CN102710257B - 一种对频率锁定的方法、一种压控振荡器以及频率产生单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对频率锁定的方法，包括：控制单元生成目的振荡频率对应的辅助控制电压，将辅助控制电压输入至本发明提供的压控振荡器；环路滤波器将控制电压输入至所述压控振荡器；所述辅助控制电压使得选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2；C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。当辅助控制电压设计合理时，使得输出的频率改变一定时，控制电压变化的差值很小，从而实现了对频率更快的锁定速度。本发明还提供了一种压控振荡器和频率产生单元。

Description

一种对频率锁定的方法、一种压控振荡器以及频率产生单元

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种对频率锁定的方法、一种压控振荡器以及频率产生单元。

背景技术

频率产生单元在现代通信系统和信息处理系统中十分重要。作为射频通信系统发射接收机的本地振荡源和数字信号处理系统的时钟源，频率产生单元的性能指标直接影响到了射频通信系统以及数字信号处理系统的性能指标。目前，随着数据传输速度的提高，频率产生单元的锁定时间成为设计的关键指标之一。频率产生单元的锁定时间越短，则频率的转换速度越快，从而数据的传输速率也就越快。

频率产生单元主要包括压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)、环路滤波器(LPF)、锁相环集成电路(PLL IC)、VCO至PLLIC的反馈带通(BPF)以及锁相环参考晶体。其中，压控振荡器是频率产生单元的重要组成部分之一，主要作用是根据输入电压输出相应的振荡频率。目前，频率产生单元的频率锁定时间较长，频率转换速度较慢，影响了数据的传输速率。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种对频率的锁定方法、一种压控振荡器以及频率产生单元，在具有相应合理参数的情况下能够实现对频率锁定时的锁定时间更短，锁定速度更快。

为此，本发明提供了一种压控振荡器，所述压控振荡器包括选频网络电路和有源器件电路。

所述选频网络电路具有控制电压输入和辅助控制电压输入，其中，所述辅助控制电压的变化趋势与所述选频网络电路的目的振荡频率的变化趋势相同，所述辅助控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

所述选频网络电路用于根据控制电压和辅助控制电压产生振荡频率按照控制电压和辅助控制电压而变化的信号。

所述有源器件电路用于向所述选频网络电路提供产生振荡频率的能量。

优选地，所述辅助控制电压先于控制电压输入至所述选频网络电路。

优选地，所述选频网络电路包括：第一、第二、第三和第四电感、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九电容、第一、第二、第三和第四变容管组以及一磁珠。

所述第一变容管组包括并联的至少一个变容管。

所述第二变容管组包括并联的至少一个变容管。

所述第三变容管组包括并联的至少一个变容管。

所述第四变容管组包括并联的至少一个变容管。

所述第一、第二、第三、第八和第九电容的第一端、所述第一和第四变容管组中全部变容管的正极以及所述第三和第四电感的第一端连接到地电压。

所述第一电容的第二端以及第一电感的第一端连接到控制电压。

所述第一电感的第二端、第四和第五电容的第一端以及第三变容管组中全部变容管的负极连接到所述第四变容管组中全部变容管的负极。

所述磁珠的第一端以及所述第二电容的第二端连接到辅助控制电压。

所述磁珠的第二端以及所述第三电容的第二端连接到所述第二电感的第一端。

所述第二电感的第二端、所述第一变容管组中全部变容管的负极以及所述第四和第五电容的第二端连接到所述第二变容管组中全部变容管的负极。

所述第二变容管组中全部变容管的正极、所述第三变容管组中全部变容管的正极以及所述第六和第七电容的第一端连接到所述第三电感的第二端。

所述第六、第七、第八和第九电容的第二端以及所述第四电感的第二端连接到所述有源器件电路。

优选地，所述第一变容管组包括第一变容管。

所述第二变容管组包括与第一变容管电压容值特性相同的第二变容管。

所述第二变容管组包括并联的电压容值特性相同的第三和第四变容管。

所述第三变容管组包括并联的电压容值特性相同的第五和第六变容管。

优选地，所述辅助控制电压由数模转换电路或开关控制的分压电路提供。

本发明还提供了一种对频率锁定的方法，所述方法包括：

控制单元根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，将辅助电压输入至本发明提供的压控振荡器，作为所述压控振荡器的辅助控制电压；环路滤波器将控制电压输入至所述压控振荡器。

