CN106027044B - 一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法，属于测试技术领域，包括锁相环、预置DAC、上位机、小数分频电路、温度监测电路、失锁检测电路、分频器以及混频器。本发明实现了锁相环预置频率的自动校准，减少了调试工作量，提高了可生产性；通过预置频率自动校准方法，可实现任意点数的预置频率校准；通过温度监测电路对环境温度进行监测，随着温度变化调用对应温度的预置DAC数据，避免了在不同温度环境下由于振荡器频率漂移导致频率合成器锁相环电路失锁，提高了频率合成器的可靠性，实现了在不同温度下多环频率合成器预置频率的自动校准及调用，极大提高了频率合成器的环境适应性，可在宽温度范围内正常工作。

Description

一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法。

背景技术

在测试技术领域，频率合成器是电子测量仪器的重要组成部分。频率合成器可采用直接频率合成技术(DS，Direct Frequency Synthesis)、锁相频率合成技术(PLL)和直接数字频率合成技术DDS(Direct Digital Synthesis)。锁相频率合成技术是利用一个或几个参考频率源，通过混频或分频等方式产生一系列的组合频率，然后用锁相环把压控振荡器的频率锁在参考频率上。其优点在于锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，因此能很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，有利于集成化和小型化。在高端电子测量仪器中，为了满足宽带、低噪声、高分辨率的要求，作为本振或参考源的频率合成器一般由多个锁相环构成。当采用多环频率合成方案时，若各锁相环路都选用了宽带振荡器，受到环路滤波器输出电压范围的限制，需要将振荡器先预置到某一频率，环路滤波器的输出电压处于于其输出电压范围的中间值。

图1所示为现有的一种实现宽带、高分辨率、超低噪声的频率合成振荡器预置频率的自动校准系统的硬件原理图。该方案中共使用了三个宽带振荡器，为了使环路正常锁定，需要对锁相环1、锁相环2、锁相环3的振荡器分别进行频率预置。具体的实现方法如下：

1)通过上位机控制预置DAC，使用频率测量仪器测量振荡器输出频率；

2)记录不同频率对应预置DAC的数值，并存储在上位机；

3)根据不同频率对应的预置DAC数值，通过线性插值方式计算出振荡器整个输出频率范围内各点对应的预置DAC值。

现有多环频率合成振荡器频率预置技术方案需使用频率测量仪器对各振荡器的频率在常温下进行测量，振荡器有温漂特性，常温的预置数据在高温或低温时将不再准确，当振荡器温漂较大时会导致锁相环失锁；使用频率测量仪器对多个振荡器进行频率测试，效率较低；振荡器调谐灵敏度线性不好，每个预置DAC的校准点较少时，通过线性插值计算出的预置值会有较大误差，同样会造成锁相环失锁，若增加校准点数会是调试工作量成倍增长。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多环频率合成器预置频率自动校准系统，包括上位机、锁相环、预置DAC、小数分频电路、温度监测电路、失锁检测电路、分频器以及混频器；

所述上位机，被配置为用于进行频率合成器参数的设置以及自动校准算法的实现；

所述锁相环，包括第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环；被配置为用于锁定相位；第一锁相环和第三锁相环通过小数分频电路连接；所述预置DAC，包括第一预置DAC、第二预置DAC和第三预置DAC；被配置为用于分别预置第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环的输出频率；

所述小数分频电路，包括可编程控制器和多模分频器，所述可编程控制器，被配置为用于控制多模分频器实现小数分频及频率测量；多模分频器的一端和第一锁相环的一端通过线路连接，多模分频器的另一端和可编程控制器通过线路连接，可编程控制器和第一锁相环的另一端通过线路连接；可编程控制器分别与上位机、温度监测电路、失锁检测电路、第三分频器、第一预置DAC、第二预置DAC以及第三预置DAC通过线路连接；所述温度监测电路，被配置为用于监测校准系统的温度；

