YTO自校準(zhǔn)技術(shù)在鎖相環(huán)路中的應(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。

　　該方案中，首先要完成高精度實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行采樣，具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖4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)頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)被取出，經(jīng)過(guò)比例變換，即可得到疊加于主振預(yù)置電路的△Data數(shù)值。
　　△Data=k×Data
　　那么，最終主振預(yù)置數(shù)據(jù)為：
　　DATA= Data中心頻率＋△Data，其中，Data中心頻率為本次補(bǔ)償前該頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的預(yù)置數(shù)據(jù)。

　　在主振預(yù)置電路D/A部分，為了照顧2-20GHz全頻段能有較為精細(xì)的預(yù)置分辨率，并且滿足△Data插值需要，在此選擇了14位D/A轉(zhuǎn)換器，使用時(shí)在數(shù)據(jù)范圍0～16383兩端預(yù)留一定的插值空間，電路如圖6所示。

　　該電壓加到低頻驅(qū)動(dòng)電路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的預(yù)置補(bǔ)償。

4 應(yīng)用分析

　　對(duì)于不同批次的YTO，其非線性特性不盡相同，而對(duì)應(yīng)于不同的驅(qū)動(dòng)電路，提供的線性驅(qū)動(dòng)電壓準(zhǔn)確度也有區(qū)別，因此，針對(duì)全頻段的預(yù)置誤差實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)淖孕?zhǔn)技術(shù)，很好地彌補(bǔ)了這種不同個(gè)體間的差異性，省卻了逐一測(cè)試預(yù)置頻率誤差的麻煩；而采取在主振預(yù)置電路疊加誤差數(shù)據(jù)的補(bǔ)償方式，使外加硬件補(bǔ)償電路并非必需，從而節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，調(diào)試起來(lái)也更加方便。

　　一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際調(diào)試中可以通過(guò)預(yù)調(diào)合適的線性驅(qū)動(dòng)電壓，使YTO初始化預(yù)置頻率在環(huán)路的捕獲帶寬以內(nèi)，達(dá)到一次掃描過(guò)程中的初始鎖定狀態(tài)。由于同步帶寬遠(yuǎn)大于捕獲帶寬，那么鎖住起始點(diǎn)后，在鎖定狀態(tài)下向后搜索相鄰的校準(zhǔn)點(diǎn)，將允許在更大的預(yù)置誤差下獲取補(bǔ)償數(shù)據(jù)。因此，理論上講，一次掃描就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)YTO在全頻段內(nèi)的校準(zhǔn)。當(dāng)然，實(shí)際工程應(yīng)用中，為了防止漂移，還可通過(guò)設(shè)置合理的誤差門(mén)限范圍，進(jìn)行幾次循環(huán)補(bǔ)償，使預(yù)置更加精準(zhǔn)。

　　另外，由于YTO預(yù)置的漸變性，校準(zhǔn)過(guò)程中可以利用當(dāng)前頻率點(diǎn)的誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)作為相鄰頻率點(diǎn)的預(yù)補(bǔ)償，將進(jìn)一步降低了搜索下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)的失鎖危險(xiǎn)，也是快速完成該校準(zhǔn)過(guò)程的技巧之一。

5 結(jié)論

　　針對(duì)YTO的預(yù)置特性，可以設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)機(jī)制，即時(shí)需要即時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償，體現(xiàn)了整機(jī)在不同環(huán)境下的靈活適應(yīng)性。

　　這種環(huán)路自校準(zhǔn)技術(shù)也可以延伸到功率補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用方面。有效設(shè)計(jì)A/D、存儲(chǔ)器及D/A轉(zhuǎn)換電路，提高采樣及補(bǔ)償?shù)乃俣群途龋墒惯@種補(bǔ)償方式有更廣闊的利用空間。