所述辅助控制电压使得所述压控振荡器中的选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2。

在所述方法执行的时间到达预设的锁定时间后将所述压控振荡器输出的频率作为锁定后的频率。

C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

优选地，所述方法还包括：

控制单元在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电；所述电压预配置电路包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压。

控制单元在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元开启所述锁相环电路的快锁功能，并在第一时间段后的第二时间段将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。

本发明还提供了一种频率产生单元，其特征在于，所述频率产生单元包括：控制单元、锁相环电路、环路滤波器以及本发明提供的压控振荡器。

所述控制单元用于根据目的振荡频率生成频率设置信号，并向锁相环电路发送所述频率设置信号，以及根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器；所述辅助控制电压使得所述压控振荡器中的选频网络电路的等效电容值变化C1。

所述锁相环电路根据压控振荡器的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号，根据所述对比信号和参考信号得到反映所述对比信号和参考信号的相位差的误差电压信号，并输出所述误差电压信号至环路滤波器，所述误差电压信号经所述环路滤波器滤波处理后输入所述压控振荡器，作为所述压控振荡器的控制电压；控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2。

所述压控振荡器将所述压控振荡器产生的信号发送至所述锁相环电路。

其中，C1和C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

优选地，所述控制单元包括数模转换电路；所述数模转换电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

优选地，所述控制单元包括开关控制的分压电路；所述分压电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

优选地，所述频率产生单元还包括：电压预配置电路，包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压。

所述控制单元还用于在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到所述环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电，以及在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

优选地，所述频率产生单元还包括第一开关和第二开关。

所述控制单元还用于开启所述锁相环电路的快锁功能。

第一开关，连接在所述电压预配置电路和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段内发送的预配置控制信号后接通，将所述电压预配置电路提供的预置电压施加给所述环路滤波器。

第二开关，连接在所述锁相环电路的快锁控制端和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段后的第二时间段内发送的快锁控制信号后接通，将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。

由上述技术方案可以看出，控制单元生成的辅助控制电压使得压控振荡器中选频网络电路的等效电容值变化C1，而控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。可见控制电压只需使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，相比于没有辅助控制电压的情况，即相比于控制电压需使得所述选频网络电路的等效电容值变化C3时，本发明中控制电压的变化范围更小，又由于在压控振荡器的周围环境因素相同时，频率锁定的时间取决于控制电压的变化范围，因此，本发明实现的频率产生单元能够使得在压控振荡器的周围环境因素相同并且压控振荡器输出的振荡频率变化一定时，控制电压变化的差值减小，从而实现对频率锁定的速度更快，锁定时间更短。

附图说明

图1为频率锁定过程阶段图；

图2为现有技术中的压控振荡器；

图3为本发明提供的压控振荡器的系统结构图

图4为本发明提供的压控振荡器的一具体电路图；

图5为变容管反向电压与反向电路的关系曲线；

图6为变容管反向电压与电阻的关系曲线；

图7为本发明提供的频率锁定方法的流程图；

图8为本发明提供的频率产生单元的结构图；

图9为包括频率产生单元的系统的结构图；

图10为图8所示的系统的电路图；

图11为图8所示的系统的工作流程图。

具体实施方式

请参阅图1，频率锁定过程分为三个阶段：

T1：Capture Phase(捕获阶段)：由于频点的切换，频率从稳定到不稳定的急剧变化，输出频率与参考时钟的鉴相频率相位差非常大，锁相环处于失锁状态，需要大量的泵电流来捕获目标频率。

T2：Track Phase(跟踪阶段)：输出频率与参考时钟鉴相频率相位差较小，锁相环对输出频率进行跟踪，属于环路自身调节的阶段。

T3：Stable Phase(稳定阶段)：输出频率与参考时钟鉴相频率相位差非常小，锁相环处于锁定的状态。当频率偏差小于±100Hz时，锁相环进入稳定状态。

可以看出，锁定过程的三个阶段中，主要是由T1和T2阶段决定目标频率的锁定时间。而T2的时间主要是由于环路自身的参数决定。T2时，相位差已经比较小了，靠锁相环自身的调节可以很快进入T3。T1捕获阶段所消耗的时间，对整体锁定时间起直接的影响。因此本发明主要通过减少T1捕获阶段所消耗的时间，从而减小整体锁定时间。

