CN110417406A - 采用集成多段式宽带vco实现宽带频率源的数字锁相环 - Google Patents

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Abstract

本发明为采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环，解决宽带VCO锁相环功耗大、体积大、成本高的问题，频率综合器的输入接外部参考信号，输出端连接环路滤波器，频率综合器控制端口连接控制信号1，环路滤波器输出端连接集成多段式宽带VCO的调谐端，集成多段式宽带VCO分频输出端口连接频率综合器的反馈输入端口，射频输出端口输出所需的信号，控制端口连接控制信号2，频率综合器采用HMC704，集成多段式宽带VCO选用仕芯半导体的集成多段式宽带VCO SIV100SP4，输出频率为10GHz～20GHz，采用内置4分频输出反馈到鉴相器，控制信号1对频率综合器进行配置，控制信号2对集成多段式宽带VCO进行频段选择，最终输出所需要的频率。

Description

采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环
技术领域
本发明与宽带VCO锁相环有关。
背景技术
锁相环（phase locked loop）是一种利用相位同步产生电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。锁相环主要由预分频器、反馈分频器、鉴相器、频率综合器、路滤波器和压控振荡器组成。在实际电路中一般使用一个频率综合器来实现预分频器、反馈分频器、鉴相器的功能，预分频器的作用是根据锁相环设计的需要将输入参考信号的频率进行调整，得到合适的鉴相频率。反馈分频器是一个程控分频器，通过修改程序控制字可以实现对分频比的调整。数字锁相环采用基于数字鉴相器和电荷泵的结构，使得锁相环的捕获带理论上可达到无限大，稳态相差可完全消除，数字锁相环的这些优点使其成为现代间接频率合成的主流技术。
在现有的锁相环设计中要实现宽带的频率信号输出，一般采用多个压控振荡器（VCO）进行切换或者采用宽带VCO两种方案。
用多个窄带VCO通过开关进行切换合成，最终输出所需的宽带频率信号，该方案在实际使用中需要使用多个VCO，还需要额外增加开关电路，实现难度大，功耗高，占用体积大，成本高。
宽带VCO锁相技术可以直接输出所需的宽带频率信号，但需要外加分频器且由于宽带VCO的相位噪声一般较差（比窄带VCO差10dB左右），导致最终输出的宽带频率信号相位噪声较差。宽带VCO锁相环功耗大、体积大、成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种功耗少，体积小，成本低，相位噪声小的采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环。
本发明是这样实现的：
采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环，由频率综合器、环路滤波器和压控振荡器组成，频率综合器的输入接外部参考信号，输出端连接环路滤波器，频率综合器控制端口连接第1控制信号1，环路滤波器输出端连接集成多段式宽带VCO的调谐端，集成多段式宽带VCO分频输出端口连接频率综合器的反馈输入端口，射频输出端口输出所需的信号，控制端口连接第2控制信号2，频率综合器采用HMC704， 集成多段式宽带VCO选用仕芯半导体的集成多段式宽带VCO SIV100SP4，输出频率为10GHz～20GHz，采用内置4分频输出反馈到鉴相器，第1控制信号通过SPI通讯，对频率综合器内部寄存器进行配置，详细配置方式见器件说明书，第2控制信号使用并行方式对集成多段式宽带VCO的5、6、7、8管脚控制，继而进行频段选择，最终输出所需要的频率，详细频段选择方式见器件说明书，第1、2控制信号由同一外部单片机或可编程控制器FPGA产生。
外部供电+6V，经过电源模块内部的低压差稳压器稳压至5V和3.3V，给恒温晶振、频率综合器、集成多段式宽带VCO和放大器进行供电，恒温晶振输出的参考信号接频率综合器输入，频率综合器的输出接集成多段式宽带VCO，集成多段式宽带VCO的一路输出信号接开关，一路分频信号输出接微带功分器，微带功分器分别与频率综合器、开关连接，开关的输出接放大器，第1、2、3控制信号分别连接频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2、3控制信号来自同一外部单片机或可编程控制器FPGA，分别控制频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2控制信号分别控制制频率综合器、集成多段式宽带VCO以输出所需要的频点，第3控制信号通过开关对集成多段式宽带VCO输出信号和分频信号进行切换实现宽带信号输出，需要输出10-20GHz时开关切换到集成多段式宽带VCO输出信号，需要输出0.625-10GHz信号时，开关切换到分频信号输出，参考信号采用恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN产生，恒温晶振输出的参考信号具有极低的相位噪声和极高的频率稳定性，保证最终输出信号具有良好的相位噪声和稳定性。
电源模块由低压差稳压器LP38798SD-ADJ和ADP150组成，外部电源输入经过滤波后输入到低压差稳压器LP38798SD-ADJ的1、2、3管脚，低压差稳压器的10、11、12管脚输出+5V电压，
+5V电滤波后分别供给恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的4号管脚、频率综合器HMC704的15、17管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的12号管脚、放大器HMC565的26、28、30管脚、低压差稳压器ADP150的1、3号管脚，
低压差稳压器ADP150的5号管脚输出+3.3V电压，+3.3V点分别供给频率综合器HMC704的7、9、12、14、18管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的3、17管脚，
