射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)鎖相技術(shù)

王新艷

(青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與服務(wù)外包學(xué)院，山東青島266555)

高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系列是一種尖端測試儀器，具有傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀無法比擬的優(yōu)點和更廣泛的用途，集多功能、模塊化、寬頻帶、高精度、高分辨率、大動態(tài)范圍、快速實時、使用方便等特點于一身，首次采用Windows操作系統(tǒng)，更可靠并適合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使網(wǎng)絡(luò)儀能夠像其它辦公或工業(yè)設(shè)備一樣具有PC機的全部功能。系統(tǒng)鎖相技術(shù)是寬帶一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的關(guān)鍵技術(shù)，主要作用是保證本振源和射頻源嚴(yán)格同步。本文介紹了系統(tǒng)鎖相技術(shù)及輔助鎖相電路的設(shè)計，并闡述了該電路有效縮短掃描時間的方法，以提高整個矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試速度

1 鎖相環(huán)路的工作原理

鎖相環(huán)是指由相位比較器(鑒相器)、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(VCO)組成的負(fù)反饋閉合環(huán)路[1]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。鑒相器是相位比較裝置，對輸入信號Fr和反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出信號Fv的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓Se。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓的控制，其輸出Fo經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)后的頻率Fv向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。鎖相環(huán)是相位誤差控制系統(tǒng)，比較輸入信號和反饋網(wǎng)絡(luò)輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，以達(dá)到與輸入信號同頻。

圖1 鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與反饋網(wǎng)絡(luò)輸出頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢必一直在變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到使反饋網(wǎng)絡(luò)輸出頻率與輸入信號頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。

達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號和反饋網(wǎng)絡(luò)輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài)。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時，還具有“捕捉”信號的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸入信號頻率，并強迫VCO鎖定在該頻率上。

能夠靠環(huán)路自身的作用最終實現(xiàn)鎖定的最大的調(diào)諧振蕩器初始失諧誤差稱為鎖相環(huán)的捕捉帶寬。環(huán)路鎖定以后，由于某些內(nèi)在條件或外在干擾的影響，環(huán)路可能會瞬時偏離鎖定平衡，但這種失衡在一定頻率范圍內(nèi)會被鎖相環(huán)自動消除而建立新的平衡，最大允許偏離范圍稱為同步帶寬。一般來說，同步帶寬大于捕捉帶寬，一旦失衡超出同步帶寬，環(huán)路將永久失鎖，除非有外部力量把調(diào)諧振蕩器重新調(diào)諧到捕捉帶寬以內(nèi)。

2 射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輔助鎖相技術(shù)

在寬帶一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，最高掃描頻率可以達(dá)到9 GHz，為了具有更快的掃描測試速度，同時保證源輸出信號的相噪指標(biāo)，其鎖相系統(tǒng)工作方式和以往的網(wǎng)絡(luò)分析儀有所不同。新型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過鎖相輔助電路的設(shè)計，使鎖相系統(tǒng)在開環(huán)狀態(tài)下，跟蹤特性就已達(dá)到很高的精度，不但縮短了捕獲時間，還保證在快速鎖相時系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，實現(xiàn)了快速鎖相，改善測量的速度和精度。其中的延時補償、2.5 G偏移、數(shù)字預(yù)調(diào)斜坡和模擬斜坡電路共同組成了輔助鎖相電路，保證環(huán)路即使在開環(huán)狀態(tài)下，YIG振蕩器的輸出頻率與參考頻率也非常接近，減小了環(huán)路起始頻差，提高了掃描速度。

2.1 數(shù)字預(yù)調(diào)斜坡電路

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描測試分為步進掃和模擬掃兩種狀態(tài)。步進掃時采用的是逐點鎖相，具體電路實現(xiàn)中，為了保證數(shù)字預(yù)調(diào)電壓能與小數(shù)環(huán)(輸入?yún)⒖碱l率)步進一致，整個掃描跟蹤過程環(huán)路一直鎖定，電路應(yīng)用CS82C54作為分頻控制器來產(chǎn)生時鐘中斷以精確控制數(shù)字預(yù)調(diào)電壓。

