锁相环频率合成器.pdf

一种锁相环频率合成器，包括：一鉴频鉴相器；一电荷泵，该电荷泵的输入端与鉴频鉴相器的输出端相连；一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与电荷泵的输出端相连；一数模混合信号控制振荡器，该数模混合信号控制振荡器接收低通滤波器的信号和分频数N信号；一1/N分频器；由以上电路组成锁相环路，其中数模混合信号控制振荡器由数字和模拟混合信号来控制，实现快速频率和相位锁定；其中数字信号直接确定数模混合信号控制振荡器的频率；模拟信号控制数模混合信号控制振荡器的输出频率的精度；其中控制1/N分频器的分频数N信号经过编码器产生数模混合信号控制数模混合信号控制振荡器的数字控制信号，数字控制信号控制数模混合信号控制振荡器。

1.  一种锁相环频率合成器，其特征在于，其包括：
一鉴频鉴相器；
一电荷泵，该电荷泵的输入端与鉴频鉴相器的输出端相连；
一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与电荷泵的输出端相连；
一数模混合信号控制振荡器，该数模混合信号控制振荡器接收低通滤波器的信号和分频数N信号；
一1/N分频器，该1/N分频器接收数模混合信号控制振荡器的信号；该1/N分频器同时接收外部分频数的控制信号；
由以上电路组成锁相环路，其中数模混合信号控制振荡器由数字和模拟混合信号来控制，实现快速频率和相位锁定；其中数字信号直接确定数模混合信号控制振荡器的频率；模拟信号控制数模混合信号控制振荡器的输出频率的精度；其中控制1/N分频器的分频数N信号经过编码器产生数模混合信号控制数模混合信号控制振荡器的数字控制信号，数字控制信号用于控制数模混合信号控制振荡器。

2.  如权利要求1所述的锁相环频率合成器，其特征在于，其中数模混合信号控制振荡器包括：一数模混合压控振荡器；一编码器，该编码器将分频数N进行编码变换，其变换后的数字信号控制数模混合压控振荡器。

锁相环频率合成器
技术领域
本发明涉及用于通信与信息处理装置的频率合成技术领域，特别是指一种锁相环频率合成器。
背景技术
频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加、减、乘、除四则运算产生一系列高质量频率的技术，根据这一原理构成的频率发生装置称为频率合成器或频率综合器。频率合成器在无线电的各个领域如现代通信、雷达、电视、遥控遥测、电子对抗及现代化仪器仪表等方面得到了日益广泛的应用，被喻为现代电子系统的“心脏”。
频率合成的技术方法有直接模拟频率合成、锁相环(PLL)频率合成和直接数字频率合成等三大类型。频率合成技术从理论到实践都已达到比较成熟和完善的阶段。综合考虑频率合成的速度、精度、稳定度、功耗等要求，锁相环频率合成技术仍然是一种主流的技术方案，典型的PLL电路如图1所示。它包括依次连接的鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)和1/N程序分频器组成的锁相环路。
锁相环频率合成从工作原理上来说，是一个反复反馈循环的过程，因此它有一个天生的缺点，就是频率转换速度不快，即锁定时间过长，这在频率转换时间要求极短的跳频通信等领域远远不能满足需要。
在现代通信应用中，频率合成器中程序分频器的频率控制字N按预定规律跳变，以合成不同的频率。如果通过锁相环路鉴相、低通滤波、压控振荡产生频率再经过分频后与参考频率比较，这是一个反复循环的过程，需要较长的锁定时间。
为了加快锁频的速度，人们提出了许多的办法，比较典型的如预置电压法，它把分频数N通过D/A转换器，转换成模拟控制电压，直接加到VCO的控制端，产生预期的频率。由于误差及环路噪声，预置电压产生的频率不可能非常准确，因此精确的锁定仍由模拟锁相环来调节。这样就较好地解决了频率合成的速度与精度问题。但是，它在电路实现上仍有如下问题：1)D/A转换后的控制电压与锁相环低通滤波后的控制电压的相互干扰2)增加了电路的复杂程度、功耗与面积。
为了解决这一问题，我们提出了数字信号直接预置频率的方法。采用了一种可以用数字和模拟信号控制的VCO，用与频率控制字N相关的数字信号直接预置到VCO上产生期望的频率，同时用PLL环路滤波器输出的模拟电压控制VCO，进行精确频率的锁定。实现频率合成的速度与精度的高度统一，而且电路的复杂程度增加很少。
