CN104184466B - 一种双环路锁相环快速自动切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双环路锁相环快速自动切换电路，包括D触发器电路、与门电路、第一/第二/第三开关电路、跟随器、宽带环路和窄带环路；所述D触发器电路的输入端与输入信号LD和Cin连接，输出端与所述与门电路连接；与门电路的输入端与D触发器电路的输出端和输入信号Cin连接，输出端与开关电路的控制端连接；第一开关电路的输入端与输入信号IN连接，输出端与宽带环路、跟随器和窄带环路的输入端连接；第二开关电路的输入端与跟随器的输出端连接，输出端与窄带环路的输入端连接；第三开关电路的输入端与宽带环路和窄带环路的输出端连接，输出端为本电路的输出信号OUT。本发明有效解决了传统环路滤波器电路不能同时解决快速锁定和低杂散性能的问题。

Description

一种双环路锁相环快速自动切换电路

技术领域

本发明属于频率合成器领域，具体涉及一种双环路锁相环快速自动切换电路，其直接应用领域为各种间接式频率合成器，在宽带频综、宽带通信系统、抗干扰通信系统、雷达系统等领域有着广泛应用。

背景技术

杂散抑制和锁定时间是锁相环电路的关键参数，环路滤波器是锁相环电路的关键组成部分，杂散抑制和锁定时间主要取决于环路滤波器的参数。环路带宽是环路滤波器的重要参数，环路带宽越宽，锁定时间就会越短，但是杂散抑制就越差；反之，环路带宽越窄，锁定时间就越长，但是杂散抑制就越好。要同时达到较好的杂散抑制和较短的锁定时间，就必须设计动态环路，使得其满足锁定时间和杂散抑制的要求。

传统环路滤波器采用单一的环路滤波器结构，环路带宽只能设置为宽带或者窄带，这种环路滤波器只能调整环路带宽达到一个锁定时间和杂散性能的折中值，或者牺牲其中一个指标的性能满足另外一个指标，在锁定时间和杂散性能要求较高的场合不适用。图1示出了一种双环路结构锁相环电路，这种电路采用宽带环路和窄带环路两种环路滤波器，利用控制器在不同的时间点对环路进行切换，获得比单一环路滤波器结构的锁相环电路更少的频率锁定时间。但是，本发明的发明人经过研究发现，这种方案需要使用控制器来切换电路，控制器需要预先设定好各个动作阶段需要的时间，按照设定好的时间点进行切换，这就导致了电路的适应性不强，对于不同参数的锁相环电路需要调整时间点，以便获得较少的频率锁定时间；同时，由于电路的差异性，不可能获得绝对精确的时间点，从而导致该电路最终能够获得的效果不是最佳。

发明内容

针对现有技术存在的不能同时解决快速锁定和低杂散性能的问题的技术问题，本发明提供一种双环路锁相环快速自动切换电路，能够同时获得较快的频率锁定时间和较好的杂散性能，并且没有应用的限制，环路的参数在不同状态下也保持稳定，不存在稳定性问题；同时，也没有适应性问题，对于不同参数的锁相环路都适用，不需要调整电路参数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双环路锁相环快速自动切换电路，包括D触发器电路、与门电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、跟随器、宽带环路和窄带环路；其中，

所述D触发器电路的CLK输入端与输入信号LD连接，D输入端和CLR输入端与输入信号Cin连接，输出端Q与所述与门电路的第一输入端连接；

所述与门电路的第一输入端与所述D触发器电路的输出端Q连接，第二输入端与输入信号Cin连接，输出端Co与所述第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路的控制端连接；

所述第一开关电路的输入端与输入信号IN连接，第一输出端与所述宽带环路和跟随器的输入端连接，第二输出端与所述窄带环路的输入端连接；

所述第二开关电路的输入端与所述跟随器的输出端连接，输出端与所述窄带环路的输入端连接；

所述第三开关电路的第一输入端与所述宽带环路的输出端连接，第二输入端与所述窄带环路的输出端连接，输出端与输出信号OUT连接。

本发明提供的双环路锁相环快速自动切换电路中，采用所述D触发器来实现锁定过程，宽带环路到窄带环路的单次可靠切换，不存在一般逻辑电路的反复切换问题，能够有效降低锁定时间；采用所述跟随器来实现宽带环路锁定过程中对窄带环路进行预充电，能够有效降低窄带环路工作时的充电时间，从而进一步降低锁定时间；采用锁定指示信号(输入信号LD)来完成切换时机的精确选择，达到环路锁定过程中两个环路滤波器电路的自动切换，极大的缩短了控制消耗时间，有效解决了传统环路滤波器电路不能同时解决快速锁定和低杂散性能的问题，且电路的成本增加也非常少。