图2为一种常用的压控振荡器，由于当变容管两端的电压值发生变化时其电容值也发生变化，因此当控制电压(Control Voltage，CV)的值改变时，其LC谐振回路电容值也发生改变，根据可见其输出的振荡频率也发生相应的变化。因此，压控振荡器输出的振荡频率的值由其输入的控制电压决定，振荡频率转换的差值一定时，输入的控制电压的差值也确定。其中，f为压控振荡器产生的信号的频率，L为压控振荡器的等效电感值，C为压控振荡器的等效电容值。

设V0为电容上的初始电压值，V1为电容最终可充电或放电得到的电压值，电容两端的电压值到达Vt所需的时间为t，则有Vt＝V0+(V1-V0)×[1-exp(-t/RC)]，即t＝RC×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，如上可见，在RC不变以及其它条件相同时，电容两端的电压值到达Vt时所需的时间t由控制电压的差值ΔCV＝V1-V0决定。由此可见，压控振荡器的控制电压变化时，输出稳定的输出频率所需的时间由控制电压的差值ΔCV决定。

综上可见，采用图2所示的压控振荡器实现对频率锁定时，其它条件确定时，压控振荡器产生的振荡频率变化一定时，需输入的控制电压的变化也一定，因此频率转换所需的时间也是确定的，即对频率锁定的锁定时间确定。其它条件指的是压控振荡器的周围环境因素，包括温度等。

请参阅图3，本发明提供了一种压控振荡器，所述压控振荡器包括选频网络电路301和有源器件电路302。

所述选频网络电路301具有控制电压输入和辅助控制电压输入，其中，所述辅助控制电压的变化趋势与所述选频网络电路的目的振荡频率的变化趋势相同，所述辅助控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值，即|C3|＞|C2|。

所述选频网络电路301用于根据控制电压和辅助控制电压产生振荡频率按照控制电压和辅助控制电压而变化的信号。

所述有源器件电路302用于向所述选频网络电路301提供产生振荡频率的能量。

本发明中提到的辅助控制电压与控制电压是两种不同的控制电压。

并且在该实施例中，电容变化的差值C1、C2和C3均为矢量，若选频网络电路的等效电容值增大时，电容变化的差值为负数，则在该等效电容值减小时，电容变化的差值为正数。若选频网络电路的等效电容值减小时，电容变化的差值为正数，则在该等效电容值增大时，电容变化的差值为负数。

其中，目的振荡频率，即所要获得的振荡频率。在压控振荡器的具体应用中，为产生具有一定的振荡频率的信号，将需要获得的振荡频率作为压控振荡器中的选频网络电路的目的振荡频率。目的振荡频率可根据实际情况确定。

所述辅助控制电压可以先于控制电压输入至所述选频网络电路301。

其中，所述辅助控制电压可以由数模转换电路(DAC)提供。

所述辅助控制电压也可以由开关控制的分压电路提供。具体提供形式可以为：将压控振荡器输出频率分为若干个频率区间，每个频率区间对应唯一的辅助控制电压，而频率区间对应的具体的辅助控制电压的电压值根据实际电路确定。并且，辅助控制电压的变化趋势与目的振荡频率的整体趋势相同，因此，与频率区间的整体趋势相同。例如，压控振荡器的目的振荡频率在400-435MHz区间内时，分压电路的开关断开，辅助控制电压为2V，压控振荡器的目的振荡频率在435-470MHz区间内时，分压电路的开关闭合，辅助控制电压为4V。