所述失锁检测电路，被配置为用于检测第三锁相环是否锁定；

所述分频器，包括第一分频器和第三分频器；

所述第一分频器，被配置为用于对第一锁相环的输出频率进行分频；

所述第三分频器，被配置为用于对第三锁相环的输出频率进行分频；

所述混频器，被配置为用于对第二锁相环和第三锁相环的输出频率进行下变频。

优选地，所述第一锁相环包括第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器，所述第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器通过线路依次连接，所述第一振荡器通过线路和第一预置DAC连接。

优选地，所述第三锁相环包括第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器，所述第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器通过线路依次连接，所述第三振荡器通过线路和第三预置DAC连接。

此外，本发明还提到一种多环频率合成器预置频率自动校准方法，该方法采用如上所述的一种多环频率合成器预置频率自动校准系统，包括如下步骤：

步骤1：完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准；

步骤2：完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准；

步骤3：当第一锁相环、第三锁相环均处于锁定状态时，第一锁相环的输出频率Fout1、第三锁相环的输出频率Fout3与第二锁相环的输出频率Fout2之间的关系为：

当Fout3＞Fout2时，第三锁相环的第三鉴相器的方向为正，此时Fout1/N＝Fout3-Fout2；其中，N为第一分频器的分频比；

当Fout3＜Fout2时，第三锁相环的第三鉴相器的方向为负，此时Fout1/N＝Fout2-Fout3；

步骤4：设置第一锁相环在锁定状态下的输出频率fout1＝F1’；

步骤5：设定第二锁相环的预置频率为F2’，并将第二锁相环设置为开环状态，并设置第二DAC的初始值为0；

步骤6：设置第三锁相环的第三鉴相器的方向为正，根据步骤3中输出频率的关系式以及步骤4中的输出频率F1’和步骤5中的预置频率F2’，计算出第三锁相环应设定的频率F3’＝F1’/N+F2’；

步骤7：调整第二预置DAC，并通过失锁检测电路检测第三锁相环是否锁定；

若：判断结果是第三锁相环锁定，则执行步骤8；

或：判断结果是第三锁相环没有锁定，则重复步骤7，并继续调整第二预置DAC的值，若第二预置DAC的值由最小到最大调整过程中第三锁相环均判断为未锁定，则提示校准失败；

步骤8：继续调整第二DAC的值，通过可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤9：当第三锁相环的输出频率Fout3与步骤6中的设定值F3’相等或相近时，第二锁相环的输出频率Fout2与步骤5中的设定值F2’相等或相近，完成第二锁相环的预置频率F2’的校准；

步骤10：重复步骤5-步骤9，直至完成第二锁相环的N2个频率点的预置频率的校准。

优选地，在步骤1中，具体包括：

步骤1.1：将第一锁相环设置为开环状态，将第一环路滤波器的输出电压设置为0V，将第一预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤1.2：调整第一预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤1.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第一锁相环的输出频率Fout1；

步骤1.4：将第一锁相环的输出频率Fout1与其预置频率F1进行比较，若输出频率Fout1与预置频率F1不相等，则继续调整第一预置DAC的值，直到Fout1等于或接近于预置频率F1，完成第一锁相环的预置频率F1的校准；

步骤1.5：重复步骤1.4，直至完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准。

优选地，在步骤2中，具体包括：

步骤2.1：将第三锁相环设置为开环状态，将第三环路滤波器的输出电压设置为0V，将第三预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤2.2：调整第三预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤2.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤2.4：将第三锁相环的输出频率Fout3与其预置频率F3进行比较，若输出频率Fout3与预置频率F3不相等，则继续调整第三预置DAC的值，直到Fout3等于或接近于预置频率F3，完成第三锁相环的预置频率F3的校准；

步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种多环频率合成器预置频率自动校准系统及方法，与现有技术相比，本发明通过预置频率自动校准系统，不需使用测量仪器可完成振荡器频率预置点的自动校准，减少了频率合成器的调试工作量，提高了产品的可生产性；通过预置频率自动校准方法，可实现任意点数的预置频率校准；通过小数分频电路实现小数分频同时实现锁相环预置频率的自动校准及利用环路跟踪特性实现多环频率合成器某一环路的自动校准，未增加电路的复杂性，节省了成本，同时提高了锁相环的可靠性；通过温度监测电路对环境温度进行监测，随着温度变化调用对应温度的预置DAC数据，避免了在不同温度环境下由于振荡器频率漂移导致频率合成器锁相环电路失锁，提高了频率合成器的可靠性，实现了在不同温度下多环频率合成器预置频率的自动校准及调用，极大提高了频率合成器的环境适应性，可在宽温度范围内正常工作。