附图说明

图1是现有技术提供的双环路结构锁相环电路原理示意图。

图2是本发明提供的双环路锁相环快速自动切换电路原理示意图。

图3是本发明提供的双环路锁相环快速自动切换电路线路示意图。

图4是现有单环路具体实施电路的锁定时间测试结果示意图。

图5是本发明具体实施电路的锁定时间测试结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参考图2所示，本发明提供一种双环路锁相环快速自动切换电路，包括D触发器电路、与门电路、第一开关电路S1、第二开关电路S2、第三开关电路S3、跟随器、宽带环路和窄带环路；其中，

所述D触发器电路的CLK输入端与输入信号LD连接，D输入端和CLR输入端与输入信号Cin连接，输出端Q与所述与门电路的第一输入端连接；

所述与门电路的第一输入端与所述D触发器电路的输出端Q连接，第二输入端与输入信号Cin连接，输出端Co与所述第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3的控制端连接；

所述第一开关电路S1的输入端与输入信号IN连接，第一输出端S1-1与所述宽带环路和跟随器的输入端连接，第二输出端S1-2与所述窄带环路的输入端连接；

所述第二开关电路S2的输入端与所述跟随器的输出端连接，输出端与所述窄带环路的输入端连接；

所述第三开关电路S3的第一输入端S3-1与所述宽带环路的输出端连接，第二输入端S3-2与所述窄带环路的输出端连接，输出端与输出信号OUT连接。

本发明提供的双环路锁相环快速自动切换电路中，采用所述D触发器来实现锁定过程，宽带环路到窄带环路的单次可靠切换，不存在一般逻辑电路的反复切换问题，能够有效降低锁定时间；采用所述跟随器来实现宽带环路锁定过程中对窄带环路进行预充电，能够有效降低窄带环路工作时的充电时间，从而进一步降低锁定时间；采用锁定指示信号(输入信号LD)来完成切换时机的精确选择，达到环路锁定过程中两个环路滤波器电路的自动切换，极大的缩短了控制消耗时间，有效解决了传统环路滤波器电路不能同时解决快速锁定和低杂散性能的问题，且电路的成本增加也非常少。

为了更加清楚的说明本发明的工作原理，以下将结合具体实施电路线图对本发明的技术方案进行详细描述。其中，在本发明中，所述输入信号IN为锁相环电路中鉴相器输出的误差信号；输入信号LD为锁相环的锁定指示信号，环路锁定时为高电平，失锁时为低电平；输入信号Cin为外部控制信号；输出信号OUT为滤波后误差信号。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述D触发器电路U1为常规的D触发器，其电源端Vcc与外部电源端Vcc相连，地端GND与地相连，其CLR输入端和D输入端与外部输入信号Cin相连，输入端口CLK与外部输入的锁定指示信号LD相连，其输出端Q与所述与门电路U2的第一输入端1连接。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述与门电路U2为常规的二输入与门电路，其电源端Vcc与外部电源端Vcc相连，地端G与地相连，其第一输入端1与所述D触发器电路U1的输出端Q相连，第二输入端2与外部输入信号Cin相连，输出端4输出信号为Co，作为所述第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3的控制信号。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3为快速低导通电阻的模拟开关，由此可以降低开关导通电阻对环路参数的影响，降低调试工作量，缩短开关切换时间。具体地，所述第一开关电路S1和第三开关电路S3均为一个单刀双掷开关，所述第二开关电路S2为一个单刀单掷开关。所有开关电路的电源端均与外部电源端Vcc相连，地端均与地连接；所有开关电路的控制端IN与所述与门电路U2的输出信号Co连接。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述第一开关电路S1为一个单刀双掷开关，所述第一开关电路S1的误差电压输入端D1(即输入端)与输入信号IN连接，其输出端S1A与所述窄带环路的输入端连接，输出端S1B与所述宽带环路和跟随器的输入端连接，由此实现对输入误差信号的路径选择，根据控制信号的状态选择进入宽带环路或者窄带环路。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述第二开关电路S2为一个单刀单掷开关，所述第二开关电路S2的输入端S与所述跟随器的输出端连接，输出端D与所述窄带环路的输入端连接，由此实现在宽带环路工作的同时，对窄带环路进行充电，所述第一开关电路S1切换到窄带环路时，窄带环路的充电时间将缩短，从而缩短整个环路锁定时间。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述第三开关电路S3为一个单刀双掷开关，所述第三开关电路S3的输入端S1A与所述窄带环路的输出端连接，输入端S1B与所述宽带环路的输出端连接，输出端D1作为所述双环路锁相环快速自动切换电路的输出信号OUT，由此实现将当前正在工作的电路连接到输出端，供后续电路使用。