下面举例说明在压控振荡器的周围环境因素相同时，采用图3所示的本发明提供的压控振荡器相比图2所示的压控振荡器，在频率转换一定时，具有更快的转换速度。

采用图2所示的压控振荡器，当前频率为400MHz时，压控振荡器的等效电容值为20pF，当目的振荡频率为470MHz时，压控振荡器的等效电容值需减小6pF，即则图2所示的压控振荡器的控制电压的变化需使得压控振荡器的等效电容值从减小6pF。当采用图3所示的压控振荡器时，压控振荡器当前频率为400MHz时，压控振荡器的等效电容值为20pF，当目的振荡频率为470MHz时，压控振荡器的等效电容值需减小6pF，即C3＝-6Pf。而图3所示的压控振荡器的辅助控制电压可以使得压控振荡器的等效电容值从减小5pF，即C1＝-5Pf，控制电压只需使得压控振荡器的等效电容值减小1pF即可，即C2＝-1Pf。从而可以看出，当压控振荡器的输出频率从400MHz变化到470MHz时，图3所示的压控振荡器的控制电压只需使得压控振荡器的等效电容减小1pF，而图2所示的压控振荡器的控制电压需使得压控振荡器的等效电容减小6pF。因此，图3所示压控振荡器的控制电压相比于图2所示的压控振荡器的控制电压，变化范围更小，则图3所示的压控振荡器频率转换时的时间更短。

图4为本发明提供的压控振荡器的具体实施例的电路连接图，该实施例包括选频网络电路和有源器件电路。其中，选频网络电路包括：第一电感L2033、第二电感L2043、第三电感L2035、第四电感L2034、第一电容C2090、第二电容C2139、第三电容C2137、第四电容C2135、第五电容C2133、第六电容C2084、第七电容C2088、第八电容C2092、第九电容C2091、第一、第二、第三和第四变容管组以及一磁珠L2053。

第一变容管组包括第一变容管D2021，第二变容管组包括第二变容管D2020，D2021和D2020的电压容值特性相同。第三变容管组包括并联的电压容值特性相同的第三变容管D2011和第四变容管D2012。第四变容管组包括并联的电压容值特性相同的第五变容管D2013和第六变容管D2014。电压容值特性相同指的是电压容值特性曲线相同或相近，即在具有相同输入电压时，变容管的电容值相等或相近。

所述第一电容C2090、第二电容C2139、第三电容C2137、第八电容C2092和第九电容C2091的第一端、所述第一和第四变容管组中全部变容管D2021、D2013以及D2014的正极以及所述第三电感L2035和第四电感L2034的第一端连接到地电压。

所述第一电容C2090的第二端以及第一电感L2033的第一端连接到控制电压。

所述第一电感L2033的第二端、第四电容C2135和第五电容C2133的第一端以及第三变容管组中全部变容管D2011和D2012的负极连接到所述第四变容管组中全部变容管D2013和D2014的负极。

所述磁珠L2053的第一端以及所述第二电容C2139的第二端连接到辅助控制电压。

所述磁珠L2053的第二端以及所述第三电容C2137的第二端连接到所述第二电感的第一端。

所述第二电感L2043的第二端、所述第一变容管组中全部变容管D2021的负极、所述第四电容C2135和第五电容C2133的第二端连接到所述第二变容管组中全部变容管D2020的负极。

所述第二变容管组中全部变容管D2020的正极、所述第三变容管组中全部变容管D2011和D2012的正极、所述第六电容C2084和第七电容C2088的第一端连接到所述第三电感L2035的第二端。

所述第六电容C2084、第七电容C2088、第八电容C2092、第九电容C2091的第二端以及所述第四电感L2034的第二端连接到所述有源器件电路。

所述有源器件电路用于向所述选频网络电路提供产生振荡频率的能量。

在该实施例中，第一变容管组包括第一变容管D2021，第二变容管组包括与第一变容管D2021电压容值特性相同的第二变容管D2020。第三变容管组包括并联的电压容值特性相同的第三变容管D2011和第四变容管D2012。第四变容管组包括并联的电压容值特性相同的第五变容管D2013和第六变容管D2014。在其它实施例中，第一变容管组包括并联的至少一个变容管；第二变容管组包括并联的至少一个变容管；第三变容管组包括并联的至少一个变容管；所述第四变容管组包括并联的至少一个变容管。

辅助控制电压根据目的振荡频率以及预先设置的频率和控制电压的关系曲线获得。其中，预先设置的频率和控制电压的关系曲线的设计原则为使得输出的频率变化一定时，控制电压的变化范围减小。

其中，所述辅助控制电压的变化趋势与所述选频网络电路的目的振荡频率的变化趋势相同，所述辅助控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

