（电磁场与微波技术专业论文）谐振参数在线检测系统的研制.pdf

摘要 近几十年来，微波技术不断发展，应用的领域也越来越广。对微波谐振参数 的检测一直以来是微波应用技术中最基本也是最重要的技术之一。本文是教研室 主要针对微波谐振参数的测试系统进行了研究，在此基础上试探性地搭建了一套 通过式谐振腔谐振参数测试系统。该系统由计算机通过控制总线对信号源进行扫 频控制，输出信号耦合到谐振腔后，经过同轴检波器检波，数据采集卡对检波电 压进行a d 采样后将数据传输回计算机，经数据处理后得出谐振参数。 本文分析了谐振腔基本参数，根据通过式谐振腔谐振频率、q 值和检波器检 波电压之间的非线性关系，推导出了由信号源输入频率和输出端检波电压求解谐 振频率和q 值的计算方法，为本文对谐振参数检测提供了理论依据。在第三章和 第四章较详细地分析了锁相环的原理及组成，并对环路滤波器的设计和选择进行 了研究，对相位噪声的抑制和杂散的优化进行了比较深入的分析。在此基础上， 首先使用a d i s i m p l l 3 1 锁相环设计软件对信号源电路进行了仿真和参数优化，并 对仿真结果进行了分析。在依据仿真结果设计了锁相环扫频信号源，并对信号源 进行了调试和测试。本文同时对检波器的检波原理和技术指标进行了讨论，并介 绍了本文中检波器的技术参数。 本文在l a b v i e w 的开发平台下，配合n i 公司研制的u s b 一6 0 0 8 便携式数据 采集卡，实现了系统的读数采样、以及数据处理等。最后通过v c + + 编写的数据处 理程序，调用l a b v i e w 程序生成的d l l 文件，对数据进行计算处理。 通过实验，该系统得到应用，验证了系统的各个组成部分的运行情况及功能。 实验结果表明，该系统各功能模块运行良好，系统操作简便、测量速度较快，能 够有效地应用于谐振参数的测试。 关键词：谐振参数信号源数据采集数据处理 丝墨坐曼! a b s t r a c t l nr e c e l l td e c a d e s ，a st h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm i c r o w a v e t e c h n o l o g y i th a s b e e ni n c r e a s i n g l yw i d e l ya p p l i e d t h ed e t e c t i o no fm i c r o w a v e r e s o n a n c ep a r a me t e r si s o n eo ft h em o s tb a s i ca n d1 m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nm i c r o w a v e t e c h n o l o g yf i l e d i nt h i s p 印e r ，m l c r o w a v er e s o n a n c ep a r a m e t e r st e s t s y s t e mh a sb e e ns t u d i e d ，a n do n 也i s c o n d l t l o n ，as e to fr e s o n a n c ep a r a m e t r i ct e s ts y s t e m si st e n t a t i v e l yb u i l t i nt h es v s t e i l l t h ec o n t r o lb u sc o n t r o l st h es i g n a ls o u r c et og e n e r a t es w e e ps i g n a lb yc o m p u t e r , a t i e r t h es w e e ps i g n a lc o u p 】e di n t ot h ec a v i t ya n dd e t e c t e db y t h ec 0 赧i a ld e t e c t o r t h ed a t a a c q u l s l t l o nc a r dg e t st h ec u r r e n ts i g n a l i ti st h e nt r a n s f e r r e db a c kt oc o m p u t e ra n dw e w 1 儿g e tt h er e s o n a n c ep a r a m e t e r sa f t e rt h ed a t ab e i n g p r o c e s s e db yc o m p u t e rp r o g r 锄 i nt h et h e s i s ，w eh a v ea n a l y z e dt h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h er e s o n a n tc a v i t ya n d d 印e n do nt h en o n