CN101931404A

CN101931404A - 基于锁相技术的微波测碳频率合成器

Info

Publication number: CN101931404A
Application number: CN 201010203469
Authority: CN
Inventors: 胡伟东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2010-12-29

Abstract

本发明涉及一种频率合成器，是一种基于锁相技术的微波测碳频率合成器，包括参考频率晶体振荡器、鉴相器、滤波器、压控振荡器、分频器和微处理器；参考频率晶体振荡器的输出接鉴相器的一路输入，压控振荡器的输出经过分频器后作为鉴相器的另一路输入，鉴相器的输出接滤波器的输入，滤波器的输出接压控振荡器的输入，压控振荡器输出稳定的信号频率。通过参考频率信号给鉴相器驱动振荡器精确跟踪所施加的参考频率。滤波器滤除误差电压的高频分量提高环路稳定性。分频器使输出频率为参考频率的倍数，使微波测碳系统的信号源保持高稳定地输出，实现稳定的高精度的在线测量。该发明用于微波测碳系统不仅易于集成化，体积小，功耗低，而且能提供高稳定度、低相位噪声和低杂散射频信号。

Description

基于锁相技术的微波测碳频率合成器

技术领域

本发明涉及一种频率合成器，具体的说是一种用于锅炉飞灰含碳量测量的基于锁相技术的微波测碳频率合成器。

背景技术

微波测碳频率合成器主要用于微波测碳系统中产生稳定的微波频率信号，现有技术中，美国专利US5109201、US5173662都提供了一种微波测碳的传感器装置，通过测量入射功率、反射功率、投射功率和飞灰重量给出飞灰含碳量的测量值；中国专利00240532.6，提出了一种谐振腔传感器，通过测量品质因数Q值来确定飞灰含碳量。中国专利200410026275.9，提出了一种不受煤种变化影响的微波测碳传感器，采用0.3～1.5GHz的电磁波，但没有给出频率合成器的实现方法。实用新型专利ZL200520079395.5和ZL200620078384.X等均是在200410026275.9专利技术的基础上进行改进。上述专利均未提及测碳系统的频率合成器，美国专利未有论述，中国专利则侧重于系统功能实现，对微波测碳仪在实际应用中的重大测量误差没有给出解决方法。

现有专利和产品都采用了开环的压控振荡器，由于压控灵敏度很高，电源的一点纹波就会造成频率输出的抖动，所以频率稳定度和频率精度很差。而对于高Q值的微波谐振腔，带宽很窄，射频信号的不稳定，将导致输入信号能量的衰减，从而影响碳颗粒吸收功率的测量精度，甚至测量正确性。

现有的微波测碳技术都是基于谐振腔的微扰，即谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化发生偏移这一原理，采用微波频率合成器加高Q值的微波谐振腔(同轴谐振腔或者矩形谐振腔)结构，通过测量飞灰中碳颗粒吸收微波功率的大小来确定飞灰的含碳量，而目前微波频率合成器是基于直接频率合成(DS)或者基于压控振荡器来产生射频信号。直接式频率合成其基本原理是利用一个或多个不同频率的晶体振荡器作为参考源，经过一系列混频、倍频、分频及滤波等操作直接产生所需要的射频输出频率，它的缺点在于制作多个具有相同频率稳定度和精度的参考频率源既复杂又困难，成本很高；压控振荡器频率合成器由于是开环结构，也非常容易引起不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的问题，提出一种基于锁相技术的微波测碳频率合成器，可以实现微波测碳系统的高稳定微波频率合成，可以实现的高精度高稳定度低杂散低相位噪声的微波测碳功能。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

基于锁相技术的微波测碳频率合成器，包括参考频率晶体振荡器和反馈环路，参考频率晶体振荡器的输出接反馈环路的输入，反馈环路包括鉴相器、滤波器、压控振荡器、分频器和微处理器；参考频率晶体振荡器的输出接鉴相器的一路输入，用以输出稳定的射频信号，为鉴相器的参考输入信号；压控振荡器的输出经过分频器后作为鉴相器的另一路输入，鉴相器的输出接滤波器的输入，用以比较输出反馈信号与输入信号的相位，并产生输出误差电压，驱动反馈环路的压控振荡器，使压控振荡器精确跟踪所施加的参考频率；滤波器的输出接压控振荡器的输入，用以滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量；压控振荡器把电压转换为频率，输出稳定的信号频率；微处理器接分频器，用以编程实现分频的倍数。

这样，参考频率晶振输出稳定的参考信号频率；鉴相器驱动反馈环路的压控振荡器，使压控振荡器精确跟踪所施加的参考频率。滤波器对正或者负误差信号求积分使之平坦，以提高环路稳定性。反馈路径中包含分频器，使输出频率为参考频率的倍数。分频的倍数由微处理器单片机MCU来编程实现。反馈环路是负反馈控制环路，因此达到均衡时，频率误差信号为零，以便在压控振荡器输出端产生精确且稳定的微波信号。