所述辅助控制电压可以先于控制电压输入至所述选频网络电路。

其中，所述辅助控制电压可以由数模转换电路(DAC)或开关控制的分压电路提供。

可以看出。图3和图4所示的实施例中，压控振荡器具有两个控制电压输入，可根据输出的振荡频率设计出合理的辅助控制电压输入，使得输出的振荡频率变化相同时，控制电压的变化范围更小，从而提高频率产生单元的锁定时间。

例如，图2所示的压控振荡器输出的振荡频率从400MHz变化到470MHz时，其控制电压输入的变化范围为1-4V。设置本发明提供的压控振荡器输出的振荡频率从400MHz变化到470MHz时，其控制电压输入的目标变化范围为2.5V-3.5V，根据控制电压的目标变化范围设计辅助控制电压与输出频率相关的电压曲线，预先设置的使得根据该设计好的电压曲线得到的辅助控制电压，使得控制电压的变化范围为2.5V到3.5就能实现输出的振荡频率从400MHz变化到470MHz。根据公式t＝RC×ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]可知，控制电压的变化范围越小，其锁定的时间越短。因此，在本发明提供的压控振荡器中，根据该设计好的电压曲线得到的辅助控制电压，能够减小控制电压的变化范围，从而实现本发明提供的压控振荡器的频率转换的速度更快。其中，设计好的电压曲线可以线性，也可以为非线性的。这里，设计好的电压曲线为本发明中提到的预先设置的频率和控制电压的关系曲线。

综上可见本发明提供的压控振荡器具有较快的频率转换速度，下面根据图4所示的压控振荡器的结构讨论其相位噪声的大小。

二极管通过外加反向电压可以改变空间电荷区的宽度，从而改变势垒电容的大小。变容二极管，即变容管，就是利用这种特性制成的特殊的PN结二极管。图4所示的压控振荡器引入的是变容管的反向电流。

图5为变容管的反向电压与反向电流的关系。可以看出，变容管的反向电流很小，因此图4所示的压控振荡器在应用过程中不会造成额外的电流。图6为变容管的内阻与反向电压的关系，而图2所示的压控振荡器中输出400-470MHz时的控制电压变化范围为1-4V，图4所示的压控振荡器中，通过设计好的电压曲线得到的辅助控制电压，能够实现输出相同频率的信号时的控制电压变化范围为2.5V到3.5V，而从图6中可以看出，随着图4所示的压控振荡器的控制电压的增大，变容管的内阻大幅降低，而由于变容管内阻越低，则电路的Q值越高，再加上外部电压加在变容管上，由于接入电容的存在，压控振荡器的Q值不会因为外部电压的接入而大幅降低，因此，图4所示的压控振荡器通过其具有的较高的Q值实现了对相位噪声的优化。

此外，图4所示的压控振荡器在一定程度上可以提高其频率变化范围，可以在能够接受的锁定时间的范围内，适当降低压控灵敏度(KV)值，同样可以减小其相位噪声。

综上，图4所示的压控振荡器，通过预先设置的频率和控制电压的关系曲线得到的辅助控制电压，能够实现更快的频率转换速度以及实现更小的相位噪声。

本发明还提供了一种对频率锁定的方法，请参阅图7，所述方法包括：

S701：控制单元根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，将所述辅助电压输入至本发明提供的压控振荡器，作为所述压控振荡器的辅助控制电压；所述辅助控制电压使得所述压控振荡器中的选频网络电路的等效电容值变化C1。

S702：环路滤波器将控制电压输入至所述压控振荡器，该控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2。

在所述方法执行的时间到达预设的锁定时间后将所述压控振荡器输出的频率作为锁定后的频率。

步骤S702和S701的执行顺序不受限定，一种较优的执行顺序是S701先于S702执行。

C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

其中，所述预先设置的频率和控制电压的关系曲线的设置目的是使得压控振荡器的振荡频率转变一定时，控制电压的变化范围变小。

辅助控制电压可以由一DAC电路或一开关控制的分压电路提供。

所述参考信号可以由能够产生一定的振荡频率的参考晶体提供。

而在该实施例中，控制电压可以通过以下步骤生成：

控制单元根据目的振荡频率生成频率设置信号并将所述频率设置信号发送至锁相环电路。

所述锁相环电路接收到所述频率设置信号后，根据压控振荡器的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号，根据所述对比信号和参考信号得到反映所述对比信号和参考信号的相位差的误差电压信号，并将所述误差电压信号输出至环路滤波器。