控制信号连接频率综合器HMC704的1、2、4、24号管脚和集成多段式宽带VCO SIV100SP4的5、6、7、8、10、11号管脚以及开关HMC547的10、11号管脚，
恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的3号脚输出参考信号，连接频率综合器HMC704的6号管脚，频率综合器HMC704的16号管脚连接环路滤波器的输入端口，环路滤波器采用无源二阶RC环路滤波，通过仿真软件可以得到环路滤波器具体的RC取值，环路滤波器的输出端口连接集成多段式宽带VCO SIV100SP4的4号管脚，集成多段式宽带VCOSIV100SP4的20号管脚连接微带功分器的输入口，微带功分器的第1输出口连接频率综合器HMC704的6号管脚，微带功分器的第2输出口连接开关HMC547的7号管脚，
第2控制信号采用并行方式对集成多段式宽带VCO进行频段选择，详细频段选择方式见器件资料，集成多段式宽带VCO SIV100SP4的15号管脚连接开关HMC547的14号管脚，开关HMC547的3号管脚连接放大器HMC565的4号管脚，放大器HMC565的21号管脚输出最终所需要的宽带频率信号。本发明采用集成多段式宽带VCO；该VCO内部集成分频器功能，采用多段式实现宽带输出，无间隙的覆盖2:1的输出频率，具有独立的/2、/4、/8、/16可编程分频输出端口，功耗小、噪声低。
本发明使用的VCO可以覆盖一个倍频程，内部集成10个VCO，通过管脚控制可以进行切换，保证输出频率无间隙覆盖。
本发明频率综合器采用HMC704。HMC704是一款低相噪、小数分频锁相环芯片，其最高工作频率可达8GHz，具有整数模式和小数模式。VCO选用仕芯半导体的集成多段式宽带VCO SIV100SP4，输出频率为10GHz～20GHz，采用内置4分频输出反馈到鉴相器，控制信号1对频率综合器进行配置，控制信号2对VCO进行频段选择，最终输出所需要的频率。
频率综合器的参考输入端连接外部参考信号，输出端连接环路滤波器，频率综合器控制端口连接控制信号1；环路滤波器输出端连接集成多段式宽带VCO的调谐端；集成多段式宽带VCO分频输出端口连接频率综合器的反馈输入端口，射频输出端口输出所需的信号，控制端口连接控制信号2。
相对于传统的宽带VCO锁相环，本发明的输出频率与输出功率相当；功耗减小约20%、相噪优化10dB、体积缩小约50%、成本降低约30%。性能指标对比如下：
说明书附图
图1为传统宽带VCO锁相环原理框图。
图2为本发明原理框图。
图3为本发明电路原理图。
具体实施方式
如图3所示， 外部供电+6V，经过电源模块内部的低压差稳压器稳压至5V和3.3V，给恒温晶振、频率综合器、集成多段式宽带VCO和放大器进行供电，恒温晶振输出的参考信号接频率综合器输入，频率综合器的输出接集成多段式宽带VCO，集成多段式宽带VCO的一路输出信号接开关，一路分频信号输出接微带功分器，微带功分器分别与频率综合器、开关连接，开关的输出接放大器，第1、2、3控制信号分别连接频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2、3控制信号来自同一外部单片机或可编程控制器FPGA，分别控制频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2控制信号分别控制制频率综合器、集成多段式宽带VCO以输出所需要的频点，第3控制信号通过开关对集成多段式宽带VCO输出信号和分频信号进行切换实现宽带信号输出，需要输出10-20GHz时开关切换到集成多段式宽带VCO输出信号，需要输出0.625-10GHz信号时，开关切换到分频信号输出，参考信号采用恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN产生，恒温晶振输出的参考信号具有极低的相位噪声和极高的频率稳定性，保证最终输出信号具有良好的相位噪声和稳定性。
电源模块由低压差稳压器LP38798SD-ADJ和ADP150组成，外部电源输入经过滤波后输入到低压差稳压器LP38798SD-ADJ的1、2、3管脚，低压差稳压器的10、11、12管脚输出+5V电压，+5V电滤波后分别供给恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的4号管脚、频率综合器HMC704的15、17管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的12号管脚、放大器HMC565的26、28、30管脚、低压差稳压器ADP150的1、3号管脚，
低压差稳压器ADP150的5号管脚输出+3.3V电压，+3.3V点分别供给频率综合器HMC704的7、9、12、14、18管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的3、17管脚，
控制信号连接频率综合器HMC704的1、2、4、24号管脚和集成多段式宽带VCO SIV100SP4的5、6、7、8、10、11号管脚以及开关HMC547的10、11号管脚，
恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的3号脚输出参考信号，连接频率综合器HMC704的6号管脚，频率综合器HMC704的16号管脚连接环路滤波器的输入端口，环路滤波器采用无源二阶RC环路滤波，通过仿真软件可以得到环路滤波器具体的RC取值，环路滤波器的输出端口连接集成多段式宽带VCO SIV100SP4的4号管脚，集成多段式宽带VCOSIV100SP4的20号管脚连接微带功分器的输入口，微带功分器的第1输出口连接频率综合器HMC704的6号管脚，微带功分器的第2输出口连接开关HMC547的7号管脚，第2控制信号采用并行方式对集成多段式宽带VCO进行频段选择，详细频段选择方式见器件资料，集成多段式宽带VCO SIV100SP4的15号管脚连接开关HMC547的14号管脚，开关HMC547的3号管脚连接放大器HMC565的4号管脚，放大器HMC565的21号管脚输出最终所需要的宽带频率信号。

