頻率合成器的電池節電電路的製作方法

2023-06-01 14:15:46

專利名稱：頻率合成器的電池節電電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及到頻率合成器和鎖相迴路，特別是涉及到用於自動選頻控制電路的頻率合成器的電池節電電路。
在可攜式使用電池的無線電裝置中採用頻率合成器可在很大程度上增加這些無線電裝置接收或發送的波道數量。而頻率合成器的缺點是比普通晶控振蕩電路耗電要大得多。
可攜式使用電池的無線電裝置最初的設計任務之一就是最大限度地延長電池充電的間隔時間或更換電池的間隔時間，也就是說要使電池具有最小的電耗。因而下文所述的本發明是一能顯著地減少其電源耗電，從而延長電池壽命的頻率合成器電路。
本發明最初用於無線電中繼通訊系統中。無線電中繼通訊系統包括許多個聲頻波道和至少一個控制波道。此控制波道是一雙波道，即它包括一輸出(基地臺至遙控單元)頻率和一輸出(遙控單元至基地臺)頻率。無線電基地臺用控制波道輸出頻率發射一連續信號。當一遙控單元(例如可攜式或移動式無線電收發兩用機)的操作者向另一遙控單元發出一呀號時，就在輸入控制波道頻率上發送一請求，用作話頻聲道的指定信號。如果話頻聲道是可用的，基地臺在連續發送出的輸出控制波道信號上，通過適當地調製此請求，向發出請求的遙控單元發送時特定聲道的指定信號。當接收到這一指定信號時，發出請求的遙控單元轉換到所述指定的話頻聲道。當呼叫完成時，此遙控單元轉回到並繼續監測輸出控制波道頻率，直到被基地臺指示對準另一波道。
下文論及的本發明使用由基地臺連續發送控制波道信號。本發明採用自動頻率控制電路，只要遙控無線電單元在控制波道上接收，自動頻率控制電路就把合成器頻率鎖定到控制波道上。當頻率如此鎖定時，本被明切斷頻率合成器中的一個或多個電路，從而降低電池的電耗。
簡短地說，本發明是一電池節電電路，它包括一個具有低功率工作狀態的頻率合成器。此頻率合成器包括一將合成器輸出信號鎖頻到控制信號的選擇鎖頻裝置，和一將合成器輸出信號鎖相到一參考信號的選擇鎖相裝置。包括一控制裝置既可選用鎖頻裝置也可選用鎖相裝置。當選用鎖頻裝置時，此控制裝置也使頻率合成器處於低功率工作狀態。
在另一實施例中，本發明是一用於通訊系統中的電池節電電路，它包括多個波道。這些波道之一是一有控制波道信號的控制波道。此電池節電電路包括一個帶受控振蕩器的頻率合成器，和將受控振蕩器鎖相至參考信號的選擇鎖相裝置。還包括一自動選頻控制(AFC)裝置，用以將受控振蕩器鎖頻至控制波道信號。也包括一接收裝置，用以接收所選定波道上的信號。此接收裝置與AFC裝置相連接。此外還包括一控制裝置，當接收裝置接收到控制波道信號時，用來選擇AFC裝置。在選定AFC裝置時，此控制裝置也使鎖相裝置的一部分被切斷。這就減少了頻率合成器的功耗。


圖1是本發明的方框圖。
圖2是本發明AFC電路的一個優選實施例的示意圖。
參見圖1，無線電接收機102包括眾所周知的一整套電路系統例如混頻器106和低通濾波器108。無線電接收機102還包括其他的圖中未給出的眾所周知的無線電接收電路。本發明的這一優選實施例被設計用於無線電通訊系統中，例如無線電中繼系統，在該系統中，圖中未給出的基地臺在一控制波道上連續發送一信號。
無線電接收機102也包括一眾所周知的相對信號強度指示器(RSS1)110。電壓比較器電路112被連接到RSS1電路110的輸出端，參考電壓Vref被加到比較器的一個輸入端。RSS1 110通過測量信號強度給出接收信號大小的指示。儘管使信號數值與信號強度相關連是優先選用的，本發明也可以用多個電路來實現，該電路提供除信號強度外根據其他因素例如比特誤差率決定的信號數值指示。
一自動頻率控制(AFC)電路114包括一電壓比較器116、取樣與保持電路118和加法電路120。頻率合成器122包括一電壓控制振蕩器124和多個鎖相電路126。鎖相電路126包括程控除法器128、鑑相器130、環路濾波器132和參考振蕩器134。本發明不限於圖1所示的特定的頻率合成器電路，可以用任何帶有頻率控制振蕩器，例如壓控振蕩器(VCO)124的頻率合成器來實現。
