CN113098508B - 锁相环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子通信技术领域,公开了锁相环，包括调谐电压产生单元、调谐电压检测单元、双向子带计数单元、调节幅度控制单元和压控振荡器，在实际使用时是通过双向子带计数单元的输出信号来控制压控振荡器的输出频率子带，而双向子带计数单元的输出信号由计数方向和调节幅度决定，其中计数方向由调谐电压检测单元输入，调节幅度由调节幅度控制单元输入，因此在调节锁相环的频率时不用一级一级调整，可以根据参考频率与压控振荡器的输出频率的差值多级调整，进而缩短锁相环的子带选择时间。

Description

锁相环
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及锁相环。
背景技术
锁相环是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统，其频率的纯净度非常高，常应用在无线电收发机的频率稳定、通信调制和解调等领域中。
由于现有的锁相环从启动到稳定需要稳定时间，所以对于接收机而言，稳定时间的长短对其快速响应至关重要。目前锁相环的稳定时间包括子带选择时间和锁相环本身特征决定的动态响应时间，其中子带旋转时间占锁相环的稳定时间的比例较多，因此现有技术大多通过基于调谐电压检测的方案或者基于数字计数的方案来降低子带选择时间。在低成本应用中第一种方案电路简单，而且其高可靠性赢得了大部分设计者得青睐，但是其主要问题在于检测的过程中需要很长的时间来检测电压是否稳定，且是一级一级往理想子带切换，消耗了很长的时间。
发明内容
鉴于背景技术的不足，本发明是提供了锁相环，除了检测调谐电压之外，还通过计算压控振荡器的输出频率和参考频率的频偏来综合控制子带的切换过程，能够以合适的幅度调节压控振荡器的子带范围，从而缩小锁相环锁定过程中用于子带选择的时间。
为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：锁相环，包括调谐电压产生单元、调谐电压检测单元、双向子带计数单元、调节幅度控制单元和压控振荡器，调谐电压产生单元根据输入的参考频率和压控振荡器的输出频率的相位差产生调谐电压，调谐电压检测单元根据调谐电压的大小向双向子带计数单元输入计数方向控制信号，双向子带计数单元根据计数方向控制信号调节计数方向，调节幅度控制单元用于计算压控振荡器的输出频率与设定目标频率的差值，并根据差值向双向子带计数单元输入调节幅度控制信号，双向子带计数单元响应计数方向控制信号和调节幅度控制信号并向压控振荡器输入频率调节信号，压控振荡器响应频率调节信号并调节输出信号的频率。
可选的，在某种实施方式中，调谐电压产生单元包括鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，参考频率输入到鉴频鉴相器，压控振荡器的输出频率通过分频器输入到鉴频鉴相器，鉴频鉴相器与电荷泵电连接，电荷泵与环路滤波器电连接，环路滤波器输出调谐电压。
可选的，在某种实施方式中，调谐电压检测单元包括至少两路电压比较单元，调谐电压分别输入到每路电压比较单元，每路电压比较单元根据调谐电压的大小向双向子带计数器输入计数方向控制信号。
可选的，在某种实施方式中，双向子带计数单元包括加/减法器和寄存器，加/减法器的计数方向输入端输入计数方向控制信号，加/ 减法器的调节幅度输入端与调节幅度控制单元电连接，加/减法器的输出端与寄存器电连接，寄存器与压控振荡器电连接。
可选的，在某种实施方式中，调节幅度控制单元包括计数器、定时器和多路比较器，定时器用于定时，计数器在定时时间内对压控振荡器的输出信号进行计数，计数器的输出端与多路比较器的输入端电连接，多路比较器的输出端与加/减法器的调节幅度输入端电连接。
可选的，在某种实施方式中，压控振荡器包括电压电流转换器和电流控制环形振荡器，调谐电压输入到电压电流转换器的电压输入端，电压电路转换器根据寄存器的输出状态向电流控制环形振荡器输入相应大小的控制电流，电流控制环形振荡器根据控制电流的大小输出相应的频率。
可选的，在某种实施方式中，电压电流转换器包括电流镜电路，电流镜电路包括采样电路和镜像电路，调谐电压输入到采样电路，镜像电路包括至少两路镜像支路，每路镜像支路上设有一个控制开关，寄存器的输出信号控制控制开关的通断。其中每个镜像支路相当于一个子带，通过控制镜像支路中的控制开关导通来选择压控振荡器中的子带。
