一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置及方法
2023-05-26 11:11:36
專利名稱：一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置及方法
技術領域：
本發明屬於測試測量技術領域，涉及射頻信號源、頻譜分析儀等射頻裝置，尤其是一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置及方法。
背景技術：
在射頻測試測量領域，鎖相環頻率合成技術是目前常用的精確確定頻率的方法，利用該技術可以實現時鐘合成的技術有兩種，分別是整數分頻鎖相環技術和小數分頻鎖相環技術。目前為了實現輸出多個頻率步進小的信號，常採用的技術是小數分頻，它可以在改進鎖相環頻率合成器相位噪聲的同時，能提供小於參考頻率的步進輸出。如圖1所示為現有技術中頻譜分析儀所用的鎖相迴路或鎖相環(PLL)頻率合成器框圖。如圖所示，PLL頻率合成器有:基準信號發生器101，緩衝器102，鑑相器103，環路濾波器104，壓控振蕩器105，可變分頻器106，以及分頻比控制模塊107。基準信號發生器101產生的信號頻率是固定的，緩衝器102隻是改變參考信號電平及驅動能力，並不能改變信號頻率，因此進入鑑相器103的參考時鐘頻率是一個固定頻率值。鎖定之後壓控振蕩器105輸出頻率等於可變分頻器106的分頻比乘以參考時鐘頻率值。因為壓控振蕩器105輸出是多個頻率，並且頻率步進小於參考時鐘頻率，所以可變分頻器106的分頻比必須是小數，分頻比的控制由分頻比控制模塊107實現。在如圖1所示的PLL頻率合成器中，雖然使用小數分頻可以實現輸出頻率步進小於參考時鐘頻率的需求，但是小數分頻比的控制實現起來比較複雜，而且小數分頻隨之帶來的小數相關雜散，會嚴重影響輸出信號的純淨度。因此，需要尋找採用整數分頻也可以滿足頻率解析度小於參考頻率的方法。如圖2所示為現有技術中另一種PLL頻率合成器的結構圖，它也是採用了小數(分數)分頻，在該PLL中，分頻模塊包括:先入先出單元，用於以參考時鐘信號作為時鐘信號寫入內容以及以讀取的壓控振蕩輸出時鐘信號作為時鐘信號讀出內容，並根據讀/寫過程中讀/寫指針的狀態確定先入先出存儲器的空滿狀態；根據空滿狀態確定參考時鐘信號與壓控振蕩輸出時鐘信號的頻率誤差；調節器單元，用於根據頻率誤差確定分頻比的分頻參數；分頻器，用於使用調節器單元提供的分頻參數對壓控振蕩輸出時鐘信號進行分頻，並將分頻後的時鐘信號提供給調節器單元作為時鐘信號。由此可見，整個分頻比控制部分實現也是比較複雜的。目前射頻信號源的輸出頻率解析度需要達到0.1Hz甚至更小。而在現有的PLL頻率合成器中，參考時鐘頻率都是一個固定頻率，若想滿足頻率解析度小的需求就必然需要採用對壓控振蕩器進行小數分頻的方案，而小數分頻的分頻比控制實現比較複雜，而且存在引入雜散，嚴重惡化頻譜純度的風險。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置及方法，用於解決上述現有技術中存在的問題。本發明實施例提供了一種PLL頻率合成器，可以輸出多個頻率，無須採用小數分頻就可以使射頻信號源輸出頻率解析度遠遠小於參考時鐘頻率，避免了由於小數分頻引入的雜散，簡化的程序控制設計及電路設計。本發明實施例為了解決上述技術問題，提出了一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，包括，基準信號發生器，用於產生基準時鐘信號；直接數字頻率合成產生器，用於根據基準時鐘信號生成頻率可變的參考頻率信號;整數分頻器，用於將壓控振蕩器的輸出信號進行分頻，輸入到鑑相器；鑑相器，用於將所述參考頻率信號與所述經過分頻的輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給壓控振蕩器；所述壓控振蕩器，用於根據所述控制電壓信號輸出不同頻率的信號。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的一個進一步的方面，在所述鑑相器與所述壓控振蕩器之間還包括環路濾波器，用於濾除鑑相器輸出的控制電壓信號中的高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的再一個進一步的方面，所述環路濾波器為多個，還包括選擇開關，所述選擇開關切換選擇某一個環路濾波器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的另一個進一步的方面，所述壓控振蕩器為多個，還包括切換開關，所述切換開關切換選擇某一個壓控振蕩器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的另一個進一步的方面，還包括混頻器，用於將所述基準時鐘信號和所述參考頻率信號相混頻，進行變頻，形成新的參考頻率信號輸出給所述鑑相器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的另一個進一步的方面，還包括倍頻單元，所述基準時鐘信號經過所述倍頻單元輸入到所述混頻器和所述直接數字頻率合成產生器，用於提高所述基準時鐘信號的頻率。