鎖相環(huán)中YTO自校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用

1 引言

　　鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)及反饋電路等四個(gè)基本部件組成。如圖1所示。

　　鑒相器是一個(gè)相位比較器，用來(lái)監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)相位θ1(t)與反饋信號(hào)相位θ2(t)之間的相位差，輸出的誤差信號(hào)Ud(t)再經(jīng)過(guò)低通濾波器后，得到誤差電壓Uc(t)，去調(diào)節(jié)被控振蕩器，直至θ2(t)同步跟蹤θ1(t)的變化，即鎖定狀態(tài)。這種相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)在采用間接頻率合成方式的頻率合成器中得到廣泛應(yīng)用。

　　以YTO作為主振的現(xiàn)代微波信號(hào)發(fā)生器，基本都采用了復(fù)雜的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)整機(jī)頻率合成。根據(jù)鎖相環(huán)特性，如果主振輸出信號(hào)頻率與理論輸出頻率相差太大，超出了環(huán)路的捕獲帶寬，則不能通過(guò)捕獲而進(jìn)入同步跟蹤狀態(tài)，系統(tǒng)將會(huì)失鎖。因此，在整個(gè)輸出頻段中對(duì)YTO主振電路實(shí)施校準(zhǔn)，使其達(dá)到一定的預(yù)置準(zhǔn)確度而保證環(huán)路迅速進(jìn)入鎖定狀態(tài)，是十分必要的。

　　2 TO鎖相環(huán)路

　　由于YIG調(diào)諧振蕩器(YTO)在頻率覆蓋、調(diào)諧線性、頻譜純度以及體積、重量和可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代的微波合成信號(hào)源幾乎都采用了YTO作為核心微波振蕩器。YTO是以YIG(釔鐵柘榴石)小球?yàn)橹C振子、微波晶體管為有源器件的固態(tài)微波信號(hào)源，其輸出頻率與內(nèi)部調(diào)諧磁場(chǎng)有較好的線性關(guān)系。內(nèi)部調(diào)諧磁場(chǎng)由主線圈和副線圈兩部分生成，前者感抗大、調(diào)諧慢但調(diào)諧靈敏度高、調(diào)諧范圍寬、高頻干擾抑制好;后者感抗小但調(diào)諧速度快，并因?yàn)檎{(diào)諧靈敏度低而具有良好的干擾抑制特性。二者結(jié)合使用特別有利于既需要大范圍調(diào)諧又需要快速修正的寬帶微波信號(hào)發(fā)生器。以YTO為核心振蕩器的微波信號(hào)源鎖相原理框圖如圖2所示。

　　在這個(gè)鎖相環(huán)中，主振預(yù)置調(diào)諧信號(hào)激勵(lì)低頻電流發(fā)生器驅(qū)動(dòng)YTO主線圈，把輸出頻率調(diào)諧到預(yù)置頻率。再通過(guò)取樣的方式將微波信號(hào)下變頻到參考頻率的附近，并反饋至鑒相器電路，與高精準(zhǔn)參考信號(hào)進(jìn)行鑒相。根據(jù)YTO的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，低通濾波器后級(jí)的誤差電壓經(jīng)過(guò)高、低頻分離后，分別疊加到高、低頻電流發(fā)生器的激勵(lì)信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的成比例調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)YTO輸出頻率的調(diào)諧，最終實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。

　　此環(huán)路中，捕獲帶寬一般設(shè)置在50MHz以內(nèi)，但由于YIG振蕩器本身存在的非線性誤差和磁滯誤差，當(dāng)主振預(yù)置調(diào)諧電壓線性變化時(shí)，振蕩器的輸出頻率常常會(huì)偏離理想頻率約20～40MHz，另外溫度的變化也會(huì)帶來(lái)一定的頻率漂移，以0-40℃變化為例，通常會(huì)有±30MHz的漂移誤差，因此，要使信號(hào)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的捕獲鎖定，必須對(duì)振蕩器的預(yù)置實(shí)施補(bǔ)償。

　　3 YTO自校準(zhǔn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)以上分析，誤差電壓Uc(t)與鑒相誤差成正比，也就是說(shuō)，預(yù)置頻率偏離理論頻率越大，在該頻率點(diǎn)上的Uc(t)均值越大。其中，Uc(t)包含了瞬時(shí)隨機(jī)擾動(dòng)分量Uc2(t)及低頻誤差電壓分量Uc1(t)，后者起到調(diào)諧YTO的主要作用，因此，如果對(duì)YTO在全頻段內(nèi)設(shè)置步進(jìn)掃描，并在每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)低頻誤差電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣，將得到的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)整機(jī)需要鎖相輸出信號(hào)時(shí)，取出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)比例變換后，疊加到主振預(yù)置電路，將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)置頻率的修正，從而達(dá)到提高預(yù)置準(zhǔn)確度的目的。原理框圖如圖3所示。

　　該電路中，YO-LOW-FM是低頻誤差電壓，范圍為±5V之內(nèi)，為了將輸入電壓調(diào)整到A/D的要求范圍內(nèi)，需加由R70、R71、N27-A組成的直流偏壓電路。在此，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)誤差電壓的采樣分辨率可以達(dá)到40mV以內(nèi)，按照低頻誤差電壓調(diào)諧靈敏度為10MHz/V計(jì)算，理論上對(duì)于YTO預(yù)置誤差的采樣分辨率可以達(dá)到0.4MHz以內(nèi)，相對(duì)于YTO的捕獲帶寬而言，完全滿足采樣精度要求。

　　通過(guò)軟件參與設(shè)置，很容易得到全頻段內(nèi)的預(yù)置誤差數(shù)據(jù)。對(duì)于2-20GHz的微波振蕩器，如果每隔5MHz設(shè)置補(bǔ)償一個(gè)點(diǎn)，那么存儲(chǔ)器至少需要3600個(gè)地址空間，在此選擇8k×8靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片，存儲(chǔ)空間滿足要求。在時(shí)鐘的同步控制下，地址生成器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)地址，該系列數(shù)據(jù)被存入RAM中，電路如圖5所示。

　　

　　其中，控制信號(hào)的產(chǎn)生及存儲(chǔ)器地址的生成可以通過(guò)簡(jiǎn)單的CPLD設(shè)計(jì)完成，不再贅述。當(dāng)整機(jī)需要頻率補(bǔ)償時(shí)，在軟件及同步時(shí)鐘的控制下，對(duì)應(yīng)

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