CN106199184A - 一种具有快速锁相功能的频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有快速锁相功能的频谱分析仪，包括锁相环，其中锁相环包括：鉴相单元，用于依据参考时钟和压控振荡信号产生相位误差；环路滤波器，用于对相位误差进行滤波，产生一个误差电压；压控振荡器，用于依据一个压控电压产生具有锁定频率的压控振荡信号；电压控制模块，用于依据当前的扫描频率和预置公式产生一个预置电压；运算器，用于将所述的误差电压和所述的预置电压进行运算，产生压控电压。本发明中，通过预先计算得到压控振荡器的压控电压，使得误差电压保持在一个较小的变化范围，实现了对压控振荡器输出频率的快速锁定，极大地提高了锁相环的锁定时间，进而满足了频谱分析仪对快速扫描时间的要求。

Description

一种具有快速锁相功能的频谱分析仪

技术领域

本发明涉及频谱分析领域，特别是涉及一种具有快速锁相功能的频谱分析仪。

背景技术

频谱分析仪是一种用来对被测信号进行频谱分析的接收机，可以测量未知信号的频率、幅值、失真等相关参数，通常具有很宽的频率和幅值测量范围。主要应用于基站维护、电子产品研发、生产等领域。

现有的频谱分析仪设计中，多采用多级混频的方案实现，本振频率发生电路，它决定着频谱分析仪的相位噪声，扫描速度等指标。如图1所示，为现有技术中频谱分析仪的第一本振采用的锁相环100的结构。该锁相环100包括鉴相单元101，用于比较参考时钟和分频信号的相位，产生相位误差；环路滤波器102，用于对所述的相位误差进行滤波，产生压控电压并输出；压控振荡器103，用于依据所述压控电压产生具有锁定频率的压控振荡信号；分频模块104，用于对所述的压控振荡信号进行分频，产生所述的分频信号。在这种方案中，锁相环100的锁定时间很大程度上由环路滤波器102的带宽决定，环路带宽越宽，锁定时间越短；反之，环路带宽越窄，则锁定时间越长。并且在同样的环路滤波器102带宽设置下，锁相环100中压控振荡器103的压控电压变化越大，对应的锁定时间也会越长。比如同样的设置状态下，压控电压从0V变化到25V一定会比从0V变化到5V需要的时间长。因为压控振荡器103的覆盖范围比较宽，所以压控电压的变化范围很大，通常压控电压变化一般是从0V变化到30V左右。在这种设计方案中，不但环路带宽的改变对锁定时间变快的作用是有限的，而且环路带宽的调整还会涉及到相位噪声，谱线形状等指标，当扫描时间要求比较快的情况下，只靠调整环路带宽来加快锁定时间很难实现。

发明内容

为了解决现有技术中存在的当频谱分析仪的扫描时间要求比较快的情况下，不能只靠调整环路带宽来加快锁定时间的问题，本发明提供了一种具有快速锁相功能的频谱分析仪，实现了对设定频率的快速锁定，极大地提高了锁相环的锁定时间，进而满足了频谱分析仪对快速扫描时间的要求。

本发明提供了一种具有快速锁相功能的频谱分析仪，包括锁相环，所述的锁相环包括：

鉴相单元，用于依据参考时钟和压控振荡信号产生相位误差；

环路滤波器，用于对所述的相位误差进行滤波，产生一个误差电压；

压控振荡器，用于依据一个压控电压产生具有锁定频率的压控振荡信号；

电压控制模块，用于依据当前的扫描频率和预置公式产生一个预置电压；

运算器，用于将所述的误差电压和所述的预置电压进行运算，产生所述的压控电压。

通过本发明，将电压控制模块产生的预置电压和通过环路滤波器的误差电压进行运算，得到压控振荡器的压控电压，使得误差电压保持在一个较小的变化范围，实现了对压控振荡器输出频率的快速锁定，极大地提高了锁相环的锁定时间，进而满足了频谱分析仪对快速扫描时间的要求。

作为一个举例说明，所述的电压控制模块包括：控制单元，用于依据当前的扫描频率获取锁定频率，并依据锁定频率和预置公式计算出数字预置电压；电压预置模块，用于将所述的数字预置电压进行数模转换，产生预置电压。