l i n e a rm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na m o n gr e s o n a n tf r e q u e n c y , q u a l i t y f a c t o ra n dt h ev o l t a g ed e t e c t e d b yd e t e c t o r , t h ec a l c u l a t i o nm e m o do fr e s o n a n t f r e q u e n c ya n dq u a l i t yf a c t o rh a sb e e nd e r i v e d ，a n di t st h et h e o r e t i c a lb a s i so f t h e 也e s i 8 t h e p h a s e l o c k e dl o o pp r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o nh a v eb e e na n a l y s i si nc h a p t e r3a n d 4 a n dt h e l o o pf i l t e rd e s i g na n ds e l e c t i o nh a v eb e e ns t u d i e d f i r s t l y ，w eu s et h e a d i s i m p l ld e s i g ns o f t w a r et os i m u l a t i o nt h es i g n a ls o l i c ec i r c u i ta n do p t i m i z em e p 嬲抛e t e r s ，t h e na n a l y z et h es i m u l a t e dr e s u l t s b a s e do nt h es i m u l a t i o n , t h ep l l s w e e d s 1 髓a ir e s o u r c eh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h e nw ch a v ed e b u g g e da n dt e s t e dt h es i 匝a l 8 0 u r c e i nt h i sp a p e r ，w ea l s oh a v ed i s c u s s e dt h ed e t e c t i o np r i n c i p l ea n d s p e c i f i c a t i o n s o ft h ed e t e c t o r i nt h i sp a p e r , o nt h el a b v i e wd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dd e v e l o pw i t ht h en i t s u s b 一6 0 0 8p o r t a b l ed a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，w eh a v er e a l i z e d t h e 如n c t i o n so ft h e s a m p l i n ga n dr e s u l t sd i s p l a y a n dv c + + d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mi n v o k em e d 1 1f i l e s c r e a t e db yl a b v i e w p r o g r a mt oc a l c u l a t et h er e s o n a n c ep a r a m e t e r s a b s l r i 疆c t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e d ，a n dt h ev a r i o u sc o m p o n e n t s a n df u n c t i o n so ft h es y s t e mh a sb e e nv e r i f i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e v a r i o u sc o m p o n e n t sa n df u n c t i o n so ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e ma r er u n n i n g w e l l ，t h es y s t e mo p e r a t i o ni ss i m p l e , t h em e a s u r e m e n ts p e e di sf a s ta n dt h es y s t e mc a n b ee f f e c t i v e l ya p p l i e dt or e s o n a n c ep a r a m e t e r st e s t k e y w o r d s ：r e s o n a n c ep a r a m e t e r s ，s i g n a ls o u r c e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：j 嚼鼽 一 日期：) 。