（测试计量技术及仪器专业论文）恒温晶体振荡器调频范围扩展研究.pdf

摘要 泛音晶体构成的恒温晶体振荡器( o c x o ) 具有优良的稳定度和老化指标，但是 它的压控频率调节范围很窄，常常难以满足同时对上述指标都有较高要求的情况。 尤其是高精度o c x o 作为精密的可控频率源时，针对相对宽的频率比对范围 o c x o 需要能够在频率上被调试、控制，并且保持良好的频率稳定度、老化指标， 这是未经过调频扩展的o c x o 无法实现的。本文介绍了根据更宽的频率调节范围 内采用对o c x o 的控制温度进行调整的方法实现扩展频率范围，让恒温晶体振荡 器在几个温度点实现分段恒温。 本文中采用可程控电位器代替o c x o 中控温电桥中的电阻，然后单片机根据 锁相环给出的控制信号来控制可程控电位器输出电阻大小从而改变恒温晶体振荡 器的恒温温度。通过改变恒温晶体振荡器的恒温温度使o c x o 的输出频率改变， 从而达到改变恒温晶体振荡器调频范围的目的。本文采用基于c p l d 实现的数字 锁相环，本锁相环具有锁定速度快、锁相精度高、锁相范围宽的特点。该锁相环 可以判断恒温晶体振荡器和标频之间失锁的情况，在失锁情况下还可以给出表示 恒温晶体振荡器和标频之间的频率高低关系的控制信号。利用锁相环给出的失锁 控制信号，单片机判断并控制可程控电位器输出电阻值，从而改变恒温晶体振荡 器的输出频率，最终达到恒温晶体振荡器和标频之间锁定的目的。该方案不仅保 证了恒温晶体振荡器原来的频率稳定度，而且把原来的1 0 7 量级的压控频率调节 范围扩大到1 0 。6 量级甚至更好。 关键字：恒温晶体振荡器控制温度调整c p l d 频率稳定度频率调节范围 a b s t r a c t h i g hp r e c i s i o no v e nc o n t r o lc r y s t a lo s e i l l a t o r ( o x c o ) b a s e do no v e r t o n ec r y s t a l s c a l ls h o wv e r yh i 曲f r e q u e n c ys t a b i l i t y , a g i n gs p e c i f i c a t i o n s h o w e v e r , t h e i rf r e q u e n c y r e g u l a t i o nr a n g eb yv o l t a g ec o n t r o li sn o tw i d e ，a n di ti sd i f f i c u l tt oo b t a i na l lt h eg o o d p e r f o r m a n c e s e s p e c i a l l yw h e nh i 曲p r e c i s i o no c x o i su s e da st h es t a n d a r do f p r e c i s e c o n t r o l l a b l em e a s u r i n gi n s t r t t m e n t s ，i na l l u s i o nt ow i d e nf r e q u e n c yc o m p a r i s o nr a n g e ， t h ep r e c i s i o no c x os h o u l dn o to n l ys h o wn i c ef r e q u e n c ys t a b i l i t ya n da g i n g ，b u ta l s o c a l lb er e g u l a t e da n dc o n t r o l l e di nar e l a t i v ew i d ef r e q u e n c yr a n g e u s i n gaf u n d a m e n t a l c r y s t a li t i si m p o s s i b l et oo b t a i nt h i sr e s u l t i na l l u s i o nt ow i d e rf r e q u e n c yr e g u l a t i o n r a n g e ，w ep r o p o s ean e wm e t h o dt h r o u g hr e g u l a t i n gt h ec o n t r o lt e m p e r a t u r eo ft h e o c x ot ow i d e nt h ef r e q u e n c yr a n g e ，t h et e m p e r a t u r eo ft h eo c x ow i l lk e e pi ns o m e t e m p e r a t u r es e g m e n t i nt h i sp a p e r , ap r o g r a m m a b l ep o t e n t i o m e t e ri su s e dt os u b s t i