圖2所示為步進掃預(yù)調(diào)電壓控制電路框圖，環(huán)路在預(yù)調(diào)捕獲時，計數(shù)器被CPU設(shè)置初始值，通過D/A轉(zhuǎn)換為電壓來調(diào)諧YIG調(diào)諧振蕩器(YTO)，此時YTO產(chǎn)生的頻率與參考頻率非常接近，環(huán)路快速捕獲成功。主CPU通過參考信號的掃描速度計算出合適的分頻比送入分頻控制電路，當(dāng)參考頻率步進斜升時，步進控制信號變?yōu)楦唠娖剑?0 M信號進入分頻控制電路，經(jīng)過分頻后的信號進入計數(shù)器的時鐘輸入端，引起計數(shù)器的變化，通過D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)樾鄙碾妷?，?shù)字預(yù)調(diào)電壓控制YTO的頻率，這樣就保證了在逐點鎖相時YTO頻率與參考頻率步進一致，環(huán)路快速進入穩(wěn)定狀態(tài)，節(jié)約大量時間[2]。步進掃參考頻率與預(yù)調(diào)電壓的關(guān)系見圖3。

圖2 步進掃預(yù)調(diào)電壓控制電路

圖3 步進掃參考頻率與預(yù)調(diào)電壓關(guān)系

圖4為實現(xiàn)預(yù)調(diào)電壓的具體電路原理圖，N402作為計數(shù)器產(chǎn)生計數(shù)脈沖，同時作為12位計數(shù)器的時鐘輸入。N403、N404、N405級聯(lián)組成12位計數(shù)器，12位計數(shù)器的計數(shù)輸出作為每個掃描頻率點的頻率置數(shù)值輸入到AD7945 D/A轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓來粗調(diào)YTO輸出到相應(yīng)的頻率。

圖4 數(shù)字預(yù)調(diào)諧電路原理圖

具體工作過程為：預(yù)調(diào)時，N402并不工作，CPU通過計算向N403、N404、N405內(nèi)置數(shù)，所置數(shù)值通過D/A轉(zhuǎn)換后調(diào)節(jié)YTO輸出頻率，使YTO的輸出頻率達(dá)到需要鎖定的頻率附近，然后環(huán)路進行鎖相調(diào)節(jié)[3]。如果不能鎖定，則需要再次預(yù)調(diào)，CPU重新向N403、N404、N405內(nèi)置數(shù)，然后再進行鎖相。預(yù)調(diào)過程可以重復(fù)多次直到環(huán)路鎖定。

掃描開始時，N402由數(shù)據(jù)線輸入數(shù)據(jù)，N403、N404、N405保持預(yù)調(diào)成功時的數(shù)據(jù)，N411-5為掃描控制信號，掃描時，每掃一個點就有一個脈沖，脈沖寬度不定，它與掃描的頻率范圍和點數(shù)有關(guān)，即與兩個相鄰掃描點的頻率跨度有關(guān)，頻率跨度越大，脈沖越寬，這樣放到N402里的時鐘信號越多，最終計數(shù)器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖越多。計數(shù)器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖輸出作為12位邊沿計數(shù)器的時鐘輸入信號，所以12位計數(shù)器計數(shù)輸出的變化也就越大，D/A轉(zhuǎn)換后生成的電壓變化也變大，YTO的頻率變化也就越大。這樣，每個掃描點數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出電壓都能把YTO的頻率預(yù)置到鎖定的頻率附近，然后環(huán)路再進行鎖相調(diào)節(jié)。

由以上分析可知，Hscan信號和N402的數(shù)據(jù)共同作用可以決定數(shù)字預(yù)調(diào)諧斜坡的斜率，即在每兩個掃描點之間的電壓變化，N403、N404、N405所輸入的數(shù)據(jù)為YTO的頻率預(yù)調(diào)數(shù)據(jù)，決定了起始掃描時YTO的頻率。