p 年么月夕日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 霪恩 日期：z o f v 年午月乙日 第一章绪论弟一旱三；百t 匕 随着我国工业化进程的加快和对产品质量的要求越来越严格，在科研和生产 应用中对检测系统的要求越来越高。 上世纪七十年代，以k r a s z e w s k i ，t r a b e l s i 以及n e l s o n 等为代表的科学家提出 了新的测量物料湿度的方法：微波谐振腔法【l 】。由于这种方法和其它诸如微波透射 法或者红外法等相比，有很多优点，因此得到了快速的发展。很多比较可靠和新 的测湿技术都是用谐振腔来作为传感器来实现的。 表1 1 核检测与微波谐振检测对比表 对比项核放射型系统微波谐振式系统 高能y 射线， 安全项微波发射功率小于1 0 r o w ，无害 对人体和环境有害 依靠射线穿透能力，约 灵敏度 依靠微波穿透能力，达3 0 m v m g 1 0 l aa m g 依靠射线穿透烟支后产生的依靠金属空腔介质微扰理论，由d s p 精确度电流信号积分运算后得出的采集谐振曲线各参数实时计算出密度 重量信息，小于1 与湿度值，小于o 5 由于微波信号对水分敏感， 输出参数 密度信息 可同时输出密度和湿度信息 随s r - 9 0 元素的衰变，检测精 可靠性长期可靠并易于维护 度下降 以我国的烟草工业为例，国家烟草标准对烟支的密度和湿度有严格的限制， 因此对烟支的密度和湿度的控制是卷烟质量的重要衡量标准【2 】。目前市场上和各 烟草生产企业的烟支密度检测设备都是采用的s r - 9 0 同位素放射源型检测系统。由 于高能y 射线的存在，对人体和环境都会不可避免地会产生辐射威胁和危害，而 且随着s r - 9 0 元素的衰变，设备的检测准确度会逐渐下降。而微波谐振式烟支密度 ! 显度检测法能很好地克服放射源型检测系统的缺点，而且更安全、可靠、灵敏。表 电子科技大学硕士学位论文 1 1 为核检测与微波谐振检测的对比表 3 】。从该表可以看出，微波谐振式无损检测 技术在密度和湿度检测中各个方面都具有很大的优势。 微波谐振式烟支密度湿度检测系统是根据微波谐振腔介质微扰法测量技术原 理【4 】来实现的，是微波检测技术在烟草工业中的实际应用。 目前国内外最新的非接触无损测湿和测密技术均采用将谐振腔作为传感器来 实现的，谐振腔两个最重要的参数为谐振频率和品质因数，因此谐振频率和品质 因数的测量对微波谐振法来说具有非常重要的意义。对谐振频率和品质因素的快 速而准确地提取具有非常高的实用价值。因此，本文基于此种应用背景试探性地 研制了一种微波谐振参数测试系统，用来提取谐振腔的谐振频率和q 值。 1 1 谐振器的基本参数 微波谐振器是一种具有储能和选频功能的微波谐振元件，用来描述微波谐振 器的基本参数是谐振波长、品质因数和等效电导。本文中，要提取的谐振器的基 本参数是谐振频率( 谐振波长) ，品质因素。 1 1 1 谐振波长九吲 表示谐振腔发生谐振时的波长， 义。是微波谐振器的重要参数之一。 振器内振荡存在的条件。 与集总参数谐振回路的谐振波长有相同的意 表征微波谐振器的振荡规律，即表示微波谐 图1 - 1 任意形状封闭谐振腔 在导行系统中，有色散关系式： k 2 = 砰+ p 2 2 上式中，k 2 = 0 9 2 胪，其中国为角频率，s 为媒质的介电常数，为导磁率。 k c 为导波的截止波数，为导波的传播常数。 在导行系统情况下，沿纵轴方向无边界限制，波沿纵轴方向传播。此种情况 下的传播常数值是连续的，即波沿纵轴方向不具有谐振特性。对于谐振器情况， 纵轴向也有边界限制，如图1 - 1 所示的封闭波导谐振器，波沿纵轴z 也应呈驻波分 布，且 z = p 冬 p = 1 ，2 ，( 1 - 2 ) 式中，是谐振器的长度，以为波导波长。由此可得 p=pi；r(1-3) 代入式( 1 1 ) ，得到封闭式波导谐振器谐振波长一般表示式为 九= ( 1 - 4 ) 式中以为波导的截止波长。可见谐振频率与谐振器形状尺寸和工作模式有关。 1 1 2 品质因素q 0 品质因数( q u a l i t yf a c t o r ) q o 表征微波谐振系统的频率选择性，表示谐振器的 储能与损耗之间的关系。其定义为 q o = 2 z 景= 百(15)r w 式中，w 代表谐振器储能，孵代表周期内谐振器的能量损耗，e 则代表一 周期内的平均损耗功率。 谐振器的储能为 3 电子科技大学硕士学位论文 形= 形+ 既= 三l l h j 2 咖 ( 1 - 6 ) 弓= 了1 啦l 六1 2 足出= 导足虫l 1 2 出 ( 1 - 7 ) 式中，r 。