附图说明

图1为现有多环频率合成振荡器预置频率自动校准系统的硬件原理图。

图2为本发明多环频率合成器预置频率自动校准系统的硬件原理图。

图3为本发明中第一锁相环的预置频率自动校准的原理框图。

图4为本发明多环频率合成器预置频率自动校准方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图2-3所示的多环频率合成器预置频率自动校准系统，包括上位机、锁相环、预置DAC、小数分频电路、温度监测电路、失锁检测电路、分频器以及混频器；

所述上位机，被配置为用于进行频率合成器参数的设置以及自动校准算法的实现；

所述锁相环，包括第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环；被配置为用于锁定相位；第一锁相环和第三锁相环通过小数分频电路连接；

所述预置DAC，包括第一预置DAC、第二预置DAC和第三预置DAC；被配置为用于分别预置第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环的输出频率；

所述小数分频电路，包括可编程控制器和多模分频器，所述可编程控制器，被配置为用于控制多模分频器实现小数分频及频率测量；多模分频器的一端和第一锁相环的一端通过线路连接，多模分频器的另一端和可编程控制器通过线路连接，可编程控制器和第一锁相环的另一端通过线路连接；可编程控制器分别与上位机、温度监测电路、失锁检测电路、第三分频器、第一预置DAC、第二预置DAC以及第三预置DAC通过线路连接；所述温度监测电路，被配置为用于监测校准系统的温度；

所述失锁检测电路，被配置为用于检测第三锁相环是否锁定；

所述分频器，包括第一分频器和第三分频器；

所述第一分频器，被配置为用于对第一锁相环的输出频率进行分频；

所述第三分频器，被配置为用于对第三锁相环的输出频率进行分频；

所述混频器，被配置为用于对第二锁相环和第三锁相环的输出频率进行下变频。

所述第一锁相环包括第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器，所述第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器通过线路依次连接，所述第一振荡器通过线路和第一预置DAC连接。

所述第三锁相环包括第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器，所述第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器通过线路依次连接，所述第三振荡器通过线路和第三预置DAC连接。

实施2：

在上述实施例的基础上，本发明提供一种多环频率合成器预置频率自动校准方法(如图4所示)，用于对多环频率合成器预置频率进行自动校准，具体包括如下步骤：

步骤1：完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准；

步骤2：完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准；

步骤3：当第一锁相环、第三锁相环均处于锁定状态时，第一锁相环的输出频率Fout1、第三锁相环的输出频率Fout3与第二锁相环的输出频率Fout2之间的关系为：

当Fout3＞Fout2时，第三锁相环的第三鉴相器的方向为正，此时Fout1/N＝Fout3-Fout2；其中，N为第一分频器的分频比；

当Fout3＜Fout2时，第三锁相环的第三鉴相器的方向为负，此时Fout1/N＝Fout2-Fout3；

步骤4：设置第一锁相环在锁定状态下的输出频率fout1＝F1’；

步骤5：设定第二锁相环的预置频率为F2’，并将第二锁相环设置为开环状态，并设置第二DAC的初始值为0；

步骤6：设置第三锁相环的第三鉴相器的方向为正，根据步骤3中输出频率的关系式以及步骤4中的输出频率F1’和步骤5中的预置频率F2’，计算出第三锁相环应设定的频率F3’＝F1’/N+F2’；

步骤7：调整第二预置DAC，并通过失锁检测电路检测第三锁相环是否锁定；

若：判断结果是第三锁相环锁定，则执行步骤8；

或：判断结果是第三锁相环没有锁定，则重复步骤7，并继续调整第二预置DAC的值，若第二预置DAC的值由最小到最大调整过程中第三锁相环均判断为未锁定，则提示校准失败；