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置的另一個進一步的方面，在所述整數分頻器和所述壓控振蕩器之間還包括預分頻器，用於降低所述壓控振蕩器輸出信號的頻率。本發明實施例還提供了一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，包括，產生基準時鐘信號；根據所述基準時鐘信號利用直接數字頻率合成產生器生成頻率可變的參考頻率信號;將所述參考頻率信號與所述經過整數分頻器分頻的壓控振蕩器輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給所述壓控振蕩器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的一個進一步的方面，在得到控制電壓信號後，濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的再一個進一步的方面，根據應用的需要，選擇多個環路濾波器中的一個進行濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器的工作。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的另一個進一步的方面，根據應用的需要，選擇多個壓控振蕩器中的一個輸出不同的頻率值。根據本發明實施例所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的另一個進一步的方面，在進行所述整數分頻前還包括，對所述壓控振蕩器輸出的信號進行降頻處理，然後再利用整數分頻器對降頻後的輸出信號進行整數分頻處理。通過本發明實施例，可以避免使用小數分頻器造成的雜散現象，並且可以使射頻信號源輸出的頻率遠小於參考時鐘頻率，而且還能夠降低產品成本。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為現有技術中頻譜分析儀所用的鎖相迴路或鎖相環(PLL)頻率合成器框圖；圖2所示為現有技術中另一種PLL頻率合成器的結構圖；圖3所示為本發明實施例一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖；圖4所示為本發明實施例一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的流程圖；圖5所示為本發明實施例另一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖；圖6所示為本發明實施例另一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。如圖3所示為本發明實施例一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖。包括，基準信號發生器301，直接數字頻率合成(DDS)產生器302，鑑相器303，整數分頻器304，控制單元305，壓控振蕩器306。其中所述基準信號發生器301，用於產生基準時鐘信號。例如可以採用溫度補償晶體振蕩器(TCXO)產生基準時鐘信號。所述直接數字頻率合成產生器302，用於在所述控制單元305的控制下根據基準時鐘信號，輸出頻率可變的參考頻率信號，例如根據所述基準時鐘信號產生具有小頻率解析度(例如0.1uHz等)的參考頻率信號，其中頻率解析度是信號源輸出的頻率跳變的最小值，例如，如果信號源的輸出是這樣的:1.01HZ，1.02HZ，1.03HZ，……，則該信號源的頻率解析度是0.01HZ。控制單元305可以控制所述DDS產生器302輸出參考頻率信號。所述整數分頻器304，用於在所述控制單元305的控制下將所述壓控振蕩器306的輸出信號進行分頻，輸入到所述鑑相器303。其中，控制單元305可以控制整數分頻器304的分頻比，採用整數分頻器可以避免現有技術中採用小數分頻器所產生的雜散現象，因此壓控振蕩器輸出的頻率信號更加純淨。