CN1016036B - 一种迅速、低噪声锁相回路装置 - Google Patents

Abstract

一种将信号的频率和相位锁定在锁相型外加信号的相位和频率上的装置，它包括一个调制器，该调制器将频率与来自一个振荡器的参考信号的频率成正比的信号与参考信号混频，混频后的信号的低频分量(由一个积分器取出)永久性地加到该振荡器上，加在较低灵敏度的输入端，为了精确地调整，同时低频分量通过由窗式比较器控制的开关接到包括一存贮单元和一个放大器的高速回路。高速回路连接到较高灵敏度的输入端。高速回路仅在调定期间起作用，将振荡器的控制电压返回到接近最佳值，最佳化是由固定连接的回路提供的。

Description

本发明涉及一种快速、低噪声地将一信号的频率和相位锁定于一个外加信号的频率和相位，即锁相回路装置。本装置特别适用于用作调频无线电发送器中的导频振荡器，或者用于恢复（重现）对数字化数据发送进行定时的时钟信号。例如它可以用在地震数据的发送系统中。

进一步详细了解可结合附图1。一般的锁相回路包括一其振荡频率f作为参考基准的石英振荡器。

该振荡器的信号例如加到一单元上，该单元以一固定的或可调的系数M等分它的频率。分频后的信号由一调制器使之与另一信号混合，这后一次信号的频率是从一可调节频率的振荡器如电压控制振荡器（VCO）来的信号的频率的若干分之一（一个给定的比例N）。从调制器输出的是被第一或第二阶滤波器滤掉它的高频分量后的低频分量，这低频分量加到振荡器（VCO）的控制输入端，这一回路有一特性，它可以将来自振荡器（VCO）的信号频率锁定在与参考振荡器的频率f_R成正比的频率f_S上，比值等于N/M。人们都知道，这种回路的调整或锁定时间是与积分滤波器的时间常数成正比变化，与以系数Kvco为其特征的回路增益成反比变化的。此系数表示压控振荡器（VCO）的频率变化和引起这一变化的控制电压的比值，并用每伏千赫兹或兆赫兹（KHZ/V或MHZ/V）表示。

这种锁定回路的特征在于它的相位“噪声”，相位噪声指的是在调定（建立）回路后在控制振荡器输出端信号相位的波动，测得的相位噪声通常与来自控制振荡器的信号频率f_S和参考信号频率之 比值成正比，与在反馈（伺服）回路中的滤波器的响应时间成反比变化。因为回路的锁定速度直接取决于此响应时间，由此可见要调和高锁定速度和低相位噪声的矛盾是较困难的。

日本专利60249429中描述了一个锁相回路，其中由VCO型振荡器发出的频率是由包括两个时间常数互不相同的低通滤波器的一个伺服回路进行调节的。一个由选择器控制的开关使得在重新设定后频率接近调谐时能连续完成从最快到最慢的衔接。

本发明的装置能使信号的频率及相位取决于来自参考振荡器的外加信号的频率（或相位），并具有一个很短的响应时间和一个很低的相位噪声。它包括一个控制振荡器，它的频率能通过所加控制电压和一反馈（或伺服）回路进行变化，该反馈回路能使控制电压达到最佳值，从而能稳定随动振荡器的频率，此回路的相位噪声和响应速度都较低。

本发明的装置包括与永久连接的第一伺服回路并联连接的第二伺服回路，它产生的振荡频率的变化比由第一回路引起的变化快得多;此外还包括一个控制装置，当加到随动振荡器的控制电压与最佳值之间的差大于一给定的阀值时，会间歇地闭合第二回路，第二回路包括电压记忆装置（存诸装置）。

因为第一伺服回路是永久闭合的，所以在两个不同的回路转换（开关）时本来可能出现的频率漂移和暂态过程得以避免。

第一回路的连接装置包括：一个提供振幅选得比电压比较器的电压穴窗宽度小的调制信号的装置。本装置的第二高速回路只间歇地起作用，因此当调制信号的振幅保持在电压比较器的固定的范围以内时，本装置的结构能够在不影响工作稳定性条件下将调制频带朝低频处加宽。