为表面电阻率，日锄为切线方向磁场。将式( 1 - 6 ) 、( 1 - 7 ) 代入式( 1 5 ) ， q = 警器= 吾揣 m 8 ， i h l 2 = l 1 2 2 ，则近似得到 q o ! j ( 1 - 9 ) 据此式可以估计谐振器的o o 值。由此可见，谐振器的o o 值近似与其体积v 成 o o 为孤立谐振器的品质因素，称为无载q 值或固有品质因数。由式( 1 - 8 ) 计算 出的q o 值比实际值高，这是因为诸如腔内壁不够光洁，耦合机制损耗等因素没有 腔内所储的电磁场总能量i c o o w o 皱= 2 万= 丽两丽酾磊酾冻丽砑丽丽匿卜时2 虿匿( 1 - 1 0 ) 其中，形为谐振时腔内所储的电磁场总能量，只为谐振时腔内的损耗功率，只 耦合的能力。因此q 是耦合腔的特性参量，其值只取决于其自身，与外电路特性 4 第一章绪论 1 9 = 土c o o w o + 土c o o w o = 1 q + 1 q ( 1 1 1 ) gqq ”一7 其中，q = 警称为夕慨品质因素o 1 1 3 特性阻抗彘 关的基本参量，称为特性阻抗彘来表征腔口电场强度。 彘：堪 于是定义了一个与损耗无 令 ( 1 - 1 2 ) 氙是相对于腔内储能蜕而言的腔口电场强度的度量。彘只与几何形状有关， 且与频率无关。 1 2 论文结构 第一章为绪论，综合论述了论文的研究背景、意义以及谐振参数的基本概念， 并给出了微波谐振参数的数学表达式。 第二章为谐振参数的检测的方法。本章分析了谐振参数的经典测量方法，简 要地说明了在线检谐振参数测系统的各个组成部分和工作原理，并推导出了谐振 参数测试的数学表达式，这是本文测试计算的理论基础。 第三章为信号源的组成和原理。本章较详细地分析了锁相环信号源的各个组 成部分及其工作原理，并给出了锁相环的数学模型，并说明了环路滤波器的设计 方法。分析了锁相环的噪声来源及抑制方法，并简述了锁相环杂散的抑制。 第四章为信号源的制作。本章对a d f 4 1 5 3p l l 芯片进行了简介，在第三章的 理论基础上，对信号源进行了仿真设计，并对仿真结果进行了分析。绘制电路原 理图，设计p c b 电路板，制作了扫频信号源，并对信号源进行了调试，测试了信 号源的指标。 5 电子科技大学硕士学位论文 第五章为数据的采集与处理部分。本章分析了检波器的原理和各项指标，并 说明了本文中所使用的检波器指标和性能。对数据采集卡进行了简要说明。阐述 了虚拟仪器的应用优势和特点，设计了基于l a b v i e w 的数据采集程序，并对采集 程序进行了简要说明。 第六章为实验结果与误差分析。本章根据前几章的理论和工作，搭建谐振参 数在线检测系统，并对该系统进行了实验测试，说明了测试步程序骤，并对实验 结果进行了评估和误差源分析。 第七章为结论。本章对整篇文章进行总结，提出改良意见和进一步的研究方 向。 1 3 本章小结 本章主要简述了课题研究的背景，说明了课题研究的重要意义，简要说明了 谐振参数的概念和数学表达式，最后说明了本文的结构。 6 第二章诣振参数检测的方法 第二章谐振参数检测的方法 2 1 谐振参数测量的典型方法 对谐振参数的测量方法甚多，典型方法主要有测量线法和反射法扫频测量】。 下面对这两种方法的测量原理进行简要介绍。 2 1 1 测量线法 驻波法测量谐振腔参量的装置示意图如图2 1 所示。 图2 1 驻波法测量谐振腔参量的装置不惹图 在谐振腔的谐振频率石附近逐点改变信号源的频率厂，测量失谐短路面上t 上相应的驻波参量，通过计算，绘出如图2 - 2 ( a ) 所示的电导g 和电纳b 随频率的 变化曲线。根据所得曲线求出谐振腔参量。 谐振频率f o 为图2 - 2 ( a ) q bb ( c o ) = 0 处的相应频率。 q 0 = 2 y g o 瓦d bk ( 2 1 ) 7 电子科技大学硕士学位论文 失谐短路面t 的精确位置难以确定，在工程上，基于上述原理，采用较为简 便的方法。只要测出谐振腔的输入传输线中的驻波比p 随频率厂的变换曲线p ( f ) ， 如图2 - 2 ( b ) 所示，就可由此确定腔的参量。 在图2 - 2 ( b ) 中，驻波比最小值岛所对应的频率即为腔的谐振频率二，因为当 腔谐振时腔内场最强，损耗功率也最大，故反射最小，相应的驻波比也自然最小。 l g b 。 国q ( a ) 电导和电纳随频率的变化( b ) 谐振腔的p ( f ) 曲线 图2 2 测量线法测量谐振参数 对于q 值的测量方法为： 谐振时，失谐短路面上的b ( 厶) = 0 ，则y ( 五) = g 0 ，故谐振点一定在导纳原图 中b = o 线上。偏离谐振频率，驻波比p 就增大，b ( f ) 不再为零。因此可从图2 - 2 ( b ) 中p ( 厂) 曲线求出任一频率如石下的驻波比局，为此在圆图上作p = 届的等肛圆和 等g 圆，其交点的b 值对应于z 的b 。值。这样就逐点求出分别对应于z 、五、石 等频率的蜀、岛、马等，利用这些数据可画出b ( 厂) 曲线，在厂= f o 处取斜率即 始l 万l 厂= f o ，代入式( 2 - 1 ) 口- i 算出q 0 。 