可选的，在某种实施方式中，电流控制环形振荡器包括至少两个差分反相器，所有差分反相器依次串联，最后一个差分反相器的输出端与第一个差分反相器的输入端电连接。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明在实际使用时是通过双向子带计数单元的输出信号来控制压控振荡器的输出频率，而双向子带计数单元的输出信号由计数方向和调节幅度决定，其中计数方向由调谐电压检测单元输入，调节幅度由调节幅度控制单元输入，因此在调节锁相环的频率时不用一级一级调整，可以根据参考频率与压控振荡器的输出频率的差值多级调整，进而缩短锁相环的子带选择时间。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的调节电压检测单元的结构示意图；
图4为本发明的双向子带计数单元的结构示意图；
图5为本发明的调节幅度控制单元的结构示意图；
图6为本发明的电流控制压控振荡器的结构示意图；
图7为本发明的电压电流转换器的结构示意图；
图8为本发明在实际应用时的调节示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，锁相环，包括调谐电压产生单元1、调谐电压检测单元2、双向子带计数单元3、调节幅度控制单元4和压控振荡器5，调谐电压产生单元1根据输入的参考频率Fref和压控振荡器5的输出频率Fback的相位差产生调谐电压VTUNE，调谐电压检测单元2根据调谐电压VTUNE的大小向双向子带计数单元3输入计数方向控制信号，双向子带计数单元3根据计数方向控制信号调节计数方向，调节幅度控制单元4用于计算压控振荡器5的输出频率与设定目标频率的差值，并根据差值向双向子带计数单元3输入调节幅度控制信号，双向子带计数单元3响应计数方向控制信号和调节幅度控制信号并向压控振荡器5输入频率调节信号，压控振荡器响应频率调节信号并调节输出信号的频率。
参照图2，本实施例中，调谐电压产生单元1包括鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，参考频率Fref输入到鉴频鉴相器，压控振荡器5的输出频率通过分频器输入到鉴频鉴相器，鉴频鉴相器与电荷泵电连接，电荷泵与环路滤波器电连接，环路滤波器输出调谐电压VTUNE。在实际使用时，鉴频鉴相器检测到参考频率Fref相位超前或者落后压控振荡器5的输出频率，则控制电荷泵对环路滤波器进行放电或者放电，进而产生一个变化的调谐电压VTUNE。
参照图3，本实施例中，调谐电压检测单元2包括至少两路电压比较单元，两路电压比较单元分别为比较器COMP,一路电压比较单元输入下限电压VREF_LOW，一路电压比较单元输入上限电压 VREF_HIGH，调谐电压VTUNE分别输入到每路电压比较单元，每路电压比较单元根据调谐电压的大小向双向子带计数器输入计数方向控制信号。
本实施例中，调谐电压检测单元2用于检测调谐电压VTUNE与下限电压VREF_LOW和上限电压VREF_HIGH的关系，由于调谐电压VTUNE 与下限电压VREF_LOW和上限电压VREF_HIGH只有三个状态信息，分别为：调谐电压VTUNE小于下限电压VREF_LOW，调谐电压VTUNE在下限电压VREF_LOW和上限电压VREF_HIGH之间，调谐电压VYUNE大于上限电压VREF_HIGH，因此只需两路电压比较单元便能表示此三种状态。
在实际使用时，如果调谐电压VTUNE小于下限电压VREF_LOW，则STATE<1:0>＝00，此时表示压控振荡器5经过分频器的反馈输出频率Fback相位落后于参考频率Fref的相位即当前子带高于目标子带，需要减小双向子带计数单元3的数值，来降低压控振荡器5的输出频率。
如果调谐电压VTUNE在下限电压VREF_LOW和上限电压VREF_HIGH 之间，则STATE<1:0>＝01，此时表示压控振荡器5的当前子带处于合适的区间，锁相环能够正常锁定，压控振荡器的子带无需调节。
如果调谐电压VTUNE大于上限电压VREF_HIGH，则 STATE<1:0>＝11，表示压控振荡器5经过分频器的反馈输出频率Fback 相位仍然超前于参考频率Fref的相位即当前子带高于目标子带，需要增加双向子带计数单元3的数值，来增加压控振荡器5的输出频率。
因此，本实施例中，调谐电压检测单元2具有两个功能，一是判断当前压控振荡器5的输出频率是否在目标子带内，二是判断当前压控振荡器5的子带调节方向。另外，在某种实施方式中，电压比较单元可以选择其余的电压比较电路，也可输出两位以上的多为编码信息，只要这些状态信息能够检测出调谐电压VTUNE的区间范围即可。