2.2 模擬斜坡電路

由于理想的二階環(huán)可以跟蹤頻率斜升信號，具有固定的相位差，這個固定的穩(wěn)態(tài)相差與掃描速率成正比，如果加大掃描速率，穩(wěn)態(tài)相差隨之加大，就可能進入非線性跟蹤狀態(tài)，再加大掃描速率，還會造成失鎖[4]。為了提升掃描速度，當(dāng)系統(tǒng)以更快的速度進行掃描時，數(shù)字預(yù)調(diào)斜坡不再是逐點精確置數(shù)，而只是在每個波段的起始點置一個值，鎖定后由模擬斜坡電路產(chǎn)生一個均勻斜升的電壓(如圖5所示)，該電壓變化與參考信號的頻率變化一致，最終使得YTO的輸出頻率與參考頻率在整個掃描過程中變化接近，鎖相環(huán)路在這個基礎(chǔ)上進行鎖相。

該路模擬電壓的斜率與測量跨度成正比，與掃描時間成反比。首先根據(jù)子掃描頻率跨度及小數(shù)環(huán)(參考頻率)步進確定掃描時間跨度TimeSpan；然后根據(jù)子掃頻率跨度確定YTO所需電壓的正常變化范圍VoltSpan；最后利用公式計算需要設(shè)置的電壓Volt=VoltSpan/Scale/TimeSpan，Scale需要校準(zhǔn)得到。

快掃模擬斜坡電壓產(chǎn)生電路如圖6所示，主CPU通過計算將數(shù)據(jù)置于D/A，D/A輸出所需電壓，當(dāng)參考頻率開始掃描時，步進控制變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)閉合，積分濾波器輸出斜升的電壓調(diào)諧YTO。

圖5 快掃控制電壓

圖6 快掃模擬斜坡電壓產(chǎn)生電路

2.3 延遲補償電路

一般來講，YTO的輸出頻率與所輸入的驅(qū)動電流之間并不是完全線性關(guān)系，其有延遲特性，假設(shè)給定靜態(tài)電流為200 mA時，YTO輸出頻率為2 G，而驅(qū)動電流由100 mA均勻變化到300 mA時，在200 mA點處振蕩器的輸出并不是2 G，比2 G略低，驅(qū)動電流的變化速率越快，這種現(xiàn)象就越明顯，針對YTO的這種特性設(shè)計了延時補償電路，通過對振蕩器外加驅(qū)動電流的方式進一步保證開環(huán)狀態(tài)下對YTO的精確控制，其計算公式為：V=K*FreqSpan/SweepTimes，其中，F(xiàn)reqSpan為掃描跨度，SweepTimes為掃描時間，K是常數(shù)，由YTO的特性實驗決定。通過上述電路的共同作用，就可以確保YTO的控制電壓非常精確。鑒相器的工作原理圖如圖7所示。

圖7 鑒相器電路原理圖

Q1和Q2與非的結(jié)果作為RD的輸入，由于RD為高電平時時鐘上升沿觸發(fā)，RD為低電平時清零。當(dāng)Q1、Q2都為高電平時，RD輸入為低電平進行清零。N208-20作為開關(guān)的控制信號，當(dāng)?shù)碗娖綍r，鑒相器輸出為低電平，不工作。Q1與Q2的輸出為不同脈寬的脈沖，經(jīng)過濾波就可以轉(zhuǎn)化為脈動的直流信號來調(diào)節(jié)YTO的輸出頻率。圖8只截取了仿真波形的一段，并不能代表Q1與Q2經(jīng)濾波后的實際電壓變化。

圖8 仿真波形

3 結(jié)語

本文簡要介紹了鎖相的基本原理，著重介紹了高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)鎖相的實現(xiàn)方法和工作原理。

[1] 閆亞力，杜會文，杜以濤，等.一種多環(huán)路寬帶微波頻率合成器設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2014，33(5)：48-51.

[2] 萬耿華，凌云志.自校準(zhǔn)YTO鎖相環(huán)路的實現(xiàn)[J].微波學(xué)報，2011，27(3)：76-78.

[3] 何文青，宋春林，董航，等.數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號的改進與實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2015，41(1)：74-76.

[4] 張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011：87-110.