作为一个举例说明，所述的预置公式是依据压控振荡器的理想灵敏度曲线计算出的锁定频率、所述的预置电压和预置误差电压之间的关系式，其中，所述的预置误差电压为一个常量。

作为一个举例说明，所述的控制单元为DSP。

作为一个举例说明，所述的电压预制模块为DAC。

作为一个举例说明，所述的运算器由加法器构成。

作为一个举例说明，所述的鉴相单元包括：分频器，用于对压控震荡信号进行分频，产生分频信号；鉴相器，用于比较参考时钟和分频信号的相位，产生所述的相位误差。

附图说明

图1是现有技术公开的频谱分析仪采用的锁相环100的结构示意图；

图2是本发明实施例的频谱分析仪采用的锁相环200的结构示意图；

图3是本发明实施例压控电压与压控振荡器203输出频率的曲线示意图；

图4是本发明实施例运算器205的一个举例说明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

参照图2，示出了本发明实施例提供的具有快速锁相功能的频谱分析仪采用的锁相环200的结构示意图，锁相环200包括：鉴相单元201，用于依据参考时钟和压控振荡信号产生相位误差；环路滤波器202，用于对相位误差进行滤波，产生一个误差电压V1；压控振荡器203，用于依据一个压控电压V3产生具有锁定频率的压控振荡信号；电压控制模块204，用于依据当前的扫描频率和预置公式产生一个预置电压V2；运算器205，用于将所述的误差电压V1和所述的预置电压V2进行运算，产生所述的压控电压V3。

作为一个举例说明，如图2所示，鉴相单元201包括：鉴相器2021、分频器2022，分频器2022用于对压控震荡信号进行分频，产生分频信号；鉴相器2021，用于比较参考时钟和分频信号的相位，产生相位误差。

作为另外一个举例说明，鉴相单元201中的鉴相器2021还可以替换为集成频率合成器。

作为一个举例说明，如图2所示，本优选实施例中，电压控制模块204包括：控制单元2041和电压预制模块2042，控制单元2041用于依据当前的扫描频率获取锁定频率，并依据锁定频率和预置公式计算出数字预置电压；电压预制模块2042用于将所述的数字预置电压进行数模转换，产生预置电压V2。

作为一个举例说明，电压预置模块2042为DAC，控制单元2041为DSP。

作为一个举例说明，本实施例中，运算器205由加法器构成，如图4所示，通过该加法器，将环路滤波器202输出的误差电压V1和电压控制模块204输出的预置电压V2进行运算，得到压控振荡器203的压控电压V3。

具体的，由图4可以得出，加法器的输出电压V3＝V1+(V1–V2)×(R2/R1)(公式1)，本实施例中，假设V1为一个常量，该常量值的大小接近V1，即本发明中所述的预置误差电压V1’，V3即为输入至压控振荡器203的压控电压。

在本实施例中，输入至压控振荡器203的压控电压V3是由电压控制模块204输出的预置电压V2和环路滤波器202产生的误差电压V1通过运算得到的。预置电压V2是由电压控制模块204依据当前的扫描频率和预置公式产生的，预置公式是依据压控振荡器203的理想灵敏度曲线计算出的锁定频率、所述的预置电压V2和预置误差电压V1’之间的关系式，其中，预置误差电压V1’为一个常量。该预置电压V2接近要锁定的频率点(即，锁定频率)对应的压控电压V3。当前的锁定频率是由频谱分析仪屏幕上当前的扫描频率决定的，已知当前的扫描频率，可以准确计算出当前的锁定频率，当前的扫描频率是由软件控制的。

作为一个举例说明，本实施例中采用的压控振荡器203的频率变化范围为5.9GHz至7.5GHz，压控电压V3的变化范围为0V至25V，压控电压V3与压控振荡器203的输出频率之间的关系曲线可以通过压控振荡器203的数据手册得到，或者通过测试得到。本实施例中采用的压控振荡器203的灵敏度曲线如图3中曲线1所示，曲线2为压控振荡器203的理想灵敏度曲线，由此可知，该压控振荡器203的灵敏度曲线并不是理想线性的。

本实施例中，根据压控振荡器203理想灵敏度曲线，可以得出，压控振荡器203的输出频率fo(即，锁定频率)与压控电压V3之间的关系式为fo＝64.34×V3+5936(公式2)。

在上述公式1中，假设V1＝V1’(即，预置误差电压V1’)，则可以结合公式1和公式2，可以得到，V2＝-(fo/64.34)R1/R2+(1+R1/R2)V1’+92.26R1/R2(公式3)。当加法器电路确定后，R1/R2就是一个常量，V1’也为一个常量，记((1+R1/R2)V1’+92.26R1/R2)为A，则，V2＝-(fo/64.34)R1/R2+A(公式4)，即为上述的预置公式。