所述跟随器为运放构成的跟随器或者其他电路构成的具有高输入阻抗低输出阻抗的跟随器电路。作为具体实施例，请参考图3所示，所述跟随器包括电阻R5和运算放大器U3，所述电阻R5为一普通电阻，用于对所述误差电压进行采样，所述电阻R5的一端与所述第一开关电路S1的输出端S1B连接，另一端与所述运算放大器U3的同相输入端+IN连接；作为一种实施方式，所述电阻R5的阻值为10KΩ。所述运算放大器U3为普通运算放大器，其电源端+VS与外部电源端Vcc连接，地端-Vs与地连接，同相输入端+IN与所述电阻R5的另一端连接，其反相输入端-IN和输出端Vout连接后，作为所述跟随器的总输出端与所述第二开关电路S2的输入端S连接。

所述宽带环路为满足锁相环锁定要求的具有最大环路带宽的环路滤波器，包括有源环路滤波器和无源环路滤波器。作为具体实施例，请参考图3所示，所述宽带环路由电阻R2、R8和R9，电容C6、C7、C8和C9，以及运算放大器U4构成，为有源环路滤波器。该环路滤波器的结构为传统有源环路滤波器结构，电阻R2、R8和R9为普通电阻，电容C6～C9为普通电容，运算放大器U4为普通运算放大器，其工作带宽为100MHz。由于宽带环路的结构已为本领域技术人员所熟知，其连接方式也不仅限于本线路图示出的结构，故不再赘述其内部元件取值和连接关系。具体地，所述宽带环路的输入端与所述第一开关电路S1的输出端S1B连接，所述宽带环路的输出端与所述第三开关电路S3的输入端S1B连接。

所述窄带环路为满足锁相环杂散性能要求的环路滤波器，其环路带宽通常要求比较窄，包括有源环路滤波器和无源环路滤波器。作为具体实施例，请参考图3所示，所述窄带环路由电阻R1、R6和R7，电容C1、C3、C4和C5，以及运算放大器U5构成，为有源环路滤波器。该环路滤波器的结构为传统有源环路滤波器结构，电阻R1、R6和R7为普通电阻，电容C1、C3、C4和C5为普通电容，运算放大器U5为低噪声运算放大器，其工作带宽为20MHz。窄带环路的结构已为本领域技术人员所熟知，其连接方式也不仅限于本线路图示出的结构，故不再赘述其内部元件取值和连接方式。具体地，窄带环路的输入端与所述第一开关电路S1的输出端S1A和所述第二开关电路S2的输出端D连接，所述窄带环路的输出端与所述第三开关电路S3的输入端S1A连接。