参照图4，本实施例中，双向子带计数单元3包括加/减法器和寄存器，加/减法器的计数方向输入端输入计数方向控制信号，加/ 减法器的调节幅度输入端与调节幅度控制单元4电连接，加/减法器的输出端与寄存器电连接，寄存器与压控振荡器5电连接。
在实际使用时，加/减法器根据调谐电压检测单元2输入的计数方向和调节幅度控制单元4输入的调节幅度进行计数，计数完成后将计数结果发送到寄存器，寄存器的输出信号经同步调整信号触发输入到压控振荡器。另外本寄存器上还设有SET置位端与RESET复位端，可以在上电触发信号时先给予寄存器一个初始值在目标子带附近，用于加快环路锁定。
参照图5，本实施例中，调节幅度控制单元4包括计数器、定时器和多路比较器，定时器用于定时，计数器在定时时间内对压控振荡器的输出信号进行计数，计数器的输出端与多路比较器的输入端电连接，多路比较器的输出端与加/减法器的调节幅度输入端电连接。
调节幅度控制单元4的工作原理如下：当调谐电压VTUNE小于下限电压VREF_LOW或者调谐电压VYUNE大于上限电压VREF_HIGH时，在定时器的一个定时周期T时，先延迟1/4T的时间并复位计数器的数值K，然后开始计数压控振荡器5经过分频器分频后的反馈输出频率Fback的时钟个数，直至周期末尾，将计数器的计数值与标准时钟计数值进行比较，当K*4/3T大于M*Δf并小于(M+1)*Δf的时候，则可确认M或M+1是最恰当的调节幅度。
另外本实施例中之所以先延迟1/4T周期再计数是因为在子带切换后的一段时间内，控制电压产生阶跃响应，因而压控振荡器5的输出频率并不稳定，因此需要延时一段时间计数。
另外，考虑到带宽与环路锁定的响应时间关系：
其中，Δf为跳变前后的频率差(在同样的VTUNE电压控制下，不同子带的频率差距)，ζ为锁相环等效的阻尼系数，εerror为靠近目标频率处所能容忍的最大频率误差，ωBW为锁相环环路带宽，一般取定时器的定时时间T为4*tlock,来保证给予计数器充分的时间进行频率计算。
参照图2，本实施例中，压控振荡器5包括电压电流转换器和电流控制环形振荡器，调谐电压VTUNE输入到电压电流转换器的电压输入端，电压电路转换器根据寄存器的输出状态向电流控制环形振荡器输入相应大小的控制电流，电流控制环形振荡器根据控制电流的大小输出相应的频率。
参照图7，本实施例中，电压电流转换器包括电流镜电路，电流镜电路包括采样电路50和镜像电路51，调谐电压VTUNE输入到采样电路50，镜像电路51包括至少两路镜像支路52，每路镜像支路52 上设有一个控制开关K1，寄存器的输出信号控制控制开关K1的通断。其中每个镜像支路52相当于一个子带，通过控制镜像支路52中的控制开关K1导通来选择压控振荡器5中的子带。
具体地，本实施例中，电压电流转换器地结构为一个共源放大器的结构，将输入的电压信号转换为电流信号输出，并通过电流镜将电流放大后放大输入到电流控制环形振荡器，可以通过控制镜像支路 52中的控制开关K1的通断来控制子带，同时也可以把调谐电压VTUNE 的变化转化为每个输出电流管的电流变化，亦同时完成了电流控制环形振荡器的输出频率的微调，使得二者结合在一起具有压控振荡器的功能，具有高线性度、面积小的特点。ICTRL也可直接由调谐电压 VTUNE控制，从而形成传统意义上的电压控制振荡器，原理和上述相似
参照图6，本实施例中，电流控制环形振荡器包括四个差分反相器，所有差分反相器依次串联，最后一个差分反相器的输出端与第一个差分反相器的输入端电连接。四个差分反相器构成了正反馈环路，能够正常自激起振。同时由于采用了每一级反相器互补信号交叉耦合的连接方式，保证差分信号沿的同步。根据反相器的原理可知，当反相器的供电电流较大时，PMOS管可输出更大的驱动电流，假设反相器每一级的延时为td，则四级反相器的频率就为1/(2*4td)，所以调节ICTRL电流即可控制频率。在实际使用时也可以根据需求选择两个、三个或者四个以上的差分反相器来设计电流控制环形振荡器。
本发明的工作原理如下：通过双向子带计数单元3的寄存器的输出信号来控制电压电流转换器中每路镜像支路52中的控制开关K1的通断，进而实现锁相环的子带选择，另外由于双向子带计数单元3的寄存器的输出信号由加/减法器的计数方向和调节幅度确定，因此通过调谐电压检测单元2来确定双向子带计数单元3的计数方向，通过调节幅度控制单元4来确定控制双向子带计数单元3的计数幅度，可以多级选择电压电流转换器的子带，不用一级一级切换。