用来间歇地闭合第二回路的控制器包括：例如，由一个将控制电压和参考电压进行比较的电压比较器控制的开关装置。

随动频率振荡器最好选择得由同一控制电压的变化所产生振荡频率的变化的比值，当控制电压由第二（返馈或伺服）回路提供时，比控制电压由第一回路提供时大得多。

下面通过一对本发明不起限制作用而仅作为举例说明用的一个实施例，参照附图所进行的描述，将使本发明装置的其它特征和优点变得更为清楚。

图1示意地表示一已有的频率控制装置;

图2表示本发明装置的方框图;

图3示意地表示用电容器改善它的振荡频率的一随动振荡器;

图4是通过第二回路加到电容器的控制电压的一定变化所产生的振荡频率偏差的曲线图;

图5表示由第一回路驱动的电容的频率偏差曲线图。

人们对由一单个伺服回路组成的相位或频率锁定装置是比较熟悉的，例如由图1所示这种装置。这已知的装置包括一其频率fs能随所加控制电压（例如VCO型的电压）变化的随动振荡器1，和由石英3决定的、参考（基准）频率为f为参考（基准）振荡器2。两个振荡器1和2的信号分别加到分频单元4和5上，前者的分频系数为M（除以M），后者的分频系数是N（除以N）。从两个分频器单元4，5出来的频率f_S/N和f_R/M的信号加到一调制器6。所得信号的低频分量Vc由一阶或二阶低通滤波器7取出并作为改变从随动振荡器1发出的信号的频率的控制电压。锁定回路后，这频率f_S等于f_R·N/M。

回路的调节（或锁定）速度反比于滤波器的时间常数正比于由下式定义的系数Kvco。

Kvco＝ (△fs)/(△Vc)

其中△fs表示当控制电压按一给定值△Vc变化时随动振荡器1的 频率变化。相反，相位噪声与滤波器时间常数成正比而与上述定义的系数Kvco成反比变化。因此，这样一个回路的相位噪声的减少只能以锁定速度的减小为代价才能得到。

图2是本发明的一个实施例。图中和图1中相同的单元用相同的编号1至6表示。

从调制器6出来的信号加到积分时间常数选得较大的积分器8上。从积分器出来的信号Vc1由接线9加到随动振荡器1的第一控制输入端Ec1上。

随动振荡器1是人们所熟悉的那种振荡器，它包括：例如图3，一个振荡电路10，它通过电容CL1连到变容二极管11上。通过第一输入端Ec1，可将控制电压Vc1加到能使其变电容量的二极管11上。第二电容CL2也接到振荡器10上，二极管12也是变容二极管，它由加到输入端Ec2的第二控制电压Vc2进行控制。对二极管11、12和电容CL1、CL2进行选择使得对应于输入端Ec1的系数Kvco比对应于另一输入端Ec2的系数Kvco小得多。这可从图4和图5的曲线得到解释，图4和图5表示由加到输入端Ec2的控制电压的同一△V引起的振荡频率的偏差△F_R比由输入端Ec1的作用而得到的相应偏差△F大得多。

积分器8的输出（图2）通过电子开关12连到积分时间常数比前述的8小得多的第二积分器13，积分器13通过反相放大器14连到随动振荡器11的第二输入端Ec2。

电子开关12由窗式比较器15驱动，一稳定的参考电压Vf加到比较器15上，比较器15将积分器8的输出电压和这参考电压相比较，当它的值落在以参考电压Vfm为中心的给定、但可以调节的电压范围或窗口宽度df以外时，比较器15就使开关12闭合，当它的值超过Vfm的高阀值或低阀值时，它就使开关12断开，结果是稳定了积分器13的输出端的电压，后者相当于一存贮器。连到接线 9的一个单元16提供一外来的调制电压Em以便对出自随动振荡器1的信号Vs的频率进行调制，此调制不影响锁定，这是因为积分器8的相对较高的时间常数和因为“高速度”回路的窗式比较器的滞后作用，使信号fs的频率和相位的偏差df的调节成为可能。