t u t et h er e s i s t o ro f t e m p e r a t u r e c o n t r o lb r i d g e m c uc h a n g e st h et e m p e r a t u r eo fo c x ob yc h a n g i n gt h e o u t p u tr e s i s t o ro ft h ep o t e n t i o m e t e rw i t ht h ec o n t r o ls i g n a lf r o mp l l t h eo u t p u t f r e q u e n c yo fo c x ow i l lv a r yw i t ht h ec h a n g i n go ft h eo c x ot e m p e r a t u r e ，a n dt h a t w i l lc h a n g et h eo u t p u tf r e q u e n c yo fo c x o t h ep l li sd e s i g n e db a s e do nc p l d ，t h i s t y p ep l lh a st h eq u a l i t yo fh i 曲p r e c i s i o n ，h i g l ls p e e dl o c k e da n d w i d el o c k e dr a n g e t h i st y p ep l lc a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h ep l li sl o c k e do rn o t ，a n di tc a np r o v i d et h e c o n t r o ls i g n a lw h i c hc a r lr e p r e s e n t a t i v et h ef r e q u e n c yr e l a t i o nb e t 、e e nt h eo c x oa n d t h es t a n d a r df r e q u e n c y m c uc a nd e t e r m i n ea n dc o n t r o lt h eo u t p u to fp r o g r a m m a b l e p o t e n t i o m e t e ru s i n gt h ec o n t r o ls i g n a lf r o mp l l b yc h a n g i n gt h eo u t p u tf r e q u e n c yo f o c x o ，f i n a l l y , o c x oc a nb el o c k e dt of r e q u e n c ys t a n d a r d t h i sm e t h o d w i l lr e t a i nt h e p r e v i o u sf r e q u e n c ys t a b i l i t ya n dp h a s en o i s eo f t h eo c x o ，a n dt h ef r e q u e n c yr e g u l a t i o n r a n g ew i l lb ec h a n g e df r o m10 - 7t o10 6o re v e nb e t t e r t e m p e r a t u r ec o n t r o lr e g u l a t i o n c p l d f r e q u e n c ys t a b i l i t yf r e q u e n c yr e g u l a t i o nr a n g e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：叠】盛邋日期丝宰：墨! 2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期2 壁鲤：，：l 日期卫灶 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪发现压电效应以来，石英晶体振荡器作为频率信号发生器越来越广 泛的应用于各个领域。随着信息时代的到来，晶体振荡器的应用领域将会日益广 泛，需求量也会越来越大。高稳定度的恒温晶体振荡器作为高精密的时频信号源 被广泛应用于全球定位系统、通信、遥测、遥控、移动电话、导航定位、长途电 话等领域。在锁相源和通信领域，不仅要求高的稳定度而且也要求宽的调频范围， 这就要求在保持高的频率稳定度的情况下尽量的扩展石英晶体振荡器的调频范 围。这种情况下本文提出了利用调节恒温晶体振荡器的恒温温度来扩展恒温晶体 振荡器的调频范围的方案，经过适当处理可以兼顾频率稳定度和频率可调范围的 要求。 