所述鑑相器303，用於將所述參考頻率信號與所述經過分頻的輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給所述壓控振蕩器306。所述壓控振蕩器306，用於根據所述控制電壓信號輸出不同頻率的信號。在所述鑑相器303與所述壓控振蕩器306之間還包括環路濾波器307，用於濾除鑑相器303輸出的控制電壓信號中的高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器306。上述環路濾波器307還可以為多個，根據不同應用環境中的需求，有控制單元305控制控制一選擇開關選擇切換某一個環路濾波器307進行使用，所述環路濾波器307是低通濾波器，在帶寬不同時PLL的鎖定時間、相位噪聲等指標都有差別，在不同的應用場合對指標的要求是不一樣的，所以可以使用多個環路濾波器進行切換。在上述實施例中，壓控振蕩器306也可以為多個，控制單元305控制一切換開關選擇切換使用某一個壓控振蕩器，從而可以輸出當前應用需要的輸出頻率值。在上述的實施例中還包括以下圖未示的功能單元，包括混頻器，用於將所述基準時鐘信號和所述參考頻率信號相混頻，進行變頻，形成新的參考頻率信號輸出給所述鑑相器。還可以包括倍頻單元，所述基準時鐘信號經過所述倍頻單元輸入到所述混頻器和所述直接數字頻率合成產生器302，用於提高所述基準時鐘信號的頻率。所述基準時鐘信號經過所述倍頻單元之後，還經緩衝器輸入到所述混頻器和直接數字頻率合成產生器，所述緩衝器用於改變基準時鐘信號的電平及驅動能力。在所述混頻器與所述鑑相器之間還包括濾波器，用於濾除參考時鐘信號中不需要的頻率。在所述整數分頻器304和所述壓控振蕩器306之間還包括預分頻器，用於降低所述壓控振蕩器306輸出的頻率信號，這樣可以降低對整數分頻器304最大工作頻率的要求，因為整數分頻器304可工作最大頻率越高，在目前市場上現有器件中的選擇餘地越小，成本越高，所以通過預分頻器可對整數分頻器的器件選型就容易了很多。通過上述實施例，可以輸出多個頻率，無須採用小數分頻就可以使射頻信號源輸出頻率解析度遠遠小於基準時鐘頻率，避免了由於小數分頻引入的雜散，簡化的程序控制設計及電路設計。如圖4所示為本發明實施例一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法的流程圖。包括步驟401，產生基準時鐘信號。步驟402，根據所述基準時鐘信號利用直接數字頻率合成產生器生成頻率可變的參考頻率信號。步驟403，將所述參考頻率信號與所述經過整數分頻器分頻的壓控振蕩器輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給所述壓控振蕩器。在上述步驟402之後還包括，將所述基準時鐘信號和所述參考頻率信號相混頻，進行變頻。在上述步驟中，將基準時鐘信號的頻率提高後再根據所述基準時鐘信號利用直接數字頻率合成產生器產生可控的參考頻率信號，並且在將上述提高了頻率的基準時鐘信號和參考頻率信號相混頻，進行變頻。在上述步驟403中還包括，在得到控制電壓信號後，濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。在上述步驟403之中還包括，根據應用的需要，例如不同的應用中需要不同性能的環路濾波器，可以選擇不同的環路濾波器濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。在上述步驟403之後還包括，根據應用的需要，例如不同的應用中需要不同性能的亞控振蕩器，可以選擇不同的壓控振蕩器輸出不同的頻率值。在所述步驟403中，在進行所述整數分頻的過程前還包括，對所述壓控振蕩器輸出信號進行降頻處 理，然後再利用整數分頻器對降頻後的輸出信號進行整數分頻處理。通過上述實施例，可以輸出多個頻率，無須採用小數分頻就可以使射頻信號源輸出頻率解析度遠遠小於基準時鐘頻率，避免了由於小數分頻引入的雜散，簡化的程序控制設計及電路設計。如圖5所示為本發明實施例另一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖。包括基準信號發生器501，倍頻單元502，緩衝器503，緩衝器504，混頻器505，DDS產生器506，鑑相器507，環路濾波器508，壓控振蕩器509，可變整數分頻器510，濾波器511，控制單元512。所述基準信號發生器501生成基準時鐘信號，經過倍頻單元502將該基準時鐘信號的頻率提高，該提高的基準時鐘信號通過緩衝器504和緩衝器503分別輸入到混頻器505和DDS產生器506，所述DDS產生器506根據控制單元512的控制，輸出可變的DDS信號f3，該DDS信號f3 (通常為MHz級別)具有小的頻率解析度；所述混頻器505接收緩衝器504傳送過來的信號f2和DDS信號f3，將信號f2和DDS信號f3進行混頻，也就是完成兩個頻率的相加或者相減，完成變頻，該混頻器505產生頻率信號f4輸出給濾波器511濾除不需要的頻率，得到參考時鐘信號f,，由於DDS產生器506是可以通過控制單元512調節的，因此該參考時鐘信號f；也是可調的；所述鑑相器507將參考時鐘信號f；的相位與壓控振蕩器輸出信號f。