鎖相電路126包括輸入端136，用以控制合成器122的功耗。在高功率狀態，所有的鎖相電路(128、130、132和134)都被啟動。在低功率狀態，有一個或多個選擇鎖相電路未被啟動。一特定鎖相電路的去激勵通過切斷每一個要去激勵電路的電源(即一個未給出的電池)來完成。為切斷電源，在電源和鎖相電路電源輸入端之間插入一未給出的電晶體開關，通過控制器140將適當的電壓或電流加到電晶體的柵極或基極。
單刀雙擲(SPDT)電子開關138有兩個位置。在第一個位置，鎖相電路系統126的輸出端連接到頻率合成器122的VCO輸入端，而在第二位置，AFC電路114的輸出端連接到VCO輸入端。開關138是在控制器140的控制之下。雖然也可用其他公認的分立控制電路系統，但控制器140最好是公認的微計算機或微控制器。
無線電接收機102在多個波道中所選定的波道上接收信號，多個波道中有一控制波道。接收機的波道選擇通過改變進入混頻器104的注入信號頻率來完成。這個注入信號來自頻率合成器122。當開關138在第一位置(圖1所示的位置)時，注入信號的頻率用通常的方法來選擇，例如改變除法器128的除數N。所接收的無線電信號由鑑相器106解調並經濾波器108低通濾波。這就產生了一個其電壓比於所接收的載頻頻率的檢波信號Vd。
本發明有兩種工作狀態，即鎖鎖相」狀態和「鎖頻」狀態。在鎖相狀態時，開關138是在第一即圖中所示的位置，因此，鎖相電路系統126(信號Ve)的輸出端直接連接到VCO124的輸入端。在鎖相狀態，開關142是常閉的。由於全部鎖相電路系統126都被啟動，所以此鎖相狀態也是高功率工作狀態。當無線電接收機102在非控制波道上接收時，鎖相狀態由控制器140選擇，或者，在控制波道上接收，當控制波道信號數值於予定的門限電平時，此門限電平由Vref確定。
在鎖頻狀態，開關138處於第二位置，因而AFC電路114(信號VΣ)的輸出端直接連接到VCO124的輸入端。在鎖頻狀態，AFC電路114的開關142開路，通過切斷鎖相電路(128、130、132和134)中的一個或多個，低功率狀態被選定。當無線電接收機102接收到一適當大小的控制波道信號時，鎖頻狀態由控制器140選定。
在鎖相狀態(即開關138處於第一位置時)，頻率合成器122以常規鎖相方法運行。特別是VCO124的輸出信號被程控除法器128相除，除數N由控制器140確定。鑑相器130使除法器128的輸出信號相位與參考振蕩器134的輸出信號相位進行比較。鑑相器130的輸出信號由環路濾波器132濾波。環路濾波器132的輸出是誤差信號Ve，當開關138處於第一位置時，此輸出與VCO124的輸入端相耦合。由於VCO124的輸出信號耦合到無線電接收機102的混頻器104，VCO的輸出信號頻率決定無線電接收機的接收頻率。
誤差電壓Ve也被耦合到比較器116的第一輸入端。在鎖相狀態，開關138在第一位置，比較器116的輸出被取樣和保持電路連續(或周期地)取樣。典型的取樣和保持電路包括一單刀單擲(SPST)開關142，此開關帶有一連接到開關輸出端的電容器144，如圖一所示。因此，當取樣和保持電路連續取樣時，取樣和保持電路142一直是閉合的，比較器116的輸出直接饋送到加法電路120的輸入端。取樣和保持開關142閉合時，AFC電路114工作成「閉合環路」。如果我們假定比較器116有無限大的增益和零偏離電壓，則AFC電路114的輸出電壓VΣ必然和鎖相電路系統126的誤差電壓Ve相等。如果不是這樣，則比較器116的輸出電壓在理論上應是無限大(而實際上，輸出電壓將會在電源電壓軌道上)。取樣和保持電容器144兩端的電壓將是比濾波過的Ve略大的鑑相器輸出電壓Vd。