步骤8：继续调整第二DAC的值，通过可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤9：当第三锁相环的输出频率Fout3与步骤6中的设定值F3’相等或相近时，第二锁相环的输出频率Fout2与步骤5中的设定值F2’相等或相近，完成第二锁相环的预置频率F2’的校准；

步骤10：重复步骤5-步骤9，直至完成第二锁相环的N2个频率点的预置频率的校准。

在步骤1中，具体包括：

步骤1.1：将第一锁相环设置为开环状态，将第一环路滤波器的输出电压设置为0V，将第一预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤1.2：调整第一预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤1.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第一锁相环的输出频率Fout1；

步骤1.4：将第一锁相环的输出频率Fout1与其预置频率F1进行比较，若输出频率Fout1与预置频率F1不相等，则继续调整第一预置DAC的值，直到Fout1等于或接近于预置频率F1，完成第一锁相环的预置频率F1的校准；

步骤1.5：重复步骤1.4，直至完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准。

在步骤2中，具体包括：

步骤2.1：将第三锁相环设置为开环状态，将第三环路滤波器的输出电压设置为0V，将第三预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤2.2：调整第三预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤2.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤2.4：将第三锁相环的输出频率Fout3与其预置频率F3进行比较，若输出频率Fout3与预置频率F3不相等，则继续调整第三预置DAC的值，直到Fout3等于或接近于预置频率F3，完成第三锁相环的预置频率F3的校准；

步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准。

本发明通过预置频率自动校准系统，不需使用测量仪器可完成振荡器频率预置点的自动校准，减少了频率合成器的调试工作量，提高了产品的可生产性；通过预置频率自动校准方法，可实现任意点数的预置频率校准；通过小数分频电路实现小数分频同时实现锁相环预置频率的自动校准及利用环路跟踪特性实现多环频率合成器某一环路的自动校准，未增加电路的复杂性，节省了成本，同时提高了锁相环的可靠性；通过温度监测电路对环境温度进行监测，随着温度变化调用对应温度的预置DAC数据，避免了在不同温度环境下由于振荡器频率漂移导致频率合成器锁相环电路失锁，提高了频率合成器的可靠性，实现了在不同温度下多环频率合成器预置频率的自动校准及调用，极大提高了频率合成器的环境适应性，可在宽温度范围内正常工作。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多环频率合成器预置频率自动校准系统，其特征在于：包括上位机、锁相环、预置DAC、小数分频电路、温度监测电路、失锁检测电路、分频器以及混频器；

所述上位机，被配置为用于进行频率合成器参数的设置以及自动校准算法的实现；

所述锁相环，包括第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环；被配置为用于锁定相位；第一锁相环和第三锁相环通过第一分频器连接；

所述预置DAC，包括第一预置DAC、第二预置DAC和第三预置DAC；被配置为用于分别预置第一锁相环、第二锁相环和第三锁相环的输出频率；

所述小数分频电路，包括可编程控制器和多模分频器，所述可编程控制器，被配置为用于控制多模分频器实现小数分频及频率测量；多模分频器的一端和第一锁相环的一端通过线路连接，多模分频器的另一端和可编程控制器通过线路连接，可编程控制器和第一锁相环的另一端通过线路连接；可编程控制器分别与上位机、温度监测电路、失锁检测电路、第三分频器、第一预置DAC、第二预置DAC以及第三预置DAC通过线路连接；所述温度监测电路，被配置为用于检测频率合成器工作的环境温度；

所述失锁检测电路，被配置为用于检测第三锁相环是否锁定；

所述分频器，包括第一分频器和第三分频器；

所述第一分频器，被配置为用于对第一锁相环的输出频率进行分频；

所述第三分频器，被配置为用于对第三锁相环的输出频率进行分频；

所述混频器，被配置为用于对第二锁相环和第三锁相环的输出频率进行下变频。

2.根据权利要求1所述的多环频率合成器预置频率自动校准系统，其特征在于：所述第一锁相环包括第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器，所述第一鉴相器、第一环路滤波器和第一振荡器通过线路依次连接，所述第一振荡器通过线路和第一预置DAC连接。