經過整數分頻後的信號fv的相位進行比較，得到與相位差相關的電壓，輸出給環路濾波器508用以濾除鑑相器507輸出的控制電壓信號中的高頻成分和噪聲，取平均分量去控制壓控振蕩器509的輸出頻率；所述可變整數分頻器510根據控制單元512的控制，調節分頻比，將壓控振蕩器509的輸出信號f。分頻轉換為整數分頻信號fv輸入到鑑相器507中。其中，信號f2是固定頻率值，f3是可調的，設可變整數分頻器510的分頻比為N，其中N在一定範圍內可調，則有f。= (f2+f3)XN；例如，若f2為10MHz，可變整數分頻器510的分頻比為16，希望壓控振蕩器509的
輸出頻率fo為192MHz，則此時需要設置f3輸出頻率為-}91MHz-1OMHz = IMHz-,
16若希望輸出&為192.01MHz，則此時需要設置f3的頻率為:192 0^hz-1OMHz = 2.000625MHz ;這樣無須改變可變整數分頻器510的分頻比N，只改變 16
DDS產生器506輸出的頻率就可以改變壓控振蕩器509的輸出頻率&，f0的輸出解析度取決於DDS輸出信號f3的解析度，而對f3實現小解析度是較容易實現的，在本例子中DDS產生器506的輸出解析度為IHz。在另一個實施例中，若希望輸出fQ為204.010625MHz，此時可以設置f3的頻率仍
204.010625MHz _
為2.000625MHz，而將可變整數分頻器510的分頻比設為(1 + 2 00Q625)MHz = 17。在本例中，倍頻單元502是用於將基準時鐘信號提高以適應於其它功能單元所用，如果基準信號發生器501可以產生適合其它功能單元所用的時鐘信號，則可以省略倍頻單元502。其中，混頻器505用於將信號f2和f3混合完成變頻操作，如果DDS產生器506的輸出可以滿足鑑相器507的工作要求，則可以由DDS產生器506直接將頻率信號輸出到鑑相器507，只需要基準信號發生器501為DDS產生器506提供基準信號。所述環路濾波器508可以為低通濾波器，帶寬不同時PLL的鎖定時間、相位噪聲等指標均有差別，為了讓本發明裝置可以應用於多種場景需要，可以設置多個環路濾波器508，採用多選一的開關實現根據應用需求切換使用不同的環路濾波器，其中開關可以使用現有技術中的受控開關實現，在本發明中並不作限制，將該開關與所述控制單元512相連接，就可以根據需求進行選擇切換。
與上述實施例類似，也可以設置多個壓控振蕩器509，利用多選一的開關根據應用場景的需求進行切換，例如，若有兩個壓控振蕩器，則可以選用二選一的開關合成一路，選通哪路壓控振蕩器則取決於哪路壓控振蕩器的輸出可以覆蓋當前需要輸出的頻率值，可以將切換多路壓控振蕩器的開關與控制單元512相連接，實現根據需求進行控制，其中，切換開關可以使用現有技術中的各類選通開關，在此不再贅述。通過上述實施例，通過控制可變整數分頻器510和DDS產生器506輸出頻率相配合，可以解決現有技術中使用小數分頻器產生的雜散現象。如圖6所示為本發明實施例另一種PLL頻率合成裝置的結構示意圖。在本實施例中與上述圖5的實施例相比較不同點在於，在可變整數分頻器610與壓控振蕩器609的輸出信號之間還具有一個預分頻器613,由於可變整數分頻器610的可工作最大頻率越高，成本越高，因此該預分頻器613先將壓控振蕩器609的輸出頻率值降低，預分頻器613的輸出頻率值為壓控振蕩器609輸出頻率值的1/M，M為預分頻器613的分頻t匕，壓控振蕩器609的輸出經過預分頻器613後再輸入給可變整數分頻器610，這樣需要可變整數分頻器610可工作最大頻率降為壓控振蕩器609最大輸出頻率的1/M，降低了對可變整數分頻器可工作的最大頻率的要求。通過本發明實施例，採用對壓控振蕩器的輸出進行整數分頻，參考時鐘頻率可調的方案，避免了小數分頻引入的雜散，降低了對小數分頻分頻比控制的程序及電路設計的複雜度，且可以達到與運用小數分頻同樣的頻率解析度；可以避免使用小數分頻器造成的雜散現象，並且可以使射頻信號源輸出的頻率遠小於參考時鐘頻率，而且還能夠降低產品成本。
以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於包括， 基準信號發生器，用於產生基準時鐘信號； 直接數字頻率合成產生器，用於依據基準時鐘信號生成頻率可變的參考頻率信號； 整數分頻器，用於將壓控振蕩器的輸出信號進行分頻，輸入到鑑相器； 鑑相器，用於將所述參考頻率信號與所述經過分頻的輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給壓控振蕩器； 所述壓控振蕩器，用於根據所述控制電壓信號輸出不同頻率的信號。