1 1 各种石英晶体振荡器 2 0 世纪2 0 年代以前，人们通常是用l c 振荡电路来产生振荡信号，但是由于 l c 振荡器的频率因数q 值太低，它的频率稳定度就不可能太高，由于石英晶体的 q 值很高，一般都有几十万，有的甚至达到上百万，因此用石英晶体做的振荡器的 频率稳定度都很高，所以人们就开始选用石英晶体作为振荡器的元件来代替以前 的l c 振荡网络。 晶体振荡器的基本特征是利用石英晶体谐振器( 简称晶振) 作为稳频元件。它 是根据石英晶体的正逆压电效应制造出的一种谐振器，直接决定着晶体振荡器整 体性能的优劣；其q 值高达上百万，因而有着l c 谐振电路和r c 谐振电路均无法 匹敌的高频率稳定度。按照与晶轴的切割角度不同，石英晶体谐振器主要分为a t 切、b t 切、s c 切等几大类。其中，a t 切型、b t 切型属于单旋角的谐振器，s c 切 型、f c 切型属于双旋角的谐振器。目前应用最广而且性能优良的切型是a t 切型和 s c 切型石英谐振器。a t 切型的显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似 的三次函数关系，因此它具有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境 温度的范围内。因此，用a t 切谐振器做成的振荡器具有较好的频率温度特性。s c 切谐振器除了具备a t 切谐振器的特点之外，还具有较好的幅频特性，其幅度系数 比a t 切小一个数量级，这意味着其激励可以比a t 切高一个数量级。因此，s c 切 可承受较强的激励，在保证老化率指标的前提下，可获得较好的短期稳定度；其 频率温度系数较小，在零温度系数点附近，其静态温度系数比a t 切小一个数量级， 而动态温度系数比a t 切小两个数量级，这就降低了晶体对温度的敏感性，有利于 2 恒温晶体振荡器调频范闱扩展研究 提高晶体的长期稳定度和短期稳定度【1 】。 晶体振荡器从诞生到今天，已经发展出了很多种类型，我们常见的有普通晶 振，温度补偿晶振，电压控制晶振，恒温晶振，微机补偿晶振等多种晶体振荡器。 ( 1 ) 普通晶体振荡器( p x o ) ：它是最简单的晶振，它采用石英晶体做为主要 的稳频元件。其特点是，结构简单，而技术指标却优于精心制作的r c ( l c ) 振荡 器。 普通晶体振荡器的频率稳定度一般条件下容易达到1 0 4 1 0 ：而采用a t 切 型制成的石英晶体振荡器，在合理设计下，即便工作温度在一2 0 + 7 0 之间变化， 频率稳定度还可保持士5 x 1 0 。6 。 ( 2 ) 温度补偿型晶体振荡器( t c x o ) ：是一种靠内部温度补偿网络改善输出 频率一温度特性的晶振。其使用的晶体谐振器一般为a t 切晶体谐振器，其频率一 温度特性在宽温范围内近似为一条三次曲线。温度补偿电压曲线是在补偿前不断 改变工作温度的过程中，测出的对应温度点把振荡器的工作频率拉回到标称值时 施加于变容二极管两端的反向偏压而得到。温度补偿晶振的三个优点是： a 不需加热功率； b 由于它总工作在常温下，而晶振在高温下老化大，在常温下老化小，如 在6 0 晶振老化比在2 0 时大一倍，所以这种晶振老化小； c 不需要预热时间。 ( 3 ) 电压控制型晶体振荡器( v c x o ) ：是一种输出频率随所加控制电压而改 变的晶体振荡器，简称压控晶振。一般是将控制电压加到作为石英谐振器负载电 容的变容二极管的控制极上来实现的。压控晶振广泛用于晶振频率的校准、锁相 晶振、网络温补晶振、频率调制和频率捷变技术中。 ( 4 ) 恒温型晶体振荡器( o c x o ) ：是一种把石英谐振器放在恒温器中使输出频率 具有优良频率一温度特性的晶体振荡器。在晶体振荡器中，以这种形式的稳定度 最好，老化率最小，目前恒温晶振的老化率最好的已达1 0 1 2 天，已接近铷原子钟 的水平。 1 2 晶体振荡器的各种技术指标 一衡量温度补偿晶体振荡器的主要技术【2 】【3 】【4 1 指标如下： 1 输出标称频率和频率精度 输出标称频率是指要求的标准频率。 频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率之问的偏差，其绝对频率精度 与相对频率精度分别用式( 1 一1 ) 、( 1 2 ) 表达。 第一章绪论 n = 一 、 鹭l 一氏 3 jn(1-2) 式中，厂为实际工作频率，兀为标称频率。 2 频率稳定度 在保证频率准确的情况下，还要保证信号源的频率随时准确不变，即要保持频 率稳定输出。一般来说，由老化造成的频率单方向漂移以及环境温度、电压、负 载等影响量造成的频率系统变化，在很大程度上遵循一定的规律，可以通过技术 措施加以消除、修正。而频率随机变化则要利用统计学方法进行估算、处理。对 频率随机变化的定量描述称为频率稳定度。 目前使用的频率稳定度表征有两种：频域表征相对频率起伏的功率谱密 度，它表现为信号的频谱不纯；时域表征阿伦方差，它表示为频率平均值的 随机起伏。二者在数学上是一对傅氏变换，因而是等效的。 在频域，用y ( t ) 来表示对于标称频率窃的瞬时相对频率起伏： y ( ，) 2 鬻 ( 1 3 ) 则瞬时频率为： 厂( r ) = 州1 + m 】 ( 1 - 4 ) 则 = j c o 墨( f ) d f ( 1 - 5 ) 式中，f 为傅立叶频率。 