w 用测量线法逐点测量腔的参量，其精度主要决定于信号源的频率稳定度和测 量驻波比p 的精度。在待测腔的q 值很高时，要求信号源有很高的频率稳定度。 至少应做到相对频偏( 矽f ) 1 幺，否则p ( f ) 曲线不可能测准；在待测腔的耦 合系数l 或1 时，风值很大，失谐后的p 值更大。故用测量线法测量时要 求测很大的驻波系数，往往要用特殊方法才能测准。 8 2 1 2 反射法扫频测量 在测量线法中，证明了测出p ( f ) 曲线，便可确定腔的全部参数，而p 与反射 系数的模i r ( ) i 之间一一对应的，因此只要测出i r ( 厂) i 曲线或l r ( 厂) 1 2 曲线，就可计 算出谐振参数。 图2 - 3 扫频反射法测量谐振腔谐振参数示意图 图2 3 为扫频法测量谐振腔谐振参数装置示意图。利用比值计及示波器可直接 显示出i i ( 厂) 1 2 曲线，如图2 - 4 所示。 l n一 厂 i 渗 、 心 半功率点 图2 - 4 l r ( 厂) 1 2 曲线 扫频源处于稳幅情况下，入射取样p + 为常数，而反射取样p 一恰与频率有关。 当厂= 五即谐振腔处于谐振时，p 一最小，因此其相应的l r 。1 2 = p - - + 也 4 、，a i 药2 4 中l f o l 2 所对应的频率五即为谐振腔的谐振频率。 在i r ( 厂) i 曲线图中定出相应半功率点位置以获得相应的带宽，然后可按 q = f o 厂计算骁，按0 0 = ( 1 + f 1 ) q l 计算q o 。 电子科技大学硕士学位论文 扫频法操作简便，显示直观快速，用于大量产品的测量课显著提高工作效率， 尤其适于动态测量。 采用扫频反射法测量的缺点是设备复杂且昂贵。测量精度主要取决于精密衰 减器的校刻误差和频率计的误差。 上述两种典型方法测试方法较复杂，人为误差对测试精度影响较大，而且计 算方法较复杂繁琐。不适合目前工业和实验应用中对谐振参数检测系统快速准确 可多次重复的测量要求。 2 2 谐振参数在线检测系统的结构和原理 谐振参数测试系统示意如图2 5 所示。 图2 5 谐振参数测试系统示意图 测试系统的基本工作原理为：计算机输出信号源控制信号，通过控制总线控 制信号源输出特定频率的微波信号，耦合到谐振腔中，引起腔体谐振，数据采集 卡对检波器输出的相对电压幅度进行a d 采样，并将采样结果输送到计算机进行 数据处理。计算机控制程序包括了信号源的扫频控制程序，数据采集与处理框图 程序，谐振参数的计算程序。 本文采用功率传输法测量谐振系统的谐振参数。对于通过式谐振腔，在谐振 腔的谐振频率附近，检波器吸收的通过功率p ( f ) 和谐振腔谐振时的通过功率为 p ( f o ) ( f o 为谐振频率) 存在以下关系7 1 ： 尸( 伽鲁( 2 - 2 ) 1 + 9 2 ( 上一丛) 2 1 j l o 箜三童鲎亟叁麴捡型的直鎏 检波器吸收的通过功率示意图如图2 - 6 所示，图中，厶为谐振腔的谐振频率， 在谐振频率点上，为检波器检测功率峰值。 p u a 图2 - 6 检波器的吸收功率示意图 令谐振腔在谐振点时检波器输出电压值为，则存在下列关系式： v o = v ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 为非线性方程，因此在谐振点附近只需测量三个点的厂和v 值即 ( z ，k ) ，( 五，圪) ，( 六，巧) 可确定出式中的三个参量圪、石和q 。将三个测量点代 入式( 2 3 ) ，可得： v o = k v o = v o = 圪 肛慝霉蔫零擎 ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 电子科技大学硕士学位论文 q = ( 2 8 ) 可得q 值。 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 代入式( 2 4 ) 便可得圪值。以上分析是本文测量谐振参数的 基本理论依据。 2 3 本章小结 本章首先讨论了谐振参数测试的两种典型方法，测量线法和反射扫频测量法。 总结了这两种方法各自的优势和局限性。然后简述了本文的测量系统的组成和测 量原理，并推导了谐振参数计算的数学算法，此为本文的主要理论依据。 1 2 第三章信号源的组成和原理 频率合成是指将一个具有高精度、低噪声和高稳定度等指标的参考频率源经 过混频、倍频或者分频等信号的处理，对信号频率进行加、减、乘和除四则运算， 以此来产生大量具有同样精度和稳定度的频率源。 第一代频率合成技术【8 】，又称直接频率合成技术( d s ，d i r e c ts y n t h e s i s ) ，即 把一个或多个基准频率通过倍频、分频、混频等电路来实现频率的算术运算，最 后合成所需的频率，并用窄带滤波器选出。主要优势是对频率进行直接加减乘除， 频率变换时间短，但由于所需硬件数量较多，谐波难以抑制，不利于集成，且制 作成本相对较高，目前这种方法已很少使用。 第二代频率合成技术，又称锁相频率合成技术，是利用锁相环( p l l ，p h a s e l o c k e dl o o p ) 构成的频率合成器。