作为本发明进一步限定的技术方案是：

参考频率晶体振荡器通过另一个分频器接鉴相器，用以将射频信号分频后作为鉴相器的参考输入信号。

参考频率晶体振荡器为温度补偿型晶体振荡器。鉴相器为正弦特性的鉴相器。分频器的频率倍数是整数或小数。滤波器为运算放大器构成有源滤波器。滤波器为为RC积分滤波器、无源比例积分滤波器或有源比例积分滤波器。

分频器的频率倍数N可以是整数，也可以是小数，PLL相应地称为整数N分频PLL或小数N分频PLL。

本发明的有益效果是，采用锁相技术实现微波信号的频率合成，使微波测碳系统的信号源保持高稳定地输出，实现稳定的高精度的在线测量。不仅易于集成化，体积小，功耗低，而且能提供高稳定、低相噪、低杂散的射频信号。

附图说明

图1是本发明的连接框图。

图2是本发明的信号流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的实施框图如图1所示，包括参考频率晶体振荡器1和反馈环路2，参考频率晶体振荡器1的输出接反馈环路2的输入，反馈环路2包括鉴相器、滤波器3、压控振荡器、分频器和微处理器4；参考频率晶体振荡器的输出接鉴相器的一路输入，用以输出稳定的射频信号，为鉴相.器的参考输入信号；压控振荡器的输出经过分频器后作为鉴相器的另一路输入，鉴相器的输出接滤波器的输入，用以比较输出反馈信号与输入信号的相位，并产生输出误差电压，驱动反馈环路的压控振荡器，使压控振荡器精确跟踪所施加的参考频率；滤波器的输出接压控振荡器的输入，用以滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量；压控振荡器把电压转换为频率，输出稳定的信号频率；微处理器4接分频器，用以编程实现分频的倍数。参考频率晶体振荡器1还可以通过另一个分频器接鉴相器，用以将射频信号分频后作为鉴相器的参考输入信号。

参考频率晶振1(TXCO)输出稳定的参考信号频率；反馈环路2中相位比较器或鉴相器驱动反馈环路的VCO，使振荡器(或相位)精确跟踪所施加的参考频率。滤波电路3对正或者负误差信号求积分使之平坦，以提高环路稳定性。反馈路径中常包含分频器，使输出频率(VCO的范围内)为参考频率的倍数。分频器的频率倍数N可以是整数，也可以是小数，PLL相应地称为整数N分频PLL或小数N分频PLL。分频的倍数由微处理器4单片机MCU来编程实现。PLL是负反馈控制环路，因此达到均衡时，频率误差信号必须为零，以便在VCO输出端产生精确且稳定的微波信号。

本实施例的基于锁相技术的微波测碳频率合成器信号流程如图2所示，F_R为参考信号频率，一般由高稳定度和高频谱纯度的晶振来提供，F_o为环路输出的信号频率，R和N为可编程分频器。F_R经过R分频后作为鉴.相器的参考输入信号，F_o经过N分频后作为鉴相器的另一路输入信号，在环路锁定的情况下，F_o/N将锁定到F_R/R频率上，所以有：

F_o/N＝F_R/R

即：F_o＝F_R·N/R。

通过设置合适的R和N值，便可以得到具有较高性能的信号频率。

1、参考频率晶振：稳定、精确的基准频率，RF输出将锁相于该频率；通常源于晶振或温度控制晶体振荡器(TCXO)由于PLL是负反馈的频率合成器，输出频率是输入参考的整数或者小数倍，同时，当环路锁定时，才能输出稳定的射频信号。所以要求参考输入也稳定。

一般选用晶振的具体要求如下：

波形：可以是正弦波，也可以是方波；

功率：满足参考输入灵敏度的要求；

稳定性：通常用TCXO，稳定性要求＜2ppm，几种参考的稳定性指标和相位噪声指标如下表所示：

表1

名称	频率范围(MHz)	频率稳定度(ppm)	相位噪声dBc/Hz@10kHz	价格
					普通晶体振荡器SPXO	1～100	+/-10～+/-100		低
压控晶体振荡器VCXO	1～60	+/-1～+/-50
					温度补偿晶体振荡器TCXO	1-60	+/-0.1～+/-5
压控振荡器VCO	宽		-110
					恒温控制晶体振荡器OCXO	10～20	0.0005～0.01	-150，-120@10Hz	非常高

频率范围：满足最小的参考输入的频率范围。

在PLL频率合成器设计中，推荐使用温度补偿型晶振(TCXO)，其稳定性能好，且性价比高。

2、鉴相器是一个相位比较装置，它能够比较输出反馈信号与输入信号的相位，并产生输出误差电压v_d(t)，它是相位误差θ_e(t)的函数，即v_d(t)＝K_psin(θ_e(t))。其中函数f(θ_e(t))称为鉴相特性。鉴相特性有多种形式，如正弦特性，三角特性，锯齿特性等，作为原理分析，通常使用正弦特性的鉴相器，理由是正弦理论比较成熟，分析简单方便，实际上各种鉴相特性，当信噪比降低时，在小信号工作时，都趋向于正弦特性。可以用模拟乘法器和低通滤波器作为具有正弦特性的鉴相器。