发明的内容
本发明的目的在于，提供一种锁相环频率合成器，它的优点是频率和相位锁定速度快，精度高和稳定性好。
本发明的技术解决方案是：
本发明一种锁相环频率合成器，其特征在于，其包括：
一鉴频鉴相器；
一电荷泵，该电荷泵的输入端与鉴频鉴相器的输出端相连；
一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与电荷泵的输出端相连；
一数模混合信号控制振荡器，该数模混合信号控制振荡器接收低通滤波器的信号和分频数N信号；
一1/N分频器，该1/N分频器接收数模混合信号控制振荡器的信号；该1/N分频器同时接收外部分频数的控制信号；
由以上电路组成锁相环路，其中数模混合信号控制振荡器由数字和模拟混合信号来控制，实现快速频率和相位锁定；其中数字信号直接确定数模混合信号控制振荡器的频率；模拟信号控制数模混合信号控制振荡器的输出频率的精度；其中控制1/N分频器的分频数N信号经过编码器产生数模混合信号控制数模混合信号控制振荡器的数字控制信号，数字控制信号用于控制数模混合信号控制振荡器。
其中数模混合信号控制振荡器包括：一数模混合压控振荡器；一编码器，该编码器将分频数N进行编码变换，其变换后的数字信号控制数模混合压控振荡器。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明
图1为典型的锁相环频率合成器原理图；
图2为本发明的系统示意图；
图3为数模混合信号控制振荡器(DACO)示意图；
图4为数模混合信号控制环路振荡器的电路结构图；
图5为延迟单元电路图。
具体实施方式
如图2所示，高速锁相环频率合成器由依次连接的鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LPF)、数模混合信号控制振荡器(Digital-Analog mixed-signal Controlled Oscillator，简称DACO)和1/N程序分频器组成的锁相环路。高速锁相环频率合成器的输入信号是参考频率信号fr和程序分频器的频率控制字信号N，输出信号是合成器生成的期待的频率信号fo。我们提出了数字信号直接预置频率的方法。采用了一种可以用数字和模拟信号控制的DACO，用与频率控制字N相关的数字信号直接预置到数模混合信号控制振荡器上产生期望的频率，同时用PLL环路滤波器输出的模拟电压控制DACO，进行精确频率的锁定。其中DACO有数字输入端b0 b1…bn，模拟输入端Uc，输出是振荡频率fo。
其连接关系是：一鉴频鉴相器10；一电荷泵20，该电荷泵20地输入端与鉴频鉴相器10的输出端相连；一低通滤波器30，该低通滤波器30的输入端与电荷泵20的输出端相连；一数模混合信号控制振荡器40，该数模混合信号控制振荡器40接收低通滤波器30的信号和分频数N信号；一1/N分频器50，该1/N分频器50接收数模混合信号控制振荡器40的信号；该1/N分频器50同时接收外部分频数字的控制信号。
如图3所示，我们提出的一种可以用数字和模拟信号同时控制的VCO，称为数模混合信号控制振荡器(DACO)，它由一个可同时受数字和模拟信号控制的压控振荡器和一个编码器组成。它的数字输入端是分频数控制字信号N，模拟输入端是低通滤波器的输出端Uc，它的输出端是频率fo。编码器的作用是把控制字信号N转化为压控振荡器的控制信号b0、b1…bn。其连接关系是数模混合信号控制振荡器40包括：一数模混合压控振荡器41；一编码器42，该编码器42将分频数N进行编码变换，其变换后的数字信号控制数模混合压控振荡器。
图4给出了采用环路振荡器形式的DACO实施例的框架结构。环路振荡器由奇数个反相器和外加的数字和模拟信号构成。图4中采用了9个反相器Uc1-9，其中8个反相器是由数字信号N和模拟信号Uc来共同控制的，称为数模混合信号控制延迟单元。数字信号N和模拟信号Uc来共同控制延迟单元的延迟时间，延迟时间的变化导致环路振荡频率变化，从而达到控制输出频率的目的。为了简单起见，在这个实施例中没有对频率控制字信号N进行编码，而是将数字信号N直接预置到VCO上产生期望的频率。第9个是普通的反相器，延迟时间是固定不变的。
