鎖相環(huán)頻率合成器調(diào)試方法

PLL概述

　　---簡單的PLL由頻率基準(zhǔn)、相位檢波器、電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(VCO)組成?；赑LL技術(shù)的頻率合成器將增加兩個分頻器：一個用于降低基準(zhǔn)頻率，另一個則用于對VCO進(jìn)行分頻。而且，將相位檢波器和電荷泵組合在一個功能塊中也很輕易，以便進(jìn)行分析。簡單的PLL上所增設(shè)的這些數(shù)字分頻器電路實(shí)現(xiàn)了工作頻率的輕松調(diào)節(jié)。處理器將簡單地把一個新的分頻值“寫進(jìn)”到位于PLL中的寄存器中，更新VCO的工作頻率，并由此改變無線設(shè)備的工作信道。

PLL工作原理

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　　---PLL是作為閉環(huán)控制系統(tǒng)工作，用于比較基準(zhǔn)信號與VCO的相位。增設(shè)基準(zhǔn)和反饋分頻器的頻率合成器負(fù)責(zé)比較兩個由分頻器的設(shè)定值調(diào)節(jié)相位。該相位比較在相位檢波器中完成，在大多數(shù)系統(tǒng)中，這種相位檢波器是一個相位和頻率檢波器。該相位-頻率檢波器天生一個誤差電壓，此誤差電壓在±2π的相位誤差范圍內(nèi)近似為線性，并在誤差大于±2π的情況下保持恒定。相位-頻率比較器所采用的這種雙模式操縱可天生針對大頻率誤差(比如，當(dāng)PLL在上電期間起動時)的較快的PLL鎖定時間，并避免被鎖定于諧波之上。

---VCO利用調(diào)諧電壓天生一個頻率。VCO可以是模塊、IC，也可由分立元件來制成。圖2示出了一個位于MAX2361發(fā)送器IC內(nèi)部的、采用有源元件制作的VCO。諧振回路和變?nèi)?a target="_blank">二極管是外置的，使得設(shè)計工程師能夠?qū)F(中頻)LO(本機(jī)振蕩器)進(jìn)行獨(dú)特的規(guī)定，以便對特定的無線電頻率方案提供支持。

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　　---環(huán)路濾波器對由相位-頻率檢波器的電荷泵所產(chǎn)生的電流脈沖進(jìn)行積分，以天生施加于VCO的調(diào)諧電壓。傳統(tǒng)的做法是使來自環(huán)路濾波器的調(diào)諧電壓升高(變?yōu)楦蟮恼?，以使VCO的相位超前并進(jìn)步VCO的頻率。環(huán)路濾波器可以采用諸如電阻器和電容器等無源元件來實(shí)現(xiàn)，也可采用一個運(yùn)算放大器。環(huán)路濾波器的時間常數(shù)以及VCO、相位檢波器和分頻器的增益將設(shè)定PLL帶寬。PLL帶寬決定了瞬態(tài)響應(yīng)、基準(zhǔn)寄生電平和噪聲濾波特性。在PLL帶寬之內(nèi)，頻率合成器輸出端上的相位噪聲主要是相位檢波器相位噪聲;而在PLL帶寬之外，輸出相位噪聲則主要源自VCO相位噪聲。

　　---頻率合成器PLL基準(zhǔn)輸進(jìn)是一個穩(wěn)定、無干擾的恒定頻率信號。在大多數(shù)無線電設(shè)備中都采用了某種形式的晶體振蕩器，原因是其相位噪聲非常低，而且其頻率穩(wěn)定并進(jìn)行了精確的規(guī)定。PLL將對該基準(zhǔn)進(jìn)行分頻，以提供一個用于相位-頻率檢波器的較低頻率。這一較低的頻率將設(shè)定用于檢波器的比較率，并通過使反饋分頻器設(shè)定值以“1”的幅度遞增的方法來設(shè)立可行的最小頻率步進(jìn)。這變成了合成器的頻率分辨率(即頻率步長)，它應(yīng)該即是或小于正在設(shè)計之中的無線電系統(tǒng)的信道間隔。利用由反饋分頻器按比例縮小的VCO的輸出，相位檢波器和環(huán)路濾波器天生了一個調(diào)諧電壓?；谏鲜稣f明，VCO的工作頻率為：

　　--- 例如，若基準(zhǔn)頻率為20MHz，且基準(zhǔn)分頻器值為2000，則一個88103的反饋分頻器設(shè)定值將產(chǎn)生一個如下的VCO頻率：