所述环路滤波器将所述误差电压信号进行滤波处理后作为控制电压。

并且将通过以上步骤生成的控制电压输入至所述压控振荡器后，返回执行：锁相环电路根据所述压控振荡器的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号，根据所述对比信号和参考信号得到反映所述对比信号和参考信号的相位差的误差电压信号，并将所述误差电压信号输出至环路滤波器。

其中，所述频率设置信号可以为分频比，则锁相环电路根据所述压控振荡器的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号包括：锁相环电路根据分频比对压控振荡器的输出信号进行分频，将分频后信号作为对比信号。

图7所示的对频率锁定的方法中，使用了本发明提供的压控振荡器，因此通过设计合理的辅助控制电压，使得压控振荡器的振荡频率改变一定时，实现对频率锁定更短的锁定时间和更快的锁定速度。

优选地，所述方法还包括：控制单元在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电；所述电压预配置电路包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压。

控制单元在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

优选地，所述方法还包括：

所述控制单元开启所述锁相环电路的快锁功能，并在第一时间段后的第二时间段将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。

请参阅图8，本发明还提供了一种频率产生单元，所述频率产生单元包括：控制单元801、锁相环电路802、环路滤波器803以及本发明提供的压控振荡器804。

所述控制单元801用于根据目的振荡频率生成频率设置信号，并向锁相环电路802发送所述频率设置信号，以及根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器804；所述辅助控制电压使得所述压控振荡器804中的选频网络电路的等效电容值变化C1。

所述锁相环电路802根据压控振荡器804的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号，根据所述对比信号和参考信号得到反映所述对比信号和参考信号的相位差的误差电压信号，并输出所述误差电压信号至环路滤波器803，所述误差电压信号经所述环路滤波器滤波处理后输入所述压控振荡器804，作为所述压控振荡器804的控制电压；控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2。

所述压控振荡器804将所述压控振荡器804产生的输出信号发送至所述锁相环电路802。

所述压控振荡器804产生的具有一定振荡频率的信号为该实施例提供的频率产生单元所产生的频率信号。

其中，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

所述控制单元可以包括数模转换电路；所述数模转换电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

所述控制单元可以包括开关控制的分压电路；所述分压电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

控制单元可以包括CPU。

其中，所述频率设置信号可以为分频比，则所述锁相环电路802根据压控振荡器804的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号包括：所述锁相环电路802根据分频比对压控振荡器804的输出信号进行分频，将分频后信号作为对比信号。

其中，锁相环电路可以为锁相环集成芯片，集成了鉴相器和分频器。

所述参考信号可以由能够产生一定的振荡频率的参考晶体提供。

压控振荡器和锁相环电路之间可通过反馈电路连接。

其中，在满足频率产生单元所有指标要求的情况下，辅助控制电压的设计原则是使得控制电压变化范围尽量减小。这里指标要求可以根据系统的要求人为设定。

优选地，所述频率产生单元还包括：电压预配置电路，包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压。

则所述控制单元还用于在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到所述环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电，以及在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

优选地，所述频率产生单元还包括第一开关和第二开关；

所述控制单元还用于开启所述锁相环电路的快锁功能。

第一开关，连接在所述电压预配置电路和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段内发送的预配置控制信号后接通，将所述电压预配置电路提供的预置电压施加给所述环路滤波器。

第二开关，连接在所述锁相环电路的快锁控制端和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段后的第二时间段内发送的快锁控制信号后接通，将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。

图9为包括频率产生单元的系统的结构图，该系统中主要包括：CPU(OMAP)901、锁相环电路(PLL IC)Sky72310 902、环路滤波器(LPF)903、压控振荡器(VCO)904、VCO至PLL IC的反馈电路(BPF)905、缓冲电路(Buffer)906、数模转换电路(DAC)907、锁相环参考晶体(VC_TCXO)908、电压开关1(Swith1)909、电压开关2(Swith2)910以及电压预配置电路(Pre_Setup_CV)911。其中，VCO904为本发明提供的VCO，DAC907为VCO904提供辅助控制电压。