3.根据权利要求1所述的多环频率合成器预置频率自动校准系统，其特征在于：所述第三锁相环包括第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器，所述第三鉴相器、第三环路滤波器和第三振荡器通过线路依次连接，所述第三振荡器通过线路和第三预置DAC连接。

4.一种多环频率合成器预置频率自动校准方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种多环频率合成器预置频率自动校准系统，包括如下步骤：

步骤1：完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准；

步骤2：完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准；

步骤3：当第一锁相环、第三锁相环均处于锁定状态时，第一锁相环的输出频率Fout1、第三锁相环的输出频率Fout3与第二锁相环的输出频率Fout2之间的关系为：

当Fout3＞Fout2，第三锁相环的第三鉴相器的方向为正时，此时Fout1/N＝Fout3-Fout2；其中，N为第一分频器的分频比；

当Fout3＜Fout2，第三锁相环的第三鉴相器的方向为负时，此时Fout1/N＝Fout2-Fout3；

步骤4：设置第一锁相环在锁定状态下的输出频率fout1＝F1’；

步骤5：设定第二锁相环的预置频率为F2’，并将第二锁相环设置为开环状态，并设置第二DAC的初始值为0；

步骤6：设置第三锁相环的第三鉴相器的方向为正，根据步骤3中输出频率的关系式以及步骤4中的输出频率F1’和步骤5中的预置频率F2’，计算出第三锁相环应设定的频率F3’＝F1’/N+F2’；

步骤7：调整第二预置DAC，并通过失锁检测电路检测第三锁相环是否锁定；

若：判断结果是第三锁相环锁定，则执行步骤8；

或：判断结果是第三锁相环没有锁定，则重复步骤7，并继续调整第二预置DAC的值，若第二预置DAC的值由最小到最大调整过程中第三锁相环均判断为未锁定，则提示校准失败；

步骤8：继续调整第二预置DAC的值，通过可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤9：当第三锁相环的输出频率Fout3与步骤6中的设定值F3’相等或相近时，第二锁相环的输出频率Fout2与步骤5中的设定值F2’相等或相近，完成第二锁相环的预置频率F2’的校准；

步骤10：重复步骤5-步骤9，直至完成第二锁相环的N2个频率点的预置频率的校准。

5.根据权利要求4所述的多环频率合成器预置频率自动校准方法，其特征在于：在步骤1中，具体包括：

步骤1.1：将第一锁相环设置为开环状态，将第一环路滤波器的输出电压设置为0V，将第一预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤1.2：调整第一预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤1.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第一锁相环的输出频率Fout1；

步骤1.4：将第一锁相环的输出频率Fout1与其预置频率F1进行比较，若输出频率Fout1与预置频率F1不相等，则继续调整第一预置DAC的值，直到Fout1等于或接近于预置频率F1，完成第一锁相环的预置频率F1的校准；

步骤1.5：重复步骤1.4，直至完成第一锁相环的N1个频率点的预置频率的校准。

6.根据权利要求4所述的多环频率合成器预置频率自动校准方法，其特征在于：在步骤2中，具体包括：

步骤2.1：将第三锁相环设置为开环状态，将第三环路滤波器的输出电压设置为0V，将第三预置DAC的初始值设置为0，将小数分频电路设置为固定分频比；

步骤2.2：调整第三预置DAC的输出电压，通过可编程控制器中的频率测量模块测得经小数分频电路分频后的频率值；

步骤2.3：根据可编程控制器中的频率测量模块返回的频率值以及小数分频电路的固定分频比计算出第三锁相环的输出频率Fout3；

步骤2.4：将第三锁相环的输出频率Fout3与其预置频率F3进行比较，若输出频率Fout3与预置频率F3不相等，则继续调整第三预置DAC的值，直到Fout3等于或接近于预置频率F3，完成第三锁相环的预置频率F3的校准；

步骤2.5：重复步骤2.4，直至完成第三锁相环的N3个频率点的预置频率的校准。