當控制器140將無線電接收機102轉換到控制波道(通過改變頻率合成器122的輸出頻率，從而也改變了混頻器104的注入頻率)時，誤差電壓Ve改變。經過短暫的時間周期使誤差電壓Ve和AFC輸出電壓VΣ趨於穩定後，控制器140指令取樣和保持電路118來保持目前在比較器116輸出端上的電壓。對圖1所示的取樣和保持電路來說，這通過打開取樣和保持開關142來完成。在斷開開關142之前在輸入端加到取樣和保持電路118的電壓Ve將由電容器144維持。(圖1所示的取樣和保持電路，假定加法電路120的輸入阻抗是非常大的，因而在保持周期內，所充的極少的電量電容器144洩放掉了。)然後，控制器指令開關138轉換到第二位置，從而使VCO124的輸入端連接到AFC電路114的輸出端。現在，此電路處於鎖頻狀態。轉換到AFC電路後，電壓VΣ即基本上與誤差誤差電壓Ve相等，因此合成器122的輸出頻率保持不變。控制器接著指令頻率合成器進入低功耗狀態。在低功耗狀態，一個或多個鎖相電路，例如除法器128、鑑相器130或者參考振蕩器134被切斷，因而節省電源(即電池充電)。
VCO124的輸出信號頻率或者所接收的控制信號的載波頻率的任何微小的變化都將導致鑑相器輸出電壓Vd的相應變化。當取樣和保持開關142斷路時，AFC電路的輸出電壓VΣ是電容器144所存儲的電壓和鑑相器電壓Vd之和。因此，鑑相器電壓的任何變化都將反映在AEC輸出電壓VΣ中。由於VCO124的輸出頻率與輸入電壓(通常是VΣ)成正比，所以AFC電路的輸出電壓VΣ的任何變化都將引起VCO頻率的相應變化。所以頻率合成器122的輸出頻率是鎖定在所接受到的控制波道信號的頻率。
由於當開關142接通時VΣ等於Ve，去掉開關138並將AFC電路114的輸出(信號VΣ)直接連接到VCO124的輸入端，在理論上是可能的。然而，將AFC電路置於環路濾波器132的輸出端和VCO124的輸入端之間的反饋通路上將在一定程度上改變頻率合成器的動態特性。如果去掉開關138，鎖相到鎖頻狀態的變換就由開關142控制。當開關142接通時是鎖相狀態。反之，開關142斷開時是鎖頻狀態。
相對信號強度指示器110產生一輸出信號，其電壓正比於接收到的信號強度。如果相對信號強度指示器(RSSI)110的輸出電壓超過Vref，則比較器112的輸出增大。反之，如果相對信號強度指示器(RSSI)110的輸出低於Vref，則比較器112的輸出減少。因此，只是在接收到的信號強度超過予定的門限電平，它由Vref所確定，此比較器112的輸出才是增大的。萬一接收到的控制信號電壓降的大小低於予定的門限電平，在比較器112輸出端的信號就改變狀態，並且控制器140用再激發鎖相電路和使開關138轉換回到第一位置來響應。同樣地，控制器140在把無線電接收機102變換到非控制波道之前，再激發鎖相電路和將開關132轉換到第一位置。
圖2是AFC電路114的優選實施例的示意圖。圖2中也包括了低通濾波器108和開關138的優選實施例。在此圖中，放大器A1、A2和A3是CMOS運算放大器，例如Motorola MC14573集成電路。電容器C1為47微法，電容器C2和C3是1微法聚丙烯電容器。分壓器P1是50KΩ，電阻R1～R分別是10KΩ、680KΩ、390KΩ、330KΩ、100KΩ和100KΩ。開關S1和S2分別是模擬轉換開關，例如一Motorola MC 14053集成電路。
放大器A1、電容器C1和C2、分壓器P1以及電阻器R1和R2構成一雙極的直流耦合低通濾波器。此低通濾波器是圖1中的濾波器108的優選實施例。放大器A2和電阻R3、R4構成圖1中加法電路120的優選實施例。對此加法電路，將放大器A2的非倒相輸入端的電壓加到放大器A1輸出端的倒相電壓上。開關S1和電容器C3構成圖1中的取樣和保持電路118的優選實施例。當開關S1接通(即置於圖1中所示的位置)時，放大器A3的輸出端直接連接到放大器A2的非倒相輸入端。在已說明的另一種方法中，當開關S1接通時，取樣和保持電路在放大器A3的輸出端上連續取樣電壓。當開關S1斷開時，放大器A3的輸出端與電容器C3斷開，並且A3輸出端上的電壓恰在開關斷開前儲存於電容器C3上。由於放大器A2的輸入阻抗非常高，這個電壓能儲存於電容器C3，在相當長的時間周期無明顯下降。