频率范围宽，分辨率高，广泛应用于现代电子 系统中l g - 1 u 。 p l l 频率合成器按结构可分为三类：模拟锁相环、全数字锁相环和数模混合 的锁相环。常见的组合形式是数字鉴相器、分频器加模拟环路滤波和压控振荡器。 p l l 频率合成器采用负反馈技术来稳定频率，利用锁相环的跟踪特性把v c o 的输 出频率锁定在某个频点上。 p l l 频率合成器合成频率宽、杂散抑制性能良好且输出频谱纯度很高，但切 换速度较低，是目前使用非常广泛的一种频率合成方式。 第三代频率合成技术称为直接数字式频率合成( d d s ，d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 是新兴的数字化频率合成技术。主要由四部分组成：相位累加器、波形存储器、 数模转换器和滤波器。 d d s 频率合成的基本原理是将波形数据存储到存储器中，再通过频率控制字 k 和相位累加器将波形数据从存储器中读取，经过d a 转换和滤波后输出合成频 率。d d s 合成的频率和相位分辨率都很高，电路组成结构简单，且频率捷变能力 强( 纳秒级) ，但尚不能做到宽带，目前最高输出极限频率仅能达到5 g h z 左右。根 据d d s 的工作原理，相位和幅度必然存在量化精度的问题，从而造成输出相位和 幅度的失真，最终导致输出频谱杂散较大，频谱纯度较低。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 本课题对变频速度要求不高，对相位噪声等指标要求较高，故采用锁相环结 构来设计1 8 g 2 2 g h z 的信号源。 3 1p l l 频率合成的原理与组成 锁相：t q t ( p l l p h a s el o c kl o o p ) 由- - 个基本部分组成：鉴相器( p d p h a s e d e t e c t o r ) 、环路滤波器( l p l o o pf i l t e r ) 和压控振荡器( v c o v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 。锁相环的基本组成示意图如图3 1 所示。 图3 - 1 锁相环的基本组成 锁相环的最基本的功能是跟踪输入信号相位，将输出信号相位锁定在输入信 号的相位上。在p l l 中，鉴相器的主要作用是将输出和输入信号的相位进行比较， 即把压控振荡器的输出信号厅与输入参考信号f 的相位相比较，从而产生和相位 差相应的误差电压【l2 1 。输出的误差电压经环路低通滤波器后，误差电压中的高频 分量被滤除掉，经滤波后的直流分量加到压控振荡器后，调节压控振荡器的振荡 频率。环路滤波器除了滤除高频分量外，对系统的稳定性和相位噪声也有非常重 要的影响。受控的v c o 的频率形发生变化，相位必然也发生变化，并向输入的参 考信号频率靠近，直至输出信号与输入信号的相位差保持在稳定值上，从而实现 锁相，此时的v c o 的输出信号也保持在一个稳定值上。 3 1 1 鉴相器 鉴相器本质上是相位比较电路，主要功能是产生与两路输入信号的相位差有 确定关系的输出电压，用鉴相特性来表征这种关系。锁相环中鉴相器的模型如图 3 2 所示。 1 4 图3 2 鉴相器的模型 图中，u ( f ) 与u ( f ) 为输入到鉴相器的两路信号，( f ) 为检测出的相位差转 换成的控制电压，该信号经低通滤波器滤波后，直流分量对压控振荡器的输出频 率进行调制。 鉴相器的两个输入信号，一路设为参考频率源输出的频率为q 的信号，电压 幅值为k ： ( f ) = 杉s i n ( t o r t + q 9 1 )( 3 1 ) 二路设为v c o 输出的振荡频率为q 的信号，电压幅值为圪： v o ( t ) = v oc o s ( c o ，t + 仍)( 3 2 ) 当闭环时，鉴相器输出的控制电压环控制压控振荡器的振荡频率，使其振荡 频率由q 变为吧： v o ( t ) = v oc o s ( c o o t + 呼0 3 )( 3 3 ) 本文中为方便说明，令参考频率源的输入信号l 和压控振荡器的输出信号圪 的初始相位吼= 仍= 0 ，且以q 为信号矿i 和受控后的压控振荡器的输出信号v 。的参 考频率，有 v t = 形s i n t o r t + ( c o , 一c o ) t _ v ts i n t o r t + 仍( t ) ( 3 4 ) v d = v oc o s t o r t + ( c o o c o r ) t 】= v oc o s o ) r t + c p o ( t ) 】( 3 5 ) 公式中，仍( f ) 为输入相位，c p o ( t ) 为输出相位。 输出电压与两个输入信号之间的鉴相特性为： v a ( t ) = 鸣纪( f )( 3 6 ) 式中， 纪( f ) = 仍( f ) 一纪( f ) 称为相位误差，以为鉴相灵敏度，单位：v r a d 。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 式( 3 6 ) 为理想的鉴相器模型，输入误差相位与输出电压之间呈线性关系。