鎖相環(huán)頻率合成器調(diào)試方法 - 全文

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現(xiàn)，也可采用一個運算放大器。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的兩端施加一個實驗室電源，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。

　　---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)計所獲得的實驗室數(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。

　　---分頻器

　　---● 分頻器能否在期看的頻率上工作?

　　---PLL設(shè)計往往會忽視數(shù)字分頻器的規(guī)格。分頻器的工作狀況一般是良好的，但由于不能始終保持這種良好的工作狀態(tài)，因此PLL有時無法獲得預(yù)期的工作性能。所有的分頻器都具有針對最大輸進(jìn)頻率(FMAX)和最小輸進(jìn)電平的規(guī)格。在一個忽視了FMAX規(guī)格的設(shè)計中，分頻器將“丟失脈沖”。閉環(huán)隨后將檢測出VCO的頻率過低并使調(diào)諧電壓進(jìn)一步走高。分頻器將丟失更多的脈沖，而且，環(huán)路將試圖把VCO提升至一個更高的頻率上。環(huán)路將進(jìn)進(jìn)一個“閉鎖”狀態(tài)，此時，VCO調(diào)諧電壓被保持在正電源電壓上。這里，在工作上輕易使人產(chǎn)生誤解的題目是反饋分頻器不僅必須對VCO的預(yù)期輸出進(jìn)行分頻，而且還必須對VCO在鎖定和解鎖條件下有可能產(chǎn)生的最高頻率進(jìn)行正確的分頻。為了使環(huán)路可靠地運行，在啟動或信道變更時所碰到的瞬變條件不得引發(fā)反饋極性反轉(zhuǎn)。

　　---● VCO的幅度是否足以驅(qū)動分頻器?

　　---反饋分頻器的運作也有一個最小信號幅度要求。應(yīng)確保到達(dá)分頻器的VCO信號電平在VCO的整個頻率范圍內(nèi)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)表所給出的最小值。當(dāng)信號電平過低時，分頻器通常將丟失脈沖，從而使得PLL無法獲得穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操縱。

　　---● 是否采用了正確的數(shù)值對分頻器進(jìn)行編程?

　　---假如分頻器控制寄存器被裝進(jìn)了錯誤的數(shù)值，則PLL將不會產(chǎn)生正確的頻率。在很多接收機(jī)嵌進(jìn)型PLL(尤其是那些采用正交發(fā)生電路的應(yīng)用)中常見的固定一比二分頻器往往會被忽視。最后，由于串行總線上的故障數(shù)據(jù)傳輸?shù)木壒?，PLL控制寄存器有可能被裝進(jìn)錯誤數(shù)據(jù)。設(shè)置于串行總線線路之上、用于對噪聲和干擾控制提供幫助的RC網(wǎng)絡(luò)有可能導(dǎo)致不正確的數(shù)據(jù)傳輸。需要采用一個示波器來確認(rèn)總線定時要求得到滿足，而且被提供至PLL IC引腳的數(shù)據(jù)是有效的。

　　---環(huán)路濾波器

　　---環(huán)路濾波器用于設(shè)定PLL的帶寬、瞬態(tài)響應(yīng)，并對噪聲頻譜進(jìn)行整形。

　　---● 環(huán)路濾波器中是否安裝了正確的元件?

　　---假如安裝了錯誤的元器件，帶寬就有可能過寬，從而導(dǎo)致在PLL輸出端上產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率寄生邊帶。帶寬也有可能過窄，造成VCO相位噪聲充斥輸出頻譜且穩(wěn)定時間過長。假如阻尼因數(shù)過低，則環(huán)路將發(fā)生振蕩。極化濾波電容用具有很高的漏電流，因而會導(dǎo)致環(huán)路持續(xù)地采用大電荷泵脈沖來進(jìn)行校正。這種持續(xù)的校正操縱將使得基準(zhǔn)頻率寄生邊帶比預(yù)想的要大。應(yīng)安裝低漏電電容器(陶瓷、云母、聚合物薄膜電容器)來改善此性能。

　　---● 有源濾波器中的運算放大器是否處于飽和狀態(tài)?