放大器A3是圖1中比較器116的一個實例，而開關S2是開關138的一個實例。當開關S2置於圖示的位置時，一個頻率合成器的鎖相電路連接到一個VCO輸入端，此輸入端也是合成器的一部分(此頻率合成器和VCO在圖2中未給出)。
權利要求
1.用於頻率合成器(122)的電池節電電路，有用以使合成器輸出信號鎖相到參考信號的鎖相裝置(126)，其特徵是鎖頻裝置(114)用以將合成器輸出信號鎖頻到控制信號；和選擇裝置(138、140)用以當頻率合成器(122)工作於低功率狀態時選用鎖頻裝置(114)，當頻率合成器(122)工作於高功率狀態時選用鎖相裝置(126)。
2.按照權利要求1所說的電池節電電路，其特徵是所說的選頻裝置(144)包括用以在所說的鎖相裝置輸出端取樣(142)和保持(144)信號的裝置。
3.按照權利要求1所說的電池節電電路，其特徵是所說的鎖頻電路(114)包括-比較器電路(116)，其第一輸入端耦合到所說的鎖相裝置;-取樣和保持電路(118)，其輸入端耦合到所說的比較器電路輸出端;和-加法電路(120)，其第一輸入端耦合到所說的取樣和保持電路的輸出端，其第二輸入端耦合到所說的控制信號器，其輸出端耦合到所說的比較器電路的第二輸入端。
4.用於通訊系統的電池節電電路，所述通訊系統包括多個波道至少其中的一個波道是控制波道，所說的控制波道有控制波道信號，所說的電池節電電路的特徵是頻率合成器(122)包括一多控振蕩器(124)和用以將所說的多控振蕩器鎖相到參考信號的鎖相裝置(126);用以把所說的受控振蕩器鎖頻到所說的控制波道信號的自動頻率控制(AFC)裝置114;與所說的AFC裝置耦合的，用以在所說的多個頻道的某些被選定的頻道上接收信號的接收裝置(102);和控制裝置(138、140)，用以當所說的接收裝置接收所說的控制波道信號時，選用所說的AFC裝置，當此接收裝置接收其他波道時，選用所說的鎖相裝置。
5.按照權利要求4所說的電池節電電路，其特徵是所說的接收裝置(102)進一步包括信號數值顯示裝置(110、112)，用以測量所說的控制波道信號的數值;和所說的控制裝置，當所說的接收裝置接收控制波道信號而且所說的控制波道信號的數值低於予定的門限值時，包括至少使所說的鎖相裝置的一部分去激勵(136)的裝置。
6.按照權利要求4所說的電池節電電路，其特徵是所說的AFC裝置(114)包括用以在所說的鎖相裝置的輸出端取樣和保持(118)一信號的裝置。
7.按照權利要求5所說的電池節電電路，其特徵是，所說的AFC裝置包括-比較器電路(116)，其第一輸入端耦合到所說的鎖相裝置置;-取樣和保持電路(118)，其輸入端耦合到所說的比較器電路輸出端;和-加法電路(120)，其中一輸入端耦合到所說的取樣和保持電路的輸出端，其第二輸入端耦合到所說的接收裝置，而其輸出端耦合到所說的比較器電路的第二輸入端。
8.一種在用電池做能源的頻率合成器(122)內節省電池能量的方法，其特徵是包括如下步驟(a)當用電池做能源的頻率合成器工作在低功率狀態時，用鎖頻裝置(114)控制受控振蕩器(124);和(b)當用電池做能源的頻率合成器工作在高功率狀態時，用鎖相裝置(126)控制受控振蕩器(124)。
全文摘要
一種無線電接收機(102)在多個波道中所選定的一個波道上接收，多個波道中至少有一個波道是控制波道，在其上傳輸一相對連續信號。一頻率合成器包括電壓控制振蕩器(VCO124)和鎖相電路(126)，例如鑑相器(130)，參考振蕩器(134)，程控除法器(128)以及環路濾波器(132)。VCO能在鎖相電路和自動頻率控制電路(AFC114)之間轉換，並與無線電接收機相連。
文檔編號H04B1/16GK1042034SQ8910792
公開日1990年5月9日 申請日期1989年10月14日 優先權日1988年10月17日
發明者喬治·庫奇·安德森 申請人:莫託羅拉公司