当 使用模拟鉴相器进行鉴相时，鉴相特性是正弦鉴相，鉴相器输出的电压o ) 和误 差相位呼o e ( f ) 之间的关系呈非线性关系： v d ( t ) = 以s i n c p e ( t ) = 幺s i n ( c o i 一弦( 3 7 ) 这种情况下，鉴相器输出的电压波形为正弦波，如图3 - 3 ( a ) 所示。当相位差纯 小到一定值时，鉴相器的输出可近似为线性的，即： v d ( t ) = 以纯( f )( 3 - 8 ) j 4 一k | | - 一 i 吼 i 、l 嗣ads i n o - 。 l ( a ) 正弦鉴相特性( b ) 数学模型 图3 - 3 鉴相器的鉴相特性和数学模型 鉴相器的数学模型可由式( 3 7 ) 得出，如图3 - 3 ( b ) 所示，输入的两个信号的相位 是够( f ) 和n p o ( t ) ，输出的电压为v d ( t ) 。 鉴相器的两个重要指标是线性鉴相范围和鉴相灵敏度。 3 1 2 环路滤波器 环路滤波器决定了频率合成器的环路稳定性、相位噪声、杂散抑制以及捷变 频时间等重要的环路参数。对锁相环的瞬时响应、频率特性、锁定时间等都有非 常大的影响。环路滤波器的主要指标有环路带宽、直流增益以及高频增益，这个 是取决于滤波器的类型和滤波器的时间常数。 p l l 中的环路滤波器实质为低通滤波器，主要功能是抑制v c o 的控制电压 u ( f ) 中的噪声和高频分量，平滑波形，稳定环路。 1 6 f ( p ) 2 志 ( 3 1 0 ) r r 一一 ( a ) 简单r c 滤波器 1 7 电子科技大学硕士学位论文 ( c ) 有源比例积分滤波器 图3 - 4 常用的环路滤波器 2 ，无源比例积分滤波器 无源比例积分滤波器如图3 - 4 ( b ) 所示，与简单r c 积分滤波器相比，增加 了一个电阻r 2 ，r 2 与电容串联，可增加一个可调参数。这种滤波器的传输算子为 风们= 嚣 ( 3 - 1 1 ) 式中_ ：( r 1 + r z ) c ，乞= r z c 是两个可调的独立的参数，频率响应为 f ( j c o ) = 告警( 3 - 1 2 ) j 十j 0 3 i 从相频特性上看，当频率很高时，起到相位超前校正的作用，是因为由相位 超前因子1 + j c o r 2 引起的。由于无源比例积分滤波器的这种比例特性和相位超前 特性对环路的稳定性及捕捉性能起着极为有利的作用，所以这种滤波器结构在锁 相环中得到较普遍的应用。 3 ，有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器如图3 4 ( c ) 所示，和无源比例积分滤波器相比，增加了一 个运算放大器。无源滤波器的主要优点是相位噪声良好、结构相对简单和成本低 廉。但由于无源滤波器的增益小于1 ，对从鉴相器中输出的电压没有放大功能。这 对于使用l c 谐振回路的压控振荡器来说，控制电压一般会远远高于5 v ，若使用 无源比例积分滤波器，鉴相器输出的电压达不到控制效果。因此，使用有源滤波 器可以达到比较理想的电压放大值来控制振荡器。 有源比例积分滤波器的传输算子为 ，( p ) = 一4 警( 3 - 1 3 ) 1 8 蓥三童焦曼遂笪缉盛塑匾堡 式中t i = ( 墨+ 么置+ 恐) c ，吃= 恐c 。其中a 是运算放大器无反馈时的电压增 益。若运算放大器反馈增益很高时，其传输算子近似为 f ( p ) ：堡堕 ( 3 1 4 ) p 一 上式中分母只有一个p ，所以高增益的有源比例积分滤波器又称理想积分滤波 器。 有源比例积分滤波器由电阻、电容和直流运算放大器组成，除了具有低通滤 波的作用，它的特点是在通带内具有较大的放大作用。 图3 - 5 ( a ) 所示为二阶有源环路滤波器的标准结构，但在实际工程应用中，为减 少放大器所产生的噪声，要附加一个额外的r c 时间常数，如图3 - 5 0 ) ) 所示，图中 添加了r 3 和c 3 ，这实际上形成了一个三阶环路滤波器。可通过计算或者仿真来 确定r 3 和c 3 的值，这样便能够显著地降低基准边频带噪声，而对环路稳定时间 影响小。 ( a ) 二阶环路滤波器的标准结构( b ) 添加时间常数的二阶环路滤波器 图3 5 环路滤波器 对于图3 - 5 0 ) ) 所示的三阶环路： 定义三个时间常数f 。，砭，乃，有 q = c 2 足( 3 1 5 ) 砭2c 2 尺： ( 3 1 6 ) 吒2c 3 b ( 3 1 7 ) 方程式为 1 9 电子科技大学硕士学位论文 q = k o k o 1 + 2 2 lco；,rz i ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 一t a n + 一 l ：一二堕 ( 3 - 2 2 0 一) l = 一 【j 。 q 式中： 疋一相位检波器在v r a d 内的增益系数； k o 一压控振荡器的增益系数； n _ 一压控振荡器对基准频率的分频比； 蛾一正常环路频率； 。一相位边缘，通常设置为4 5 。 通过以上三式可计算出环路滤波器参数，也可通过仿真软件计算出滤波器的 电阻电容等的值，然后根据实际情况对参数进行修改。 