参考电压Vfm选择得接近控制电压的值，该控制电压确保随动振荡器的稳定性从而使低速回路总能工作在变容二极管11（输入端Ecl）的电容/电压特性曲线的线性区域内。为了得到合成信号的某一定程度的调制，不再需要去使由单元16产生的调制信号的振幅适应其频率。调制因此变得更为容易，由于第二回路连到系数Kvco是最大的振荡器的输入端Ec2和由于放大器14的增益，随动振荡器1的控制电压很快展开直到它接近锁定的最佳电压，它使积分器的电压回到比较器15的“窗口”的范围内。当断开由比较器15触发的开关12，加到输入端Ec2的电压得到稳定，高速回路不再作用。此时由最慢回路用控制电压的小的变化来得到频率的调节直到它接近锁定的最佳值。高速回路的相位噪声仅仅在频率或相位调定的短暂时间间隔期间增加。在整个调定时间期间，只有慢回路的噪声存在。

因此就得到了高锁定速度和低相位噪声的优良性能。

为了改进本发明装置的特性，可对几个参数进行调整，例如：

比值：Kvco/Kvco

比值：df/△VCOL

其中△VCOL是最慢回路的电压变化范围，df是比较器15的“窗口”的宽度，或者：积分器8和13的各自的积分常数的比值。

用于积分器13的存贮电容器要选择漏电流较少的使存贮的电压在开关12断开的时间间隔期间保持不变，以便在随动振荡器1调定后尽可能多地限制高速回路的新的作用。

本发明装置特别可用于调频无线电的收发机中，例如在地震数 据传送系统的中心控制、记录实验室和不同收集盒之间进行通信联系的收发机中。

与已有技术的单个回路伺服电路相比，它能加宽调制频谱的低频部分的通频带，能较精确地确定将调制频率供给随动振荡器的单元的工作点，它提高了锁定速度，无论它在其中的工作的频带宽度多少。

本发明装置也可用在数字传输系统例如用于重现一个有相同频率和相同相位通过线路作为数字信号传送的信号。特别适用于时钟信号。

Claims (7)

1、一种快速并低噪声地将信号频率锁定到来自参考振荡器外加信号频率的装置，该装置包括其振荡频率能用控制电压进行改变的随动振荡器，其特征在于，还包括能使控制电压返回到最佳值以稳定随动振荡器频率的第一反馈回路，上述第一回路固有的相位噪声和它的响应速度较低，装置还包括，和永久地闭合着的第一反馈回路并联的第二反馈回路，它引起随动振荡器的振荡频率变化的速度比由第一回路引起的快得多，当供给随动振荡器的控制电压和上述最佳值电压之间的差值大于给定的阀值时就间断地闭合上述第二回路，上述第二回路包括电压存贮器(记忆)装置。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括一个提供一其振幅选得比上述电压差小的调制信号的单元。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于其中上述间断地闭合上述第二回路的控制器包括由比较控制电压和参考电压的电压比较器控制的开关装置。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于其中上述随动频率振荡器选择成其由同一控制电压的变化产生的振荡频率的变化的比值，当控制电压由第二反馈回路提供时，比控制电压由第一反馈回路提供时大得多。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于包括将频率取决于来自随动振荡器的信号频率的信号和另一频率取决于来自参考振荡器的信号的频率的信号进行混合的调制器，及取出来自上述调制器的信号的低频信号分量的滤波器，其中上述随动振荡器包括与一个改变它的振荡频率的控制组件相连的振荡器单元，该控制组件包括对一定的控制电压的变化产生较低的频率转移的第一电容装置和在同样的控制电压的变化下产生的频率转移比第一电容为高的第二电容装置，上述第一回路和上述第二回路分别连到第一电容装置和上述第二电容装置。

6、按权利要求5所述的装置，其特征在于其中上述第一回路包括把滤波器和上述第一电容器装置相连的连接器，上述第二回路的存贮器有一个通过开关和上述滤波器相连的输入端和连到上述第二电容器装置的输出端。

7、按权利要求6所述的装置，其特征在于其中上述存贮器包括一个低时间常数的积分器。

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