Claims (3)

1.采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环，由频率综合器、环路滤波器和压控振荡器组成，其特征在于，频率综合器的输入接外部参考信号，输出端连接环路滤波器，频率综合器控制端口连接第1控制信号（1），环路滤波器输出端连接集成多段式宽带VCO的调谐端，集成多段式宽带VCO分频输出端口连接频率综合器的反馈输入端口，射频输出端口输出所需的信号，控制端口连接第2控制信号（2），频率综合器采用HMC704， 集成多段式宽带VCO选用仕芯半导体的集成多段式宽带VCO SIV100SP4，输出频率为10GHz～20GHz，采用内置4分频输出反馈到鉴相器，第1控制信号通过SPI通讯，对频率综合器内部寄存器进行配置，第2控制信号使用并行方式对集成多段式宽带VCO的5、6、7、8管脚控制，继而进行频段选择，最终输出所需要的频率，第1、2控制信号由同一外部单片机或可编程控制器FPGA产生。
2.根据权利要求1所述的采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环，其特征在于，外部供电+6V，经过电源模块内部的低压差稳压器稳压至5V和3.3V，给恒温晶振、频率综合器、集成多段式宽带VCO和放大器进行供电，恒温晶振输出的参考信号接频率综合器输入，频率综合器的输出接集成多段式宽带VCO，集成多段式宽带VCO的一路输出信号接开关，一路分频信号输出接微带功分器，微带功分器分别与频率综合器、开关连接，开关的输出接放大器，第1、2、3控制信号分别连接频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2、3控制信号来自同一外部单片机或可编程控制器FPGA，分别控制频率综合器、集成多段式宽带VCO和开关，第1、2控制信号分别控制制频率综合器、集成多段式宽带VCO以输出所需要的频点，第3控制信号通过开关对集成多段式宽带VCO输出信号和分频信号进行切换实现宽带信号输出，需要输出10-20GHz时开关切换到集成多段式宽带VCO输出信号，需要输出0.625-10GHz信号时，开关切换到分频信号输出，参考信号采用恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN产生，恒温晶振输出的参考信号具有极低的相位噪声和极高的频率稳定性，保证最终输出信号具有良好的相位噪声和稳定性。
3.根据权利要求2所述的采用集成多段式宽带VCO实现宽带频率源的数字锁相环，其特征在于，电源模块由低压差稳压器LP38798SD-ADJ和ADP150组成，外部电源输入经过滤波后输入到低压差稳压器LP38798SD-ADJ的1、2、3管脚，低压差稳压器的10、11、12管脚输出+5V电压，+5V电滤波后分别供给恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的4号管脚、频率综合器HMC704的15、17管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的12号管脚、放大器HMC565的26、28、30管脚、低压差稳压器ADP150的1、3号管脚，低压差稳压器ADP150的5号管脚输出+3.3V电压，+3.3V点分别供给频率综合器HMC704的7、9、12、14、18管脚、集成多段式宽带VCO SIV100SP4的3、17管脚，控制信号连接频率综合器HMC704的1、2、4、24号管脚和集成多段式宽带VCOSIV100SP4的5、6、7、8、10、11号管脚以及开关HMC547的10、11号管脚，恒温晶振SCXO11B-E40MCHIN的3号脚输出参考信号，连接频率综合器HMC704的6号管脚，频率综合器HMC704的16号管脚连接环路滤波器的输入端口，环路滤波器采用无源二阶RC环路滤波，通过仿真软件可以得到环路滤波器具体的RC取值，环路滤波器的输出端口连接集成多段式宽带VCOSIV100SP4的4号管脚，集成多段式宽带VCOSIV100SP4的20号管脚连接微带功分器的输入口，微带功分器的第1输出口连接频率综合器HMC704的6号管脚，微带功分器的第2输出口连接开关HMC547的7号管脚，第2控制信号采用并行方式对集成多段式宽带VCO进行频段选择，详细频段选择方式见器件资料，集成多段式宽带VCO SIV100SP4的15号管脚连接开关HMC547的14号管脚，开关HMC547的3号管脚连接放大器HMC565的4号管脚，放大器HMC565的21号管脚输出最终所需要的宽带频率信号。
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