表示在无限长时间内的平均。将y ( t ) 看做随机电 压时，等式左边相当于1 欧姆电阻上的平均功率。所以s y ( f ) 是瞬时相对频率起伏 y ( t ) 的功率谱密度。 在时域，采用有限时间内的阿伦方差来估算，计算公式如下： c r y ( t ) = ( 1 6 ) 3 温度频差 温度频差是指在给定的温度变化范围内频率准确度的最大变化值( 即频率一 温度特性) ，通常用相对温度频差西表示 4 恒温晶体振荡器调频范围扩展研究 磊= 毕 ( 1 7 ) 式( 1 7 ) 表征的是最坏情况下的温度频差，应用建立在大量观测基础上的统计 值来表征温度频差，即用在指定的温度变化范围内、按指定的温度间隔测得的各 频率准确度与频率准确度的平均值之差的均方根值来表示。 4 输出电压与电压幅度稳定度 输出电压： u = i z ( 1 8 ) 温度补偿晶体振荡器输出电压的有效值一般为0 3 v 2 5 v 。输出电压幅度稳 定度与电源稳定度、温度变化范围等有关。温度补偿晶体振荡器更关心温度变化 对输出电压幅度的影响。在给定的温度变化范围内输出电压幅度相对稳定度4 ，为： 屯= 垒掺_ 溘度变化范围 ( 1 9 ) 式中u o 为室温( 2 5 ) 时的输出电压值。一般要求在给定的温度变化范围内 4 ，在1 0 左右。 5 功耗 ， 温度补偿晶体振荡器的总功耗： p = i e ( 1 1 0 ) 式( 1 1 0 ) 中i 为直流电源供给的总电流，单位为安；e 为直流电源端电压，单位为 伏。 温度补偿晶体振荡器的功耗在5 x 1 0 3 w - - - 3 x 1 0 3 w 左右，依温度补偿方式、电 路类型及选用器件的不同差别很大。 6 体积与重量 希望体积越小、重量越轻越好。温度补偿晶体振荡器的体积在4 0 x 4 0 x 2 0 m m 3 - - 2 5 1 5x1 0 m m 3 左右。重量在4 0 9 - - 1 4 0 9 左右。 7 可靠性 可靠性是温度补偿晶体振荡器的一个十分重要的指标。因为温度补偿晶体振 荡器一旦发生故障，用户很难维修，即使排除了故障，一般是难以满足技术指标 要求的。因此温度补偿晶体振荡器般应按不可维修部件计算无故障工作概率。 第一章绪论 1 3 恒温晶体振荡器简述 恒温型晶体振荡器( o c x o ) 是一种把石英谐振器放在恒温槽中，使其输出频 率 5 1 具有优良的频率一温度特性的晶体振荡器，简称恒温晶振。它在结构上主要采 取单层恒温和双层恒温等形式【2 8 1 。恒温槽内的温度通常被控制在晶体的频率一温 度曲线的零温度系数点处，并且温度起伏极小( 4 7 1 x s ， s c l 高电平周期4 0 9 s ，s t a r t 和s t o p 之间的总线空闲时间 4 7 1 x s 。三个延时中 的任何一个出现问题，器件都不会响应。 其次，1 2 c 总线上传送的每个字节必须为8 位，启动和停止之间可传输的数 第四章系统软硬件设计与结果分析 据字节数不受限制。采用串行传送，首先传送最高位，每传送一个字节后必须跟 一个应答位。主控器产生应答所需的时钟脉冲期间，发送器必须释放数据线( s d a 为高) ，以便接收器输出应答位。低电平为应答信号，高电平为非应答信号。非 应答信号是当主控器作为接收器时，收到最后一个字节数据后，必须发送一个非 应答信号给被控发送器，使被控发送器释放数据线，以便主控器发停止信号，终 止数据传送。当从器件不能再接收字节时也会出现非应答信号这种情况。 下面是对单片机控制数字电位器x 9 2 4 1 程序的说明： ( 1 ) 延时子函数：v o i dd e l a y ( u n s i g n e dc h a rn u m ) 功能：用f o r ( ) 循环提供延时。在实际应用中可依具体情况改变传入参数， 但必须满足i 2 c 总线时序中对s c l 高、低电平周期的要求，本应用中取1 。 ( 2 ) 起始条件子函数：v o i ds t a r t ( v o i d ) 功能：提供i 2 c 总线工作时序中的起始位，在s c l = l 期间，s d a 出现由高 到底的转变，返回前将s c l 拉低，允许数据变化，准备传输。 ( 3 ) 终止条件子函数：v o i ds t o p ( v o i d ) 功能：函数提供i 2 c 总线工作时序中的起始位，在s c l = 1 期间，s d a 出现 由低到高的转变。 ( 4 ) 发送数据子函数：v o i ds e n d b y t e ( u n s i g n e dc h a rb ，u n s i g n e dc h a r * e r r o r ) 功能：在时钟作用下，将入口参数b 中8 位数据由高至低通过s d a 线发送， 并读回应答信号，存于指针变量* e r r o r 中。 ( 5 ) 接收数据子函数：v o i dr e a d b y t e ( u n s i g n e dc h a r ，b i ta c k ) 功能：函数在时钟作用下接收8 位数据，存于木b 中，先接收的为高位，并发 送应答信号( a c k = 0 ) ，当接收到最后一字节时发送非应答( a c k = 1 ) 。 ( 6 ) 发送n 字节数据子函数：v o i ds e n dnb y t e ( u n s i g n e dc h a r 幸i n f o ，u n s i g n e d i n tn ，u n s i g n e dc h a ra d d r e s s ，u n s i g n e dc h a r 宰f a u l t ) 功能：向1 2 c 器件连续发送1 1 个数据字节，数据存于数组i n f o 中，a d d r e s s 为器件受控地址，末位为0 ( 写) ，n 个数据的地址可作为数据字节发送，或设置 地址自动加减功能。木f a u l t 存收到的应答位。 ( 7 ) 接收n 字节数据子函数原型：v o i dr e c e i v e1 1b y t e ( u n s i g n e dc h a r * i n f o ， u n s i g n e di n tn ，u n s i g n e dc h a ra d d r e s s ，u n s i g n e dc h a r 牛f a u l t ) 功能：从1 2c 器件连续接收n 个字节的数据，存于数组i n f o 中，a d d r e s s 为 器件地址，本函数保证器件地址末位是1 ( 读) ，n 个数据的器件内地址可作为数 据字节发送，或设置地址自动加减功能。收最后一字节时发非应答信号l 。* f a u l t 存收到的应答位。 ( 8 ) 显示子程序：v o i dd i s p l a y ( u n s i g n e dc h a t ) 功能：把单片机从数字电位器x 9 2 4 1 上读到的两个w c r 的十六进制的数值 3 6恒温晶体振荡器调频范围扩展研究 计算后，转化为十进制数值，利用d i s p l a y 在数码管上显示。 其中程序主函数流程图如图4 8 所示。 等待中断 图4 8 程序主流程图 由图可知，在主函数中，首先对m c u 和1 2 c 总线初始化，然后向x 9 2 4 1 的 两个w c r 中写入初值，接着读取两个w c r 的值后计算并调用显示子程序显示此 初值。以后每次复位单片机时，都将此初值写入，并通过数码管显示，方便用户 根据此初值来对数字电位器进行调节。然后主程序无限循环，等待外部中断。 外部中断0 ，1 子程序流程图如图4 9 所示 第四章系统软硬件设计与结果分析 3 7 外部中断0 1r 关闭所有中断 1r 查表计算后写w c r 函数 1 r 读w c r 子函数：读出 当前w c r 值并计算 土 显示子函数：显示当 前计算值 土 恢复中断 上 返回入口 图4 9 外部中断0 外部中断1 原理框图 由图可知，在中断子程序中，首先关闭所有中断，防止更高优先级的中断发 生。各个温度点对应的电阻值预先存储到单片机，所以当改变数字电位器电阻值 时，就可以查表得到相应电阻值。由于采用两个可程控电位器串联，所以要对查 表值计算，就是将查表所得值减去1 0 k ，如果没有借位，证明查表值大于1 0 k ，所 以就在第一个电位器w c r 中输入1 0 k ，第二个电位器w c r 中输入余数。当有借位时， 证明查表值小于1 0 k ，就直接将查表所得数输入第一个电位器的w c r ，第二个电位 器w c r 输入为0 。将两个电阻值都输出到w c r ，调用写w c r 子程序。然后调用输 出w c r 子程序，读出增加或减小后w c r 的值，单片机计算两个w c r 数字之和， 并送显示子程序显示，最后恢复中断。要实现两次读写w c r ，所以调用两次读写子 程序。 3 8 恒温晶体振荡器调频范围扩展研究 读，写w c r 子程序流程图如图4 1 0 所示。 图4 1 0w c r 读写子程序原理框图 第四章系统软硬件设计与结果分析3 9 由图可知，读写w c r 子函数完全依照i z c 总线的时序编写。首先调用起始条 件子函数，启动总线。然后发送x 9 2 4 1 的片选地址，如果该地址与x 9 2 4 1 的地址 完全吻合，则x 9 2 4 1 给出响应位o ，否则响应位为l 。然后调用响应位检查子函数， 若检查到响应位为l ，则表示x 9 2 4 1 已损坏或错误，直接跳出该函数，不执行剩 余函数语句。若响应位为0 ，则发送读写w c r 指令字节。接着又调用响应位检 查子函数，若检查到响应位为o ，则继续发送数据字节。对于写w c r 子函数，在 发送完数据字节后，接着检查响应位，若响应位为0 ，则成功写入w c r 值；对于 读w c r 子函数，每成功读取一个字节w c r 值，发送响应位0 ，待读取全部字节 数据后，发送非响应位l ，表示全部字节数据读取成功。 图4 1 1 为显示子程序流程图。 i 十六进制数转十进制数：获得十 l 进制数的十位和个位数字 土 按共刚极编码获得十进制数的 十位和个位的显示代码 上 动态扫描显示十位和个位数字 上 ( 返咖) 图4 11 显示子程序原理框图 由图可知，在显示子程序中，首先将载入的十六进制数转化为十进制数，把 十位数字和个位数字分别赋予两个变量。