作为另一个举例说明，运算器205还可以是其他运算，例如减法器等。

由上述预置公式可知，该公式是依据压控振荡器203的理想灵敏度曲线计算出的锁定频率fo、所述的预置电压V2和预置误差电压V1’之间的关系式，其中，预置误差电压V1’为接近误差电压V1的常量。因为实际的压控振荡器203的灵敏度曲线并非理想线性的，所以该预置电压V2与锁定频率fo对应的准确的压控电压V3之间存在一定的差异，该差异一般较小，环路滤波器202输出的误差电压V1就是该差值，该误差电压V1的大小取决于压控振荡器203的线性度以及电压控制模块204中的预置公式。

每改变一次锁定频率fo值时，电压控制模块204就要计算出一个预置电压V2并输出，压控振荡器203输出的锁定频率fo也很快由当前频率改变为下一个锁定频率fo附近，但因为压控振荡器203真实灵敏度曲线并不是理想的线性，所以根据预置公式得到的预置电压V2并不能使压控振荡器203的输出频率精确等于锁定频率fo，若精确锁定还需要锁相环200的捕获跟踪作用。

压控振荡器203的灵敏度曲线越接近理想线性，误差电压V1的变化范围就越小，可以通过校准得到比较准确的压控振荡器203的灵敏度曲线，并写入控制程序中，以保证误差电压V1保持较小的变化范围。这样通过预先运算出预置电压V2的方法，即使当前环路带宽比较窄时，也可以使得锁相环200的锁定时间比较短，进而满足了频谱分析仪对快速扫描时间的要求。

作为一个举例说明，结合图2，以上述压控振荡器203为例，当前加法器中R1/R2为1。假设首先需要锁定的输出频率fo为6500MHz，当设置了该频率值后，控制单元2041依据预置公式计算得到预置电压V2的值为-6.766V，同时配置给电压预置模块2042，将其转换为模拟电压并输出，压控振荡器203的输出频率值从前一个频率很快变化至6500MHz左右，并经过锁相环200的捕获跟踪，使得压控振荡器203准确锁定至6500MHz，测试此时的误差电压V1为0.95V；若又需要改变锁定的输出频率fo为7000MHz，当设置了该频率值后，控制单元2041根据预置公式计算得到预置电压V2的值为-14.54V，同时配置给电压预置模块2042，将其转换为模拟电压并输出，压控振荡器203的输出频率值从6500MHz很快变化至7000MHz左右，并经过锁相环200的捕获跟踪，使得压控振荡器203准确锁定至7000MHz，测试此时误差电压V1为1.13V。通过上述的方法，在这两个频率点之间切换时，锁相环200输出的误差电压V1变化量只有0.18V，若采用现有技术中的方法，在这两个频率点间切换时，锁相环200输出的误差电压V1变化量约7.8V(即上述两个频段对应的误差电压值V1的差，可测通过试得到)。因此，当锁相环的环路带宽一定时，误差电压V1的变化量越小，对应的锁定时间也会越短，所以我们希望误差电压V1在比较小的范围内变化，比如希望V1输出的电压值一直保持在1V左右。即使当前环路带宽比较窄时，也可以使得锁相环200的锁定时间比较短，进而满足了频谱分析仪对快速扫描时间的要求。

作为一个举例说明，压控振荡器203与鉴相单元201之间还可以连接放大器，定向耦合器等。

以上所述的仅为本发明的实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有快速锁相功能的频谱分析仪，包括锁相环，所述锁相环包括：

鉴相单元，用于依据参考时钟和压控振荡信号产生相位误差；

环路滤波器，用于对所述相位误差进行滤波，产生一个误差电压；

压控振荡器，用于依据一个压控电压产生具有锁定频率的压控振荡信号；

其特征在于，还包括：

电压控制模块，用于依据当前的扫描频率和预置公式产生一个预置电压；

运算器，用于将所述的误差电压和所述的预置电压进行运算，产生所述的压控电压。

2.依据权利要求1所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的电压控制模块包括：

控制单元，用于依据当前的扫描频率获取锁定频率，并依据锁定频率和预置公式计算出数字预置电压；

电压预置模块，用于将所述的数字预置电压进行数模转换，产生所述的预置电压。

3.依据权利要求2所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的预置公式是依据压控振荡器的理想灵敏度曲线计算出的锁定频率、所述的预置电压和预置误差电压之间的关系式，其中，所述的预置误差电压为一个常量。

4.依据权利要求3所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的控制单元为DSP。

5.依据权利要求3所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的电压预置模块为DAC。

6.依据权利要求1所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的运算器由加法器构成。

7.依据权利要求1至5任意一项权利要求所述的具有快速锁相功能的频谱分析仪，其特征在于，所述的鉴相单元包括：

分频器，用于对所述的压控震荡信号进行分频，产生分频信号；

鉴相器，用于比较参考时钟和所述的分频信号的相位，产生所述的相位误差。