(cè)量瞬態(tài)響應(yīng)特性的結(jié)果。該儀器是測(cè)試鎖相環(huán)電路時(shí)常用的、非常重要的測(cè)量?jī)x器。由于在屏幕上顯示測(cè)量壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率，橫軸為時(shí)間，由于不受測(cè)量探頭的影響，因此，可以正確地進(jìn)行高分辨率的測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在無(wú)源三階環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上，在鎖相環(huán)各種指標(biāo)折衷穩(wěn)定的前提下，要提高環(huán)路的鎖相速度，除了適當(dāng)?shù)卦黾訛V波器中環(huán)路帶寬和降低相位裕量參數(shù)外，還可在三階環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上增加硬件電路來(lái)改善，并且通過(guò)3種技術(shù)手段來(lái)檢測(cè)驗(yàn)證具體的鎖相時(shí)間。

[1]遠(yuǎn)坂俊昭 [日].鎖相環(huán) （PLL）電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].第1版.北京：科學(xué)出版社出版，2006：1-238.

[2]SAYRE C W[美].無(wú)線通信設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全 [M].第1版.北京：人民郵電出版社，2004：204-218.

[3]韓庫(kù).淺議頻率合成器中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) [J].電子元器件應(yīng)用，2005，7 （1）：35-36.

[4]陳冬云.ATmega128單片機(jī)原理與開(kāi)發(fā)指導(dǎo) [M].第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：64-67