然后按共阳极编码子函数，获得十位和 个位数字的显示代码，最后动态扫描，在两个数码管上显示这两位数字。 4 5 锁相环电路的设计实现 系统中恒温晶体振荡器不但要保证高的频率稳定度，而且还要在宽的频率范 围内可以和标频锁定。因此系统对锁相环就有很高的要求，首先锁相环的锁定精度 恒温品体振荡器调频范围扩展研究 必须足够高，其次锁相环必须知道什么时候恒温晶体振荡器可以和标频锁定，什 么时候会发生失锁，而且在失锁的时候能给出判别恒温晶体振荡器和标频之间频 率高低的信号。单片机利用锁相环给出的输出判别信号来调节可程控电位器输出 电阻，从而改变恒温晶体振荡器的输出频率范围，让恒温晶体振荡器的输出频率 范围落在和标频可以锁定的范围之内，从而最终实现锁定。由于以上这些要求， 本文提出【2 5 1 1 2 6 1 | 2 7 1 利用c p l d 来实现高精度数字锁相环。 锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和 相位。锁相环通常由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 三 部分组成。 传统的p l l 都是用分频器将厶和厂m 。信号经复杂的频率变换线路，变换成相 同的较低频信号后再进行鉴相，原理框图如图4 1 2 所示。 图4 1 2 传统锁相环原理 传统的模拟锁相环根据环路低通滤波器的输出信号可以判断锁相环是否锁 定，但是如果用电路进行判断失锁时恒温晶体振荡器和标频之间的频率高低比较 困难，电路比较复杂。本文中提出的改进型的数字锁相环利用改进锁相环中的部 分数字电路可以准确的判断恒温晶体振荡器和标频之间信号高低，而且由于利用 c p l d ，所以电路的复杂度也没有增加。 由于在本文中采用数字锁相环，而对于数字锁相环，环路的输入方波信号整 形的好坏对环路的锁定具有很大的影响。在本方案中利用高速e c l 电路来实现输 入、输出信号的整形，e c l 电路是高速电路，整形的效果要优于传统的t t l 电路。 4 5 1e c l 整形电路设计 电路速度是e c l 电路1 2 l j 最显著的特点，相对于其它类型的逻辑器件它可以提 供更短的传播延时和更高的转换速率。同样低功耗也是e c l 电路的一个优点，e c l 电路广泛应用于一些低功耗电路。e c l 电路采用了相对低的信号摆幅，因此由杂 散电容充放电所引起的电流噪声明显减少。对于信号线间的串扰来说，由于线间 感应信号与信号摆幅成正比，所以e c l 电路的低逻辑电平摆幅必然使串扰信号进 一步降低。由于e c l 电路的设计特点，能有效的抑制信号问的串扰和外界的干扰， 第四章系统软硬件设计与结果分析 4 1 使得信号的噪声幅度和电平的抖动幅度都很小。 另外，e c l 电路对电源电压的同步变化不敏感，因此电源的纹波和偏差对电 路的影响很小，但为了抑制由杂散电容和电路负载在电路开关时所引起的“脉动电 源”的干扰，仍需在电源总线上并接多个大小不等的滤波电容。 由于e c l 电路是高速电路，所以在电路设计的时候有很多注意事项。布线之 前系统地和传播延时是我们必须要考虑的因素。电路的上升沿很窄，所以在布线 时电路的走线尽量不要过长，而且在线的终端最好要有匹配电阻，这样可以减小 电路的反射，减小电路干扰，使信号保持好的波形。 e c l 电路组成的整形电路： 本系统中的放大整形部分，先将信号放大整形成小幅度的e c l 方波，如图 4 1 3 。再将e c l 方波转换成与c p l d 相兼容的l v t t l 电平，如图4 1 4 。这样可以 大大减小整形过程中的误触发。 ； ； ： i j ：；一 7 一一：”+ i ：。一 图4 1 3 将输入信号整形成e c l 方波信号 o ： 二。? 1 1 1 一_ i ：； ：r i 一 ，、 1 4 、一 ；i ：广丽丽嘭 e c l 厂 i 一：等1 1 7 。! 。 ；一 b i c l 0 h 1 2 5 ri 珊i ” ： 卜o 一： ；： j 卜_ 0 ； 卜 _ 一 ? ：； ? 图4 1 4 将e c l 电平整形成i v r n ，电平 电路设计中用m c l 0 h l l 6 进行放大整形。e c l 电路的最大特点是其基本门电 路工作在非饱和状态。所以，e c l 电路的显著优点是高速，延迟时间只有几纳秒 甚至更小，这使得e c l 集成电路在高速和超高速数字系统中占有重要的地位。 m c l 0 h 11 6 常温下传输延迟时间为o 8 n s ，典型工作频率为2 5 0 m h z ，上升时间和 下降时间均为1 0 n s 。 4 2 恒温晶体振荡器调频范围扩展研究 4 5 2 数字锁相环的电路原理 最常见的鉴相器【2 2 】有异或门鉴相器、边沿型触发器。选用不同类型的鉴 相器会使数字锁相环具有不同的动态响应。全数字锁相环按鉴相器分类分为四类 【2 3 】：过零型数字锁相环、触发型数字锁相环、超前前滞后型数字锁相环、奈奎斯 特速率采样型数字锁相环。 过零点数字锁相环的本地信号在输入信号的过零点上采样后进行a d 转换， 得到数字相位误差信号输出，然后进行a d 转换和相应的数字处理。 