如何調(diào)試鎖相環(huán)頻率合成器

引言
---無線電系統(tǒng)會因為各種各樣的原因而采用基于鎖相環(huán)（PLL）技術的頻率合成器。PLL的好處包括：
（1）易于集成到IC中。
（2）無線信道間隔中的靈活性。
（3）可獲得高性能。
（4）頻率合成器外形尺寸較小。
---本文向讀者介紹PLL應用中頗具價值的注意事項和使用技巧。

PLL概述
---簡單的PLL由頻率基準、相位檢波器、電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器（VCO）組成�；�于PLL技術的頻率合成器將增加兩個分頻器：一個用于降低基準頻率,另一個則用于對VCO進行分頻。而且,將相位檢波器和電荷泵組合在一個功能塊中也很容易,以便進行分析（見圖1）。簡單的PLL上所增設的這些數(shù)字分頻器電路實現(xiàn)了工作頻率的輕松調(diào)節(jié)。處理器將簡單地把一個新的分頻值“寫入”到位于PLL中的寄存器中,更新VCO的工作頻率,并由此改變無線設備的工作信道。
PLL工作原理
---PLL是作為閉環(huán)控制系統(tǒng)工作,用于比較基準信號與VCO的相位。增設基準和反饋分頻器的頻率合成器負責比較兩個由分頻器的設定值調(diào)節(jié)相位。該相位比較在相位檢波器中完成,在大多數(shù)系統(tǒng)中,這種相位檢波器是一個相位和頻率檢波器。該相位-頻率檢波器生成一個誤差電壓,此誤差電壓在±2π的相位誤差范圍內(nèi)近似為線性,并在誤差大于±2π的情況下保持恒定。相位-頻率比較器所采用的這種雙模式操作可生成針對大頻率誤差（比如,當PLL在上電期間起動時）的較快的PLL鎖定時間,并避免被鎖定于諧波之上。

---VCO利用調(diào)諧電壓生成一個頻率。VCO可以是模塊、IC,也可由分立元件來制成。圖2示出了一個位于MAX2361發(fā)送器IC內(nèi)部的、采用有源元件制作的VCO。諧振回路和變?nèi)荻�極管是外置的,使得設計工程師能夠?qū)�IF（中頻）LO（本機振蕩器）進行獨特的規(guī)定,以便對特定的無線電頻率方案提供支持。
---環(huán)路濾波器對由相位-頻率檢波器的電荷泵所產(chǎn)生的電流脈沖進行積分,以生成施加于VCO的調(diào)諧電壓。傳統(tǒng)的做法是使來自環(huán)路濾波器的調(diào)諧電壓升高（變?yōu)楦�大的正值�?以使VCO的相位超前并提高VCO的頻率。環(huán)路濾波器可以采用諸如電阻器和電容器等無源元件來實現(xiàn),也可采用一個運算放大器。環(huán)路濾波器的時間常數(shù)以及VCO、相位檢波器和分頻器的增益將設定PLL帶寬。PLL帶寬決定了瞬態(tài)響應、基準寄生電平和噪聲濾波特性。在PLL帶寬之內(nèi),頻率合成器輸出端上的相位噪聲主要是相位檢波器相位噪聲;而在PLL帶寬之外,輸出相位噪聲則主要源自VCO相位噪聲。
---頻率合成器PLL基準輸入是一個穩(wěn)定、無干擾的恒定頻率信號。在大多數(shù)無線電設備中都采用了某種形式的晶體振蕩器,原因是其相位噪聲非常低,而且其頻率穩(wěn)定并進行了精確的規(guī)定。PLL將對該基準進行分頻,以提供一個用于相位-頻率檢波器的較低頻率。這一較低的頻率將設定用于檢波器的比較率,并通過使反饋分頻器設定值以“1”的幅度遞增的方法來設立可行的最小頻率步進。這變成了合成器的頻率分辨率（即頻率步長）,它應該等于或小于正在設計之中的無線電系統(tǒng)的信道間隔。利用由反饋分頻器按比例縮小的VCO的輸出,相位檢波器和環(huán)路濾波器生成了一個調(diào)諧電壓�；�于上述說明,VCO的工作頻率為：

--- 例如,若基準頻率為20MHz,且基準分頻器值為2000,則一個88103的反饋分頻器設定值將產(chǎn)生一個如下的VCO頻率：
---(20MHz/2000)×88103=881.03 MHz
---由于比較頻率為10kHz,因此,使反饋分頻器設定值增加1（即變?yōu)?8104）將產(chǎn)生一個數(shù)值為881.04MHz的VCO頻率。
---該頻率合成器將基準頻率倍頻至UHF波段。采用這種PLL倍頻法會引發(fā)一個不良的后果,即環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲有所增加。在環(huán)路帶寬內(nèi),PLL噪聲層的增幅為20log(N)。在上文所述的場合中,相位噪聲將增加20log(88103) = 98.89dB！這就是基準振蕩器必須非常干凈的原因。環(huán)路的動作將使噪聲層增加100dB左右,所以,如果想獲得滿足當今無線電通信需要的足夠輸出質(zhì)量,就必須采用高Q值晶體振蕩器。