图10为图9所示的系统中的Sky72310 902、LPF903、BPF905、VC_TCXO908的电路连接图。

其中LPF903输出的电压作为控制电压发送至本发明提供的VCO。

图11为图9所示的系统工作时的流程图。具体包括：

S1101：当设备上电或者切换信道时，首先DAC根据频点信息给VCO输出相应的辅助控制电压，这个时间通常很短。

S1102：给PLL IC配置锁定所需的频点信息，同时打开PLL IC的快锁功能，但是由于开关2隔离，快锁功能未加到环路滤波器上。

S1103：打开预置电压开关1并持续t1时间，给环路滤波器预置一个固定电压。

S1104：关闭电压开关1并打开开关2，使其持续t2时间，此时PLL的快锁功能作用到环路滤波器，加快了锁定。

S1105：关闭电压开关2。

S1106：将PLL的快锁模式切换为锁定检测模式，使图9所示的系统实现正常锁定。

在整个过程中，t1时间长度和t2时间长度直接决定环路滤波器的过充与否以及锁定时间，所以需要根据最终锁定时间控制t1和t2的时间长度，以减弱过冲。

这里，预置电压电路所预置的电压根据CV变化范围而定。通常预置电压选取的是CV的中间值，如CV为1V～4V，则预置电压选取为2.5V。考虑到环路滤波器的过冲和欠充情况，可适当调整预置电压的具体电压值。

表1为通过实验测出的，采用图9所示的系统并且采用图11所示的频率锁定工作过程时，在不同温度下的频率锁定时间、相位噪声以及相位余度，其中系统中的压控振荡器为图4所示的压控振荡器。

表1

表2为采用图9所示的系统结构并且采用图11所示的频率锁定工作过程时，在不同温度下的频率锁定时间，其中系统中采用的压控振荡器为图2所示的压控振荡器。

表2

表3为采用图9所示的系统的结构，但锁相环集成电路不具有快速锁定功能，在不同温度下的频率锁定时间，其中频率产生单元中采用的压控振荡器为图2所示的压控振荡器。

表3

由表1、表2以及表3可以看出，采用图9所示的系统结构并且采用图11所示的频率锁定工作过程时，系统采用的压控振荡器为图4所示的压控振荡器时，输出频率转换一定时其所耗费的时间越短，即锁定频率的速度越快。并且，从表1可以看出，采用图4所示的压控振荡器时，具有较好的相位噪声和相位余度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器包括选频网络电路和有源器件电路；

所述选频网络电路具有控制电压输入和辅助控制电压输入，其中，所述辅助控制电压的变化趋势与所述选频网络电路的目的振荡频率的变化趋势相同，所述辅助控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2，C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值；

所述选频网络电路用于根据控制电压和辅助控制电压产生振荡频率按照控制电压和辅助控制电压而变化的信号；

所述有源器件电路用于向所述选频网络电路提供产生振荡频率的能量；

其中，所述辅助控制电压根据所述目的振荡频率以及预先设置的频率和控制电压的关系曲线获得。

2.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，其中，所述辅助控制电压先于控制电压输入至所述选频网络电路。

3.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述选频网络电路包括：第一、第二、第三和第四电感、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九电容、第一、第二、第三和第四变容管组以及一磁珠；