触发型数字锁相环利用输入输出信号的正向过零点对触发器进行触发，得到 相位误差信号。在误差信号脉宽中计数得到了量化的误差信号序列，送入到数字 压控振荡器进行控制。 超前滞后型数字锁相环的鉴相器在每一个周期内得到输入信号的相位比输入 信号相位的超前滞后信息，因此，这种鉴相器的相位误差输出只有超前滞后两种 状态，然后将误差的超前或者滞后信息送入序列滤波器，产生对数控振荡器的加 或者减脉冲控制指令去改变数控振荡器的时钟周期，使本地估算信号的相位向输 入信号靠拢。 奈奎斯特数字锁相环中，对输入信号采样按奈奎斯特速率进行，也就是说， 对输入信号进行a d 变换的采样频率必须按奈奎斯特速率进行，以使输入信号能 够依照奈奎斯特取样定理再现。a d 变换后的输入信号与本地信号进行数字相乘， 得到需要的数字相位误差信号，以完成鉴相功能。鉴相器输出的相位误差信号经 由数字滤波器过滤后作为数控振荡器的控制信号。 通过比较各种锁相环的特点和本系统的要求，在这里采用触发型数字锁相环 为基础的改进型数字锁相环。本设计的鉴相器采用触发器型鉴相器中的双d 鉴相 器，下面介绍整个锁相环的组成及各部分原理。触发型数字锁相环的原理方框图 如图4 1 5 所示： 图4 1 5 锁相环原理方框图 通常d p l l 由三个模块组成，数字鉴相器( d p d ) 、数字环路滤波器( d l f ) 、以 第四章系统软硬件设计与结果分析 4 3 及数字压控振荡器( d c o ) 。本文介绍的锁相环采用的是触发器型d p d ；d l f 采用 可逆计数器及比较逻辑实现：d c o 利用d l f 输出的数据控制d a 转换器输入，然 后利用d a 转换器对恒温晶体振荡器的压控端补偿。 本文选用的【2 4 i d a 转换器是a d 9 7 7 7 ，是一种转换速率可达4 0 0 m s p s 的高速 数模转换器，它速度快、功耗小等诸多优点。图4 1 6 为a d 9 7 7 7 与c p l d 接口电 路原理方框图。 a d 9 7 7 7 数据输入 a d 9 7 7 7 e p m 2 4 0 t l0 0 c 5 时钟控制 c l k 图4 1 6e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 控制a d 9 7 5 1 原理框图 图中e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 的d c o 单元中输出a d 9 7 7 7 需要的转换数据，a d 9 7 7 7 根据该数据进行d a 转换。而d a 转换的时钟控制由时钟c l k 控制，c l k 为利用 t d c ( 时间间隔计数) 原理对误差信号计数的高速采样时钟，时钟频率为1 0 m h z ( 最好将其倍频以获得更高的误差分辨率) ，时钟控制d a 转换器转换速度。 因为d a 转换器的输出电压范围与压控晶体振荡器所需的压控范围有差别， 所以我们在d a 转换器后接运算放大器，运算放大器的输出电压经过调节可以保 证将d a 转换器的输出电压变换到压控晶体振荡器所需的压控范围。电路原理图 如图： i ! ；l l阳雌： l ；t 失i j ；：i ：l ，l ；j l ；l带 ：ii ! ； nl v i ：j ；t 丁l ：i f l! v 孑、 n 肺苜一 一一 ，五弃事d 二： 弋 髓l ：r j 一 一l 、 ， h hl + 十 i 叫夤e 糖z ，7 i g o a t ：i ! 一 一 u 瞒； c l 一 3 p抑 l ：l o l仞 ：l：i i l l2 一 n 】孙 id l ； 1 0 ， ! i i i c 2 l i ； l ；i 。 i ；i ： l | ； ：；! i ； ：；1 0 4 i ；： ! i ! - = i ! i ： i ； s 斜：；已_ hf ；f l ； ：，r ! ! ；! f ；：二； f ；fi ! i ：；i ：i t：jl ；l ； 图4 1 7d a 转换电压后放大电路原理图 恒温晶体振荡器调频范围扩展研究 该型锁相环采用d a 转换器来实现对压控振荡器的精密控制，而且改进的触 发器型数字鉴相器可以使锁相环快速进入锁定。 环路工作原理如下：触发器型数字鉴相器比较两输入信号f 和e 的上升沿， 得到超前滞后信号s i g n 和对d l f 的脉冲控制信号c l k ：d l f 利用s i g n 和c l k 信号 对相位误差信号进行平滑滤波，并生成控制d c o 的信号a h e a d 、l a g ；d c o 根据控 制信号给出的指令，选择增加或者减少d a 转换器的输入数字以调节恒温晶体振 荡器频率，达到调节e 频率的目的。经过调节最终达到f 和e 锁定。如果环路失 锁，而且在恒温晶体振荡器的整个压控范围内都无法锁定，说明标频的信号已经 脱离了恒温晶体振荡器的压控范围，所以单纯的调节恒温晶体振荡器的压控电压 已经不能使恒温晶体振荡器处于锁定了。这时锁相环输出失锁信号u n l o c k l 或者 u n l o c k 2 ；u n l o c k l 表示标频的信号频率高于恒温晶体振荡器的压控调节频率上限， u n l o c k 2 表示标频信号频率低于恒温晶体振荡器的压控调节频率下限。