　　---(20MHz/2000)×88103=881.03 MHz

　　---由于比較頻率為10kHz，因此，使反饋分頻器設(shè)定值增加1(即變?yōu)?8104)將產(chǎn)生一個數(shù)值為881.04MHz的VCO頻率。

　　---該頻率合成器將基準(zhǔn)頻率倍頻至UHF波段。采用這種PLL倍頻法會引發(fā)一個不良的后果，即環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲有所增加。在環(huán)路帶寬內(nèi)，PLL噪聲層的增幅為20log(N)。在上文所述的場合中，相位噪聲將增加20log(88103) = 98.89dB!這就是基準(zhǔn)振蕩器必須非常干凈的原因。環(huán)路的動作將使噪聲層增加100dB左右，所以，假如想獲得滿足當(dāng)今無線電通訊需要的足夠輸出質(zhì)量，就必須采用高Q值晶體振蕩器。

　　使PLL正常運(yùn)作

　　---VCO部分

　　---由于VCO由PLL頻率合成器來天生信號輸出，所以PLL的盡大部分性能都是由它決定的。假如VCO未能正確地運(yùn)作，則很多性能參數(shù)都將受到影響。在調(diào)試階段的初期應(yīng)對VCO進(jìn)行測試，以確保其提供預(yù)定的頻率范圍、增益和輸出電平。假如只是想測試VCO，則需對PLL進(jìn)行修正，以取消閉環(huán)控制?！皵嚅_”環(huán)路的一種常用方法是使R3開路(見圖2)，并在C4的兩端施加一個實(shí)驗(yàn)室電源，這樣就使得VCO調(diào)諧電壓能夠在期看的范圍內(nèi)改變。當(dāng)調(diào)諧電壓改變時，應(yīng)在一個頻率計數(shù)器(或頻譜分析儀)上監(jiān)視VCO的工作頻率。記錄若干調(diào)諧電壓設(shè)定值條件下的VCO工作頻率。

　　---● VCO是否位于正確的頻率上?

　　---利用由上述的簡單測試所獲得的數(shù)據(jù)，您將可以對VCO能否工作于期看的頻率之上做出快速評估。假如VCO產(chǎn)生一個位于183MHz頻率之上IF LO(中頻本機(jī)振蕩器)，而測試中所記錄的最低頻率為187MHz，則PLL將無法進(jìn)行正確的相位鎖定。為了對該條件進(jìn)行校正，應(yīng)核實(shí)VCO振蕩回路中的所有諧振元件均具有所需的參數(shù)值。例如，若諧振電路電感器L1(見圖2)過小，則諧振頻率將被提升。

　　---應(yīng)始終牢記用于描述一個簡單的LC諧振電路的諧振頻率的方程式：

　　Fres為諧振頻率(單位：Hz)。

　　---L為電感值(單位：H)。

　　--- C為電容值(單位：F)。

　　---● 是否安裝了正確的元器件?

　　---電抗元件的尺寸非常之小，以致于無法印上可見標(biāo)簽。這就意味著VCO當(dāng)中的元件的最為輕易的測試方法是采用已知數(shù)值的元件來進(jìn)行替換。由于第一塊電路板的組裝可能是手工完成的，因此很有可能在PCB上焊接了參數(shù)值不正確的元件。可根據(jù)需要來替換振蕩回路中的元件，以使VCO頻率接近期看的工作點(diǎn)。

　　---您可以按照表1所述對VCO進(jìn)行校正，但PLL仍然有可能出現(xiàn)題目。假如VCO的調(diào)諧增益與計算環(huán)路濾波元件參數(shù)值時所采用的數(shù)值相差較大，則環(huán)路有可能發(fā)生振蕩。在圖3中，應(yīng)留意的是由原型設(shè)計所獲得的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)繪制的曲線的斜率。反饋環(huán)路穩(wěn)定性的獲得要求環(huán)路增益位于特定的范圍內(nèi)。假如VCO處于正確的頻率之上但增益誤差較大，則環(huán)路本身將發(fā)生振蕩并導(dǎo)致VCO在眾多的頻率上被調(diào)制。在開環(huán)條件下使用您的VCO數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證環(huán)路增益接近您的設(shè)計目標(biāo)值。假如VCO的調(diào)諧增益過高，則變?nèi)荻O管將被過于緊密地耦合至諧振電路。應(yīng)確認(rèn)安裝了正確的變?nèi)荻O管。將變?nèi)荻O管耦合至振蕩回路的電容器(圖2中的C2和C3)可能數(shù)值過大。反過來，假如VCO調(diào)諧增益較低，則或許需要增大C2和C3的數(shù)值。