参照图8，电压电流转换器的子带调节过程如下：图8中，假设以S1作为起点，则S2作为中间过程，S3作为最终目标点，Δfs表示两个子带间的距离。一开始调节幅度控制单元4检测到S1频率低于S3时，且频偏大于2个Δfs，因此将一次增加3个子带，到达S2 的位置；到达S2后发现调谐电压VTUNE大于上限电压VREF_HIGH，且频偏大于1个Δfs、小于两个Δfs时，因此将减小1个子带到达 S3的位置，此时调谐电压VTUNE达到了设计的区域，则代表着锁相环正常锁定，因此可认为是合适的子带位置，子带保持不变即可。当发生电压、温度和工艺变化的时候(PVT)，调谐电压VTUNE发生漂移，导致漂出锁定区域，同理如上将发生同样的调节过程，将锁相环调整到锁定位置。
另外，上述的调节过程是由一个同步时钟提供同步节拍以配合所述功能的实现，具体可参考如下：上电后首先复位，将调节幅度控制单元4的计数器清零开始计数，同时给双向子带计数器3的寄存器位置复位到中间位置，运行一个周期开始子带调节过程；当复位完成后的第一个同步时钟来临时将判断调谐电压VTUNE的所处区间，输出调节方向，同时调节幅度控制单元4根据后3T/4计数值判断当前频率和目标频率的误差，输出调节幅度；当第二个时钟来临的时候将上述的调节幅度和调谐电压VTUNE状态输出给双向子带计数器3，然后继续监控调谐电压VTUNE的状态，调节幅度控制单元4继续计数计算频差；最终直至调谐电压VTUNE处于合适的区间位置，则双向子带调节器3将保持不变。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。基于此处解释，本领域的技术人员在不需要付出创造性劳动即可联想到本专利的其他具体实施方式，这些方式都将落入本发明专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.锁相环，其特征在于：包括调谐电压产生单元、调谐电压检测单元、双向子带计数单元、调节幅度控制单元和压控振荡器，所述调谐电压产生单元根据输入的参考频率和压控振荡器的输出频率的相位差产生调谐电压，所述调谐电压检测单元根据所述调谐电压的大小向所述双向子带计数单元输入计数方向控制信号，所述双向子带计数单元根据所述计数方向控制信号调节计数方向，所述调节幅度控制单元用于计算所述压控振荡器的输出频率与设定目标频率的差值，并根据所述差值向所述双向子带计数单元输入调节幅度控制信号，所述双向子带计数单元响应所述计数方向控制信号和调节幅度控制信号并向所述压控振荡器输入频率调节信号，所述压控振荡器响应所述频率调节信号并调节输出频率的大小；
所述双向子带计数单元包括加/减法器和寄存器，所述加/减法器的计数方向输入端输入所述计数方向控制信号，所述加/减法器的调节幅度输入端与所述调节幅度控制单元电连接，所述加/减法器的输出端与所述寄存器电连接，所述寄存器与所述压控振荡器电连接；
所述调节幅度控制单元包括计数器、定时器和多路比较器，所述定时器用于定时，所述计数器在定时时间内对压控振荡器的输出信号进行计数，所述计数器的输出端与所述多路比较器的输入端电连接，所述多路比较器的输出端与所述加/减法器的调节幅度输入端电连接；
所述压控振荡器包括电压电流转换器和电流控制环形振荡器，所述调谐电压输入到所述电压电流转换器的电压输入端，所述电压电流转换器根据所述寄存器的输出状态向所述电流控制环形振荡器输入相应大小的控制电流，所述电流控制环形振荡器根据所述控制电流的大小输出相应的频率；
所述电压电流转换器包括电流镜电路，所述电流镜电路包括采样电路和镜像电路，所述调谐电压输入到所述采样电路，所述镜像电路包括至少两路镜像支路，每路镜像支路上设有一个控制开关，所述寄存器的输出信号控制所述控制开关的通断；
所述电流控制环形振荡器包括至少两个差分反相器，所有差分反相器依次串联，最后一个差分反相器的输出端与第一个差分反相器的输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于：所述调谐电压产生单元包括鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，所述参考频率输入到鉴频鉴相器，所述压控振荡器的输出频率通过分频器输入到鉴频鉴相器，所述鉴频鉴相器与电荷泵电连接，所述电荷泵与环路滤波器电连接，所述环路滤波器输出调谐电压。
3.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于：所述调谐电压检测单元包括至少两路电压比较单元，所述调谐电压分别输入到每路电压比较单元，每路电压比较单元根据调谐电压的大小向所述双向子带计数器输入计数方向控制信号。
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