这两个信号 连接到单片机的两个外部中断，由这两个信号来触发单片机中断，单片机根据中 断信号来控制可程控电位器输出电阻大小，从而改变恒温晶体振荡器的输出频率 段范围，然后再让锁相环对恒温晶体振荡器和标频进行重新锁定，如果锁定，则 锁相环工作于锁定状态，否则根据失锁信号继续对数字电位器调节，最终实现锁 定。在本方案中锁相环通过输出的失锁信号，单片机对失锁信号判断，实现了系 统的自动化控制。 4 5 3 锁相环电路触发型鉴相器实现 数字锁相环的设计采用a l t e r a 公司生产的c p l d ，开发环境采用q u a r t u s i i 。 c p l d 是应用m a x i i 系列的一款c p l d e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 。它价格极其低廉，具有 2 4 0 l e ( 逻辑单元) ，足够满足本系统的要求，并且速度快，可以支持3 3 0 m h z 的 时钟，这可以减小鉴相的非线性。设计采用自项向下的方法设计各个模块，各个 模块采用电路原理图法和v e r i l o g 语言设计相结合的方法完成。下面依次介绍各个 部分详细功能，内部结构及接口信号如图4 1 8 ，并给出仿真波形。 触发型鉴相器利用对e 和只的边沿分别检测的方案来测得两个信号的相位 差，我们又称其为参差鉴相器。它输出的信号能表达两个信号的频率和相位的相 对超前和滞后信息。基于鉴相的原理，当两个信号进行比相时，其前沿分别代表 各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。 该型鉴相器将”s e t 端和”c l r 端的上升沿间的时间间隔转化为输出端正脉宽的 长度。其工作波形如图4 1 9 所示。 第四章系统软硬件设计与结果分析 囝4 1 8 在q u a r t u s i i 中由v e r i l o g 语言描写的参差鉴相器的生成图 也坐型! 勤! 二墅豆三二：亘i 三二：亘! ! 竺! ! 一型兰坐 冗了t r 口气了【厂口_ l 了 冗丁_ l 1 一九n 广_ ：一 图4 1 9 参差鉴相器的波形图 在该仿真波形中，为了能明显的看出效果，c l r 采用的是周期1 00 n s ，而s e t 信号采用的周期是1 05 n s 。从图形中我们可以看出，该鉴相器的输出信号q 的相 邻脉宽是逐渐减小的，直到其减小到大约等于0 时。从图中可以明显看出s d 的频 率比c k 的频率小，所以s e t 信号越柬越滞后于c l r ，而q 信号代表的是s e t 减去c l r 的相位，所以相位差会越来越小，直到为0 此时s “信号继续滞后于c h 再经过 几个时钟周期，相位差就会变为负。和数学中的借位差不多，其实这时鳅已经落 后了c l r 一个多周期，所以q 的脉宽突然变成接近于一个“s e t “大小周期，然后继 续减小。 本文所介绍数字锁相环利用参差鉴相器，将两个信号e 和f 分别接到c k 和 s e t ，输出信号q 记为两输入信号的脉宽误差信号e l t o f ，如图4 2 0 。那么当r 的频 率大于f 时其输出相位误差脉宽值是逐渐减小的。但是这里有个问题，当两信 号相位差减小到很小时脉宽误差信号会突然变成有一个鉴相周期那么大，如图 41 9 所示，这就不符合相位误差逐渐减小的情况了，但是这个误差可以通过数字 滤波器滤除。反之，如果r 的频率是小于f 的，那么其输出相位误差脉宽值是逐 渐增大的。对于相位误差脉宽的分析与前面相同。 圈4 2 0 参著鉴相器的原理方框图 对于脉宽的衡量利用t d c 的原理，t d c 是用一个高速时钟对d p d ( 鉴相器) 猫一 恒温晶体振荡器调频范同扩展研究 产生的e r r o r 信号进行采样计数，越宽的e r r o r 信号将会得到越大的计数输出值，相 反，小的e r r o r 值，输出一个小的计数值。当e r r o r 信号的宽度小到比采样时钟的周 期还小的时候就检测不到e r r o r 信号，这可以看作是量化误差，因为在这里连续的 误差信号e i t o r 被转换成了离散的数字信号。量化误差的大小由采样时钟的采样周 期所决定，所以采样周期的大小对此数字锁相环的性能影响很大。 由于要对e r r o r 信号进行计数，所以要求鉴相器所产生的脉宽睨 r o r 相对于采样 时钟( 我们利用1 0 m h z 信号源，最好将其倍频到1 0 0 m h z ，这样误差更小) 来说 时间不能太短，所以我们对输入和输出信号都进行预分频( 经过计算和实际测量 我们选择6 4 分频) 以扩展e r r o r 的脉宽时间。经过分频后的信号的周期相对比较 大，所以两个信号相比较所产生的e r r o r 信号的脉宽就相对比较宽，这样利用t d c 原理来计数产生的误差会相对较小。 对t d c 采样得到的数据我们要做进一步的处理，这也是该型锁相环在数字鉴 相器方面区别于以往锁相环的特点。以往的鉴相器是根据其超前滞后信号和相应 的误差信号来对锁相环的两输入信号相位差进行判