鉴频鉴相器PFD有两种，一种是电压型PFD，输出的是电压。另一种是电荷泵型的PFD，输出的是电流。现在主要应用的是电荷型泵的PFD，它有设计环路滤波器简单、噪声小、捕捉范围大等优点。

正弦鉴相器的数学模型为：

v_i(t)＝V_isin(ω₀t+θ_i(t))

v₀(t)＝V₀sin(ω₀t+θ₀(t))

θ_e(t)＝θ_i(t)-θ₀(t)

v_d(t)＝K_psin(θ_e(t))

其中K_p＝K_mV_iV₀/2，即为正弦鉴相特性。当环路进入锁定时，相位误差很小，有sin(θ_e(t))≈θ_e(t)。此时，鉴相器输出的误差电压v_d(t)正比于相位误差θ_e(t)，即成线性关系。

3、环路滤波器是个线性低通滤波器，滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量，起到平滑滤波的作用，以使环路稳定，改善环路跟踪性能和相位噪声性能。它是个非常重要的部件，对环路参数调整起着决定性的作用，同时对环路的各项性能指标都有重要的影响。通常由RC元件组成的无源滤波器，在宽带的PLL中一般便用运算放大器构成有源滤波器，以满足驱动VCO的要求。常见的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器以及有源比例积分滤波器。

4、压控振荡器是把电压转换为频率的装置，它的振荡频率随着输入控制电压线性地变化，即：

ω_v(t)＝ω₀+K₀v_c(t)

其中ω_v(t)是VCO的瞬时角频率；ω₀是VCO的中心振荡频率；K₀为压控振荡器的压控灵敏度。

实际应用中的压控振荡器的控制特性只在有限的线性控制范围内，超出这个范围后，压控灵敏度将会下降。对式上式两边积分，再Laulace变换得到压控振荡器的传递函数可表示为：

θ_e(s)＝K₀v_e(s)/s

该表达式有一个积分因子1/s，这是相位和角频率之间的积分关系形成的。这是积分作用是VCO固有的，通常称压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节。这个积分作用在环路中起着相当重要的作用。

5、微处理器。随着科技的发展，小型化，集成化的高性能PLL代替有源滤波器与高压VCO组合。这种情况下，VCO集成在芯片内。在极小的面积上面实现非常高的集成度。同时也能满足在高指标的要求下的高频率射频信号的合成。高度集成化的PLL多为功能强大的输出射频信号可编程控制，这样可以在硬件条件不变的基础上，只要调整软件即可实现输出频率的微调，可以弥补由于硬件工艺加工造成的谐振频率的误差。

本发明主要用于监测火电厂和城市集中供热燃煤锅炉中煤粉燃烧以后生成的灰中尚未燃尽的碳的百分数(称为“飞灰含碳量”)，根据飞灰含碳量监测系统给出的数据及时适当地采取控制给煤粉量和调节鼓风等措施使飞灰含碳量尽可能保持在较低的数值，达到节煤降耗，提高锅炉效率的目标。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：包括参考频率晶体振荡器和反馈环路，所述参考频率晶体振荡器的输出接反馈环路的输入，所述反馈环路包括鉴相器、滤波器、压控振荡器、分频器和微处理器；

所述参考频率晶体振荡器的输出接鉴相器的一路输入，用以输出稳定的射频信号，为鉴相器的参考输入信号；

所述压控振荡器的输出经过所述分频器后作为所述鉴相器的另一路输入，所述鉴相器的输出接滤波器的输入，用以比较输出反馈信号与输入信号的相位，并产生输出误差电压，驱动反馈环路的压控振荡器，使压控振荡器精确跟踪所施加的参考频率；

所述滤波器的输出接压控振荡器的输入，用以滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量；

所述压控振荡器是把电压转换为频率，输出稳定的信号频率；

所述微处理器接分频器，用以编程实现分频的倍数。

2.如权利要求1所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述参考频率晶体振荡器通过另一个分频器接鉴相器，用以将射频信号分频后作为鉴相器的参考输入信号。

3.如权利要求1所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述参考频率晶体振荡器为温度补偿型晶体振荡器。

4.如权利要求1所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述鉴相器为正弦特性的鉴相器。

5.如权利要求1所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述分频器的频率倍数是整数或小数。

6.如权利要求1所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述滤波器为运算放大器构成有源滤波器。

7.如权利要求6所述的基于锁相技术的微波测碳频率合成器，其特征在于：所述滤波器为为RC积分滤波器、无源比例积分滤波器或有源比例积分滤波器。