图5表示在DACO实施例中的数模混合信号控制延迟单元的结构图。它包括一个主反相器(MN 10和MP 10)、10个反相器、10个n沟道MOS场效应晶体管、10个p沟道MOS场效应晶体管、10个控制信号端(Ct1、b0 b1…b7和Uc)和一个输出端out。控制信号端Ct1通常保持在逻辑状态“1”，它控制MN 9、MP 9两个MOS管的导通状态，保证在b0…b7和Uc都处于逻辑状态“0”时主反相器不处于截止状态，从而使整个环路振荡器各延迟单元能串联接通形成振荡。此时各延迟单元延时最长，振荡频率最低。
“b0 b1…b7”是频率控制字信号N经编码器转化而得到的。控制信号b0 b1…b7直接地加到8个n沟道MOS场效应晶体管MNi(i＝0，1，2…7)上以及通过8个反相器加到8个p沟道MOS场效应晶体管Mpi(i＝0，1，2…7)上，控制MOS场效应晶体管的开和关来达到控制延迟单元的延迟时间和改变频率的目的。N与DACO的输出频率fo是一一对应的关系。在频率合成器合成新频率的过程中，当1/N程序分频器的控制字N发生变化时，DACO的控制信号也同时发生变化，产生出所需要的频率。
主反相器是通过对负载电容充放电实现翻转的，充放电电流越大，翻转越快，也就是延迟时间越短，把这种反相器串接起来的环路振荡器频率就越高。在图5所示电路中8个n沟道MOS场效应晶体管MNi(i＝0，1，2…7)和8个p沟道MOS场效应晶体管Mpi(i＝0，1，2…7)分别控制放电和充电电流的大小。根据MOS管反相器原理：充放电电流大小与沟道宽长比成正比，因此只要设置MOS管的沟道宽长比按×2的比例增加，则延迟时间按×2的比例减少，频率也就按×2的比例增加。8个n(p)沟道MOS管的沟道宽长比按以下规律增加：Mn(p)i+1＝2×Mn(p)i的宽长比。MOS管的控制信号是“b0 b1…b7”。这样就实现了频率的8位数字控制，即数控振荡。当然，晶体管的尺寸与振荡频率的关系并不是理想的正比关系，这需要在具体设计中加以调节。
上述延迟单元的控制字位数(b0 b1…b7…)越多，数字预置的频率精度越高。但由于器件的限制，MOS管尺寸不可能以×2的比例无限制地增加，这就需要从其它方面来考虑位的扩展。其中一种办法是：在图5的延迟单元中，增加一对和b7完全一样的CMOS管，其控制端称为b8，但这样的延迟单元在附图3的环路振荡器中只有一半(4个)是这样的。可以想象，如果只有b8为高电位时的延迟应该是只有b7为高电位时延迟的一半，即b8控制的频率是b7控制的频率的2倍。这样，控制位就扩展了1位。依此类推，在其中2个延迟单元增加一对和b7完全相同的CMOS管，其控制端称为b9；在其中一个增加一对这样的CMOS管，称b10。这样一共可以实现频率的11位控制。
“Uc”为模拟电压控制信号，即锁相环路低通滤波器的输出。控制信号“Uc”直接地加到1个n沟道MOS场效应晶体管MN 8上以及通过8个反相器加到一个p沟道MOS场效应晶体管MP 8上，控制MOS场效应晶体管的导通程度来达到控制延迟单元的延迟时间从而精确地控制频率的目的。如果“b0 b1…b7”预置的频率非常精确，那么锁相环路的相位比较、低通滤波输出均为0，即Uc为0。但是数字预置的精度往往由于电路的限制而不够，会有误差，同时环路噪声或干扰也会带来误差，因此Uc仍可能有较小的输出，从而控制DACO的频率输出，对预置频率进行修正，从而达到精确锁定。
显然，这种直接电压预置、再由传统的模拟锁相环修正的频率合成方法，要比许多其他改进方法快，精度高。它兼具了数字锁相环高速与模拟锁相环高精度的两大特点。在一般的锁相环设计中，为了加快锁定时间，要求低通滤波器带宽做得宽；而为了提高环路的稳定度，要求带宽做得窄；这是两个相互矛盾的要求。而在本发明中，由于电压预置非常快，因此可以把低通滤波器带宽做窄，以提高稳定度，很好地解决了这个矛盾。从另一个角度来说，我们也可以把本频率合成器的工作原理看成是数字信号粗调，模拟信号细调的过程。当程序分频器N发生跳变时，N直接预置DACO的频率，这是一个粗调的过程，速度非常快；此时频率已被牵引到所需频率附近，再由模拟锁相环进行细调，从而达到精确锁定，显然，这比纯粹的模拟锁相环快。同时它又比纯粹的数字锁相环的精度高，稳定性也更好。