所述第一变容管组包括并联的至少一个变容管；

所述第二变容管组包括并联的至少一个变容管；

所述第三变容管组包括并联的至少一个变容管；

所述第四变容管组包括并联的至少一个变容管；

所述第一、第二、第三、第八和第九电容的第一端、所述第一和第四变容管组中全部变容管的正极以及所述第三和第四电感的第一端连接到地电压；

所述第一电容的第二端以及第一电感的第一端连接到控制电压；

所述第一电感的第二端、第四和第五电容的第一端以及第三变容管组中全部变容管的负极连接到所述第四变容管组中全部变容管的负极；

所述磁珠的第一端以及所述第二电容的第二端连接到辅助控制电压；

所述磁珠的第二端以及所述第三电容的第二端连接到所述第二电感的第一端；

所述第二电感的第二端、所述第一变容管组中全部变容管的负极以及所述第四和第五电容的第二端连接到所述第二变容管组中全部变容管的负极；

所述第二变容管组中全部变容管的正极、所述第三变容管组中全部变容管的正极以及所述第六和第七电容的第一端连接到所述第三电感的第二端；

所述第六、第七、第八和第九电容的第二端以及所述第四电感的第二端连接到所述有源器件电路。

4.根据权利要求3所述的压控振荡器，其特征在于，

所述第一变容管组包括第一变容管；

所述第二变容管组包括与第一变容管电压容值特性相同的第二变容管；

所述第三变容管组包括并联的电压容值特性相同的第三和第四变容管；

所述第四变容管组包括并联的电压容值特性相同的第五和第六变容管。

5.根据权利要求1所述的压控振荡器，其特征在于，所述辅助控制电压由数模转换电路或开关控制的分压电路提供。

6.一种对频率锁定的方法，其特征在于，所述方法包括：

控制单元根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，将辅助电压输入至如权利要求1至5任意一项所述的压控振荡器，作为所述压控振荡器的辅助控制电压；环路滤波器将控制电压输入至所述压控振荡器；

所述辅助控制电压使得所述压控振荡器中的选频网络电路的等效电容值变化C1，控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2；

在所述方法执行的时间到达预设的锁定时间后将所述压控振荡器输出的频率作为锁定后的频率；

C1与C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制单元在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电；所述电压预配置电路包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压；

控制单元在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述控制单元开启锁相环电路的快锁功能，并在第一时间段后的第二时间段将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。

9.一种频率产生单元，其特征在于，所述频率产生单元包括：控制单元、锁相环电路、环路滤波器以及如权利要求1至5中任意一项所述的压控振荡器；

所述控制单元用于根据目的振荡频率生成频率设置信号，并向锁相环电路发送所述频率设置信号，以及根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器；所述辅助控制电压使得所述压控振荡器中的选频网络电路的等效电容值变化C1；

所述锁相环电路根据压控振荡器的输出信号和所述频率设置信号得到对比信号，根据所述对比信号和参考信号得到反映所述对比信号和参考信号的相位差的误差电压信号，并输出所述误差电压信号至环路滤波器，所述误差电压信号经所述环路滤波器滤波处理后输入所述压控振荡器，作为所述压控振荡器的控制电压；控制电压使得所述选频网络电路的等效电容值变化C2；

所述压控振荡器将所述压控振荡器产生的信号发送至所述锁相环电路；

其中，C1和C2之和为C3，所述C3为所述选频网络电路产生的信号的频率从当前频率转变到目的振荡频率时，所述选频网络电路的等效电容值变化的电容值；C3的绝对值大于C2的绝对值。

10.根据权利要求9所述的频率产生单元，其特征在于，所述控制单元包括数模转换电路；所述数模转换电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

11.根据权利要求9所述的频率产生单元，其特征在于，所述控制单元包括开关控制的分压电路；所述分压电路用于根据预先设置的频率和控制电压的关系曲线，生成目的振荡频率对应的辅助电压，并将所述辅助电压作为辅助控制电压输入至所述压控振荡器。

12.根据权利要求9所述的频率产生单元，其特征在于，所述频率产生单元还包括：电压预配置电路，包括正向压降随温度升高而降低的二极管，用于输出随温度升高而增加的预置电压；

所述控制单元还用于在第一时间段内将电压预配置电路输出的预置电压施加到所述环路滤波器，为所述环路滤波器中的电容充电，以及在所述第一时间段后切断电压预配置电路为环路滤波器提供的预置电压。

13.根据权利要求12所述的频率产生单元，其特征在于，所述频率产生单元还包括第一开关和第二开关；

所述控制单元还用于开启所述锁相环电路的快锁功能；

第一开关，连接在所述电压预配置电路和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段内发送的预配置控制信号后接通，将所述电压预配置电路提供的预置电压施加给所述环路滤波器；

第二开关，连接在所述锁相环电路的快锁控制端和所述环路滤波器之间，用于在接收所述控制单元在第一时间段后的第二时间段内发送的快锁控制信号后接通，将所述锁相环电路产生的快锁信号发送给所述环路滤波器。