为了更加清楚的说明本发明的工作过程，以下将对本发明的工作原理进行详细说明。

其工作原理如下：在需要改变锁相环输出频率的时刻，首先将输入信号Cin置低，此时D触发器输出为低电平，后续的与门电路输出也为低电平，将与门电路输出作为开关电路的控制信号，使得第一开关电路S1选通S1-1支路，第三开关电路S3选通S3-1支路，第二开关电路S2导通，该状态下输入信号IN从宽带环路通过，并输出到OUT端；与此同时，跟随器对误差电压进行跟随，产生控制电压对窄带环路进行充电，此时电路工作在宽带环路状态。在完成锁相环内部寄存器配置之后，将输入信号Cin置高，由于此时环路还没有锁定，锁相环的锁定指示信号LD为低电平，D触发器电路输出信号仍然保持为低电平，环路依然工作在宽带环路状态，故环路将快速锁定。锁定之后，锁定指示信号LD跳变为高电平，D触发器输出改变为高电平，后续的与门电路输出跳变为高电平，将与门电路输出作为开关电路的控制信号，使得第一开关电路S1选通S1-2支路，第三开关电路S3选通S3-2支路，第二开关电路S2断开，该状态下跟随器输出与窄带环路断开，信号IN从窄带环路通过，并输出到OUT端，电路工作在窄带状态。由于经过跟随器的充电过程，窄带环路中的电容已经被充电，切换到窄带环路之后，环路将处于快捕带附近，将快速达到锁定状态。同时，由于将锁定指示信号LD作为D触发器的时钟信号，且信号Cin为高电平，在开关切换的过程中，即便锁定指示信号LD产生抖动，也不会影响D触发器的输出状态，所以本发明的电路不会产生反复切换的问题，电路将稳定的工作在窄带环路状态，达到良好的杂散抑制效果。

综上所述，本发明提供的双环路锁相环快速切换电路存在两个工作状态，即在需要改变频率的时刻，电路切换到宽带环路状态，可以获得较快的跳频时间，在宽带环路锁定之后，电路自动切换到窄带环路状态，由于电路已经锁定，窄带环路已经被充电，所以，环路处于快捕带附近，将在极短的时间内完成相位捕获，达到锁定状态，并工作在窄带状态，获得较好的杂散抑制。图4为传统单环窄带环路工作时锁定时间实测结果，图5为本发明电路实施例的锁定时间实测结果，在图4和图5中，曲线1为跳频触发信号，曲线2为锁定指示信号，从两图中可以看出，传统电路的锁定时间为32us，本发明电路实施例的锁定时间约为13.36us，大大降低了锁定时间。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，包括D触发器电路、与门电路、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、跟随器、宽带环路和窄带环路；其中，

所述D触发器电路的CLK输入端与输入信号LD连接，D输入端和CLR输入端与输入信号Cin连接，输出端Q与所述与门电路的第一输入端连接；

所述与门电路的第一输入端与所述D触发器电路的输出端Q连接，第二输入端与输入信号Cin连接，输出端Co与所述第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路的控制端连接；

所述第一开关电路的输入端与输入信号IN连接，第一输出端与所述宽带环路和跟随器的输入端连接，第二输出端与所述窄带环路的输入端连接；

所述第二开关电路的输入端与所述跟随器的输出端连接，输出端与所述窄带环路的输入端连接；

所述第三开关电路的第一输入端与所述宽带环路的输出端连接，第二输入端与所述窄带环路的输出端连接，输出端与输出信号OUT连接；所述输入信号LD为锁定指示信号；

所述输入信号IN为锁相环电路中鉴相器输出的误差信号；输入信号Cin为外部控制信号。

2.根据权利要求1所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路为快速低导通电阻的模拟开关。

3.根据权利要求2所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述第一开关电路为一个单刀双掷开关，所述第一开关电路的误差电压输入端与输入信号IN连接，输出端S1A与所述窄带环路的输入端连接，输出端S1B与所述宽带环路和跟随器的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述第二开关电路为一个单刀单掷开关，所述第二开关电路的输入端S与所述跟随器的输出端连接，输出端D与所述窄带环路的输入端连接。

5.根据权利要求2所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述第三开关电路为一个单刀双掷开关，所述第三开关电路的输入端S1A与所述窄带环路的输出端连接，输入端S1B与所述宽带环路的输出端连接，输出端D1作为所述双环路锁相环快速自动切换电路的输出信号OUT。

6.根据权利要求1所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述跟随器包括电阻R5和运算放大器U3，所述电阻R5的一端与所述第一开关电路的第一输出端连接，另一端与所述运算放大器U3的同相输入端连接，所述运算放大器U3的反相输入端和输出端连接后，作为所述跟随器的总输出端与所述第二开关电路的输入端连接。

7.根据权利要求1所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述宽带环路为有源环路滤波器或无源环路滤波器。

8.根据权利要求1所述的双环路锁相环快速自动切换电路，其特征在于，所述窄带环路为有源环路滤波器或无源环路滤波器。