2.根據權利要求1所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於，在所述鑑相器與所述壓控振蕩器之間還包括環路濾波器，用於濾除鑑相器輸出的控制電壓信號中的高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。
3.根據權利要求2所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於，所述環路濾波器為多個，還包括選擇開關，所述選擇開關切換選擇某一個環路濾波器。
4.根據權利要求1所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於，所述壓控振蕩器為多個，還包括切換開關，所述切換開關切換選擇某一個壓控振蕩器。
5.根據權利要求1所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於還包括混頻器，用於將所述基準時鐘信號和所述參考頻率信號相混頻，進行變頻，形成新的參考頻率信號輸出給所述鑑相器。
6.根據權利要求5所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於還包括倍頻單元，所述基準時鐘信號經過所述倍頻單元輸入到所述混頻器和所述直接數字頻率合成產生器，用於提高所述基準時鐘信號的頻率。
7.根據權利要求1所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置，其特徵在於在所述整數分頻器和所述壓控振蕩器之間還包括預分頻器，用於降低所述壓控振蕩器輸出信號的頻率。
8.一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，其特徵在於包括， 產生基準時鐘信號； 根據所述基準時鐘信號利用直接數字頻率合成產生器生成頻率可變的參考頻率信號; 將所述參考頻率信號與所述經過整數分頻器分頻的壓控振蕩器輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給所述壓控振蕩器。
9.根據權利要求8所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，其特徵在於在得到控制電壓信號後，濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器。
10.根據權利要求9所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，其特徵在於，根據應用的需要，選擇多個環路濾波器中的一個進行濾除所述控制電壓信號中高頻成分和噪聲，取平均分量控制壓控振蕩器的工作。
11.根據權利要求8所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，其特徵在於，根據應用的需要，選擇多個壓控振蕩器中的一個輸出不同的頻率值。
12.根據權利要求8所述的一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成方法，其特徵在於，在進行所述整數分頻前還包括，對所述壓控振蕩器輸出的信號進行降頻處理，然後再利用整數分頻器對降頻後的輸出信號進行整數分頻處理。
全文摘要
本發明涉及射頻信號源技術領域，尤其是一種鎖相迴路或鎖相環頻率合成裝置及方法，其中裝置包括基準信號發生器，用於產生基準時鐘信號；直接數字頻率合成產生器，用於在控制單元的控制下根據所述基準時鐘信號產生具有小頻率解析度的參考頻率信號；整數分頻器，用於在所述控制單元的控制下將所述壓控振蕩器的輸出信號進行分頻，輸入到鑑相器；鑑相器，用於將所述參考頻率信號與所述經過分頻的輸出信號進行比較，得到與相位差相關的控制電壓信號輸出給所述壓控振蕩器；所述壓控振蕩器，用於根據所述控制電壓信號輸出不同頻率的信號。通過實施例，可以避免使用小數分頻器造成的雜散現象，並且還能夠降低產品成本。
文檔編號H03L7/085GK103178838SQ20111043151
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者張弘, 何毅軍, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請人:北京普源精電科技有限公司