在设计锁相环路滤波器的过程中，为提高v c o 控制电路的频谱纯度，须提高 环路滤波器的截止频率，但这将使控制电路中的噪声和杂散分量抑制情况不佳。 另一方面，要提高环路锁定速度，也需要提高滤波器的截止频率。 另外环路带宽的选择对高、低通型噪声均有影响，窄带环路有利于滤除输入 噪声和环路底噪声，但不利于滤除压控振荡器的噪声，宽带环路的作用正好相反。 因此，环路带宽选取的过宽过窄都不合适，选择最佳的环路带宽，可以使信号总 的输出相位噪声最小 1 3 1 。 所以，在设计锁相环路滤波器的过程中，要考虑多种因素，并做折中处理。 3 1 2 2 最佳环路带宽设计1 4 】 设锁相环的环路带宽为，为了减小低通型相位噪声输出，应尽量减小的 取值；反之，为了减小高通型相位噪声输出，则应尽量加大的取值，这对环路 带宽提出了矛盾的要求，为了使环路总输出相位噪声为最小，必须选择最佳的环 路带宽，设置环路滤波器最佳的电容电阻值。在工程实践中的经验表明，选择环 2 0 上掰 l l 屯 第三章信号源的组成和原理 路带宽c o s 在两噪声源谱密度线的交叉点频率的附近时，可以使锁相环路较接近于 最佳状态，低通的高端频率和高通的低端频率就是环路开环传递函数的带宽 厶( 以= 2 万) 。最佳环路带宽以的选择如图3 - 6 所示。 锁相环的环路部件一旦选定，最佳环路带宽便与日( j ) 和z ( 5 ) 的特性紧密相 关，可见，环路滤波器的参数设置是锁相环路设计的重点0 5 。 纯。o ) 图3 - 6 最佳环路带宽厶的选择 本文中使用的压控振荡器为u m c 公司u m z 3 1 7 d 1 6 型号，调谐电压为 + 1 o v + 1 7 0 v ，因此有必要采用有源环路滤波器才能达到有效的调谐电压值。文 中使用运放l m 2 9 0 4 来达到高输入阻抗、高增益和低输出阻抗的目的。本文采用 如图3 7 所示的四阶有源积分滤波器。 图3 - 7 四阶有源环路滤波器 四阶有源环路滤波器是电荷泵锁相环中比较常见的滤波器类型。电荷泵锁相 环中，锁相环芯片中的电荷泵输出的是电流，且通过接地电阻可调，而调制v c o 是电压量，所以环路滤波器除了滤波外，同时也起到了跨阻的作用，即将控制电 流转换为控制电压。串联电阻r 3 和并联电容c 3 能够起到衰减不需要的杂散的作 用。 2 1 电子科技大学硕士学位论文 需要说明的是，压控振荡器有前级电容，本文中的压控振荡器在调制端存在 i o o p f 的前级电容，这对信号源的后期调试存在影响，应该引起足够的重视。 3 1 3 压控振荡器 压控振荡器是一种输出频率与输入直流控制电压或者电流有确定对应关系 的振荡电路。v c o 的控制特性用输出角频率蛾和输入控制电压“，之间的关系来表 示，如图3 - 8 ( a ) ，有： c o o ( t ) - - - q + a o u ( f )( 3 2 1 ) 上式，q 是当控制电压u 。为零时的自由振荡频率，4 为控制灵敏度( r a d s v ) 在锁相环路中，压控振荡器的输出是作为鉴相器的输入的，但在鉴相器中起 作用的是其瞬时相位，而不是其角频率味。由于相位是频率的积分，即 c 纰( r ) d f = c ot + 4 ：心( f ) d r ( 3 2 2 ) 上式与式( 3 5 ) 可得输出相位纯的表达式： 啪) 2 乞r 啦渺= 鲁嘶) ( 3 - 2 3 ) 式中，1 p 是积分算子，由相位与角频率之间的积分关系形成。压控振荡器输 出相位眈与输入电压圪之间的关系如图3 - 8 ( b ) 所示1 6 1 。 c o o ji c o o 0。 0 u c 氏| p r f 纯 ( a ) 压控振荡器的控制特性 ( b ) 数学模型 图3 - 8压控振荡器控制特性与输入电压数学模型 复三重焦曼遁笪组盛型厘堡 压控振荡器的主要性能指标： 1 ，控制灵敏度 控制灵敏度指单位控制电压引起的输出振荡频率的变化，单位为h z v 。图 3 - 8 ( a ) q b 曲线的斜率即为v c o 的控制灵敏度。v c o 增益越大，大范围调谐的能力 越大，p l l 的环路带宽也越大，环路锁定时间越短。 2 ，频率稳定度 频率稳定度表示压控振荡器工作频率的稳定程度，为频率偏移量和标称频率 的比值。单位为p p m ( p a r tp e r m i l l i o n 百万分比) 。频率稳定度包括电压变换稳定度 和环境温度变化稳定度。 3 ，相位噪声 噪声载波功率电平和边带电平的相对值。 本文中所使用的联电u m c 一3 1 7 d 1 6 型v c o 控制灵敏度为8 0 m h z v ，频率范 围为1 6 0 0 2 7 5 0 m h z ，输出功率在1 8 0 0 2 2 0 0 m h z 范围内为6 8 d b m ，单边带 相噪为1 0 0 d b c h z 1 0 k h z 。 3 1 4 锁相环的数学模型 由以上分析，便可得到锁相环的数学模型，如图3 - 9 所示。 妒八型厂r 、纯鬯 v d 纪 、 夕 a ds i n f ( p ) a o | p 十 一 ji - 由图3 - 9 可得： 图3 - 9 锁相环的数学模型