　　---不帶片上電荷泵的PLL將具有用于控制“升壓、降壓”條件的相位檢波器輸出。這些PLL經(jīng)常采用一個有源環(huán)路濾波器。在采用有源環(huán)路濾波器的場合，運算放大器的輸進(jìn)級有可能在每個來自相位-頻率檢波器的校正脈沖上發(fā)生飽和。由于并未對退出這種飽和狀態(tài)做出精確的規(guī)定或控制，因此，環(huán)路動態(tài)性能將無法達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。解決方案是“分離”運算放大器的輸進(jìn)電阻器，并在響應(yīng)中設(shè)置一個極點。這將防止快速脈沖邊沿到達(dá)運算放大器輸進(jìn)端，從而避免發(fā)生脈沖式的飽和現(xiàn)象。必須檢查該附加極點對環(huán)路穩(wěn)定性的影響，由于它將減少設(shè)計的相位余量。

　　---同樣，有些運算放大器輸進(jìn)級也會在上電條件下“改變極性”，從而導(dǎo)致環(huán)路由于過量的正反饋而發(fā)生飽和。這里，解決方案是選擇一個不受上電瞬變條件干擾的運算放大器。

　　---相位-頻率檢波器和電荷泵

　　---相位-頻率檢波器和電荷泵通常是與其他PLL電路集成在一起的，因此，假如它們設(shè)計得過于嚴(yán)格的話，則幾乎沒有應(yīng)付困難情形的余地。所以我們不得不期待著留有一些容錯空間。

　　---大多數(shù)IC中的相位-頻率檢波器其操縱的某些方式都是由寄存器值來設(shè)置的。檢波器的極性可在軟件控制下進(jìn)行設(shè)定，而且，電荷泵電流的大小可以具有多個用戶定義值。

　　---● 相位檢波器的極性設(shè)定正確嗎?

　　---相位檢波器控制答應(yīng)PLL IC在VCO增益為正值或負(fù)值的情況下運行，或?qū)σ粋€有源環(huán)路濾波器中的信號反相進(jìn)行補償。應(yīng)確認(rèn)相位檢波器的極性是正確的，以使其能夠與指定的VCO和環(huán)路濾波器一道運作。假如采用以地電位或電源軌為基準(zhǔn)的控制電壓來使環(huán)路閉鎖，則執(zhí)行一個簡單的位反轉(zhuǎn)或許就是使PLL運行所需完成的全部工作。

　　---● 電荷泵電流是否為期看值?

　　---電荷泵同樣(經(jīng)常)也是由用戶來控制的。這樣很方便，由于它答應(yīng)頻率合成器在一個很寬的調(diào)諧范圍內(nèi)操縱，并可在所關(guān)心的頻帶內(nèi)對PLL的增益變化進(jìn)行校正。如此可在低、中以及高VCO頻率條件下獲得相似的環(huán)路動態(tài)性能和噪聲特性。假如當(dāng)頻率合成器在其頻帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧時電荷泵電流未被改變，則噪聲邊帶和調(diào)諧時間均會發(fā)生變化。假如在一個工作性能良好的PLL中出現(xiàn)上述任何一種癥狀，則表明電荷泵電流可能設(shè)定得過低、過高，或正在進(jìn)行與應(yīng)用不相適合的改變。

　　---印刷電路板

　　---PLL通常需要考慮的最后一個方面便是印刷電路板(PCB)的影響。正如很多RF工程師所熟知的那樣，PCB是系統(tǒng)至關(guān)重要的一個部分，因此正確的設(shè)計準(zhǔn)則是必須遵循的。通常，需在濾波器區(qū)域采用正確的凈化處理工藝清除污染物，改善PLL性能。還須留意：

　　---● VCO調(diào)諧線路是否采取了屏蔽措施?

　　---調(diào)諧電壓非常微小的變化也會使一個高增益VCO產(chǎn)生很大的頻率偏移。VCO調(diào)諧線路具有高阻抗，而且，噪聲會很輕易地耦合至線路上并對VCO進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字信號走線不得布設(shè)在VCO調(diào)諧線路的四周。經(jīng)驗豐富的工程師將會避免在VCO調(diào)諧線路的近旁排布任何信號走線，其目的就是要防止頻率合成器的性能受到任何的影響。對于這種噪聲耦合，PLL的作用的確略有幫助;環(huán)路帶寬內(nèi)的低頻噪聲可由環(huán)路的過量增益來予以校正。

　　---● VCO是否被屏蔽?

　　---VCO的作用相當(dāng)于一個具有增益的窄帶帶通濾波器。任何具有靠近VCO諧振點的頻率內(nèi)容的噪聲都會很輕易地被耦合至VCO并對其進(jìn)行調(diào)制。假如VCO在一個“穩(wěn)固的”晶體振蕩器的某個諧波上進(jìn)行調(diào)諧，則可以預(yù)料，當(dāng)諧波能量被耦合至VCO振蕩回路中時就會產(chǎn)生寄生輸出。

　　結(jié)論

　　---通過對PLL各個部分的了解和評估，設(shè)計工程師能夠迅速地使頻率合成器開始運行。借助本文所提供的技術(shù)和信息，即可對頻率合成器進(jìn)行快速調(diào)試，并隨時對無線電系統(tǒng)進(jìn)行具體的性能評估。

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