使PLL正常運作
---VCO部分
---因為VCO由PLL頻率合成器來生成信號輸出,所以PLL的絕大部分性能都是由它決定的。如果VCO未能正確地運作,則許多性能參數(shù)都將受到影響。在調(diào)試階段的初期應對VCO進行測試,以確保其提供預定的頻率范圍、增益和輸出電平。如果只是想測試VCO,則需對PLL進行修正,以取消閉環(huán)控制。“斷開”環(huán)路的一種常用方法是使R3開路（見圖2）,并在C4的兩端施加一個實驗室電源,這樣就使得VCO調(diào)諧電壓能夠在期望的范圍內(nèi)改變。當調(diào)諧電壓改變時,應在一個頻率計數(shù)器（或頻譜分析儀）上監(jiān)視VCO的工作頻率。記錄若干調(diào)諧電壓設定值條件下的VCO工作頻率。
---● VCO是否位于正確的頻率上？
---利用由上述的簡單測試所獲得的數(shù)據(jù),您將可以對VCO能否工作于期望的頻率之上做出快速評估。如果VCO產(chǎn)生一個位于183MHz頻率之上IF LO（中頻本機振蕩器）,而測試中所記錄的最低頻率為187MHz,則PLL將無法進行正確的相位鎖定。為了對該條件進行校正,應核實VCO振蕩回路中的所有諧振元件均具有所需的參數(shù)值。例如,若諧振電路電感器L1（見圖2）過小,則諧振頻率將被提升。
---應始終牢記用于描述一個簡單的LC諧振電路的諧振頻率的方程式：

Fres為諧振頻率（單位：Hz）。
---L為電感值（單位：H）。
--- C為電容值（單位：F）。
---● 是否安裝了正確的元器件？
---電抗元件的尺寸非常之小,以致于無法印上可見標簽。這就意味著VCO當中的元件的最為容易的測試方法是采用已知數(shù)值的元件來進行替換。由于第一塊電路板的組裝可能是手工完成的,因此很有可能在PCB上焊接了參數(shù)值不正確的元件�？筛鶕�(jù)需要來替換振蕩回路中的元件,以使VCO頻率接近期望的工作點。
---您可以按照表1所述對VCO進行校正,但PLL仍然有可能出現(xiàn)問題。如果VCO的調(diào)諧增益與計算環(huán)路濾波元件參數(shù)值時所采用的數(shù)值相差較大,則環(huán)路有可能發(fā)生振蕩。在圖3中,應注意的是由原型設計所獲得的實驗室數(shù)據(jù)繪制的曲線的斜率。反饋環(huán)路穩(wěn)定性的獲得要求環(huán)路增益位于特定的范圍內(nèi)。如果VCO處于正確的頻率之上但增益誤差較大,則環(huán)路本身將發(fā)生振蕩并導致VCO在眾多的頻率上被調(diào)制。在開環(huán)條件下使用您的VCO數(shù)據(jù),以驗證環(huán)路增益接近您的設計目標值。如果VCO的調(diào)諧增益過高,則變?nèi)荻�極管將被過于緊密地耦合至諧振電路。應確認安裝了正確的變?nèi)荻�極管。將變?nèi)荻�極管耦合至振蕩回路的電容器（圖2中的C2和C3）可能數(shù)值過大。反過來,如果VCO調(diào)諧增益較低,則或許需要增大C2和C3的數(shù)值。
---分頻器
---● 分頻器能否在期望的頻率上工作？
---PLL設計往往會忽視數(shù)字分頻器的規(guī)格。分頻器的工作狀況一般是良好的,但由于不能始終保持這種良好的工作狀態(tài),因此PLL有時無法獲得預期的工作性能。所有的分頻器都具有針對最大輸入頻率（FMAX）和最小輸入電平的規(guī)格。在一個忽視了FMAX規(guī)格的設計中,分頻器將“丟失脈沖”。閉環(huán)隨后將檢測出VCO的頻率過低并使調(diào)諧電壓進一步走高。分頻器將丟失更多的脈沖,而且,環(huán)路將試圖把VCO提升至一個更高的頻率上。環(huán)路將進入一個“閉鎖”狀態(tài),此時,VCO調(diào)諧電壓被保持在正電源電壓上。這里,在工作上容易使人產(chǎn)生誤解的問題是反饋分頻器不僅必須對VCO的預期輸出進行分頻,而且還必須對VCO在鎖定和解鎖條件下有可能產(chǎn)生的最高頻率進行正確的分頻。為了使環(huán)路可靠地運行,在啟動或信道變更時所遇到的瞬變條件不得引發(fā)反饋極性反轉(zhuǎn)。