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時鐘技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。計量測試系統(tǒng)需要高精度的參考源，通信系統(tǒng)需要高精度的同步時鐘作參考，以此來協(xié)調(diào)全網(wǎng)所有基站的工作。傳統(tǒng)時鐘源的內(nèi)外頻標切換是用檢波器對外頻標進行檢波，用檢波出來的信號去控制晶振的電源通斷，從而實現(xiàn)切換。但這種傳統(tǒng)的檢波方式，只能對頻標的有無進檢波，無法檢出參考的頻率，而且要求內(nèi)外頻標的頻率相等，因此，存在硬件電路復(fù)雜，需要外部控制，成本高等缺點。 本文設(shè)計的自適應(yīng)式時鐘源的內(nèi)外頻標切換采用軟件檢測和控制來適應(yīng)5 MHz，10 MHz和20 MHz頻標，通過改變芯片內(nèi)部寄存器的頻率控制字，改變參考頻率的倍頻次數(shù)，最終得到所需頻率的時鐘。時鐘源采用目前應(yīng)用最為廣泛的一種頻率合成方法中的鎖相技術(shù)，具有低雜散、低相噪、輸出帶寬較寬的特點。與傳統(tǒng)的內(nèi)外頻標切換時鐘源相比，內(nèi)外頻標切換可以不用外部控制，達到完全自適應(yīng)多個不同頻率外頻標，并且可以省去檢波、繼電器切換電路，具有硬件電路簡單，成本低等優(yōu)點。 1 自適應(yīng)式時鐘源內(nèi)外頻標的切換原理 圖1給出的鎖相時鐘源是單片機通過串行數(shù)字接口對鎖相芯片內(nèi)部的分頻器進行設(shè)置，將需要的頻率N次分頻作為一路鑒相輸入；將參考信號進行R次分頻，作為另一路鑒相輸入，通過鑒相器后得到反映兩路鑒相信號誤差的控制電壓，經(jīng)過低通濾波器后，取出其中緩慢變化的直流電壓分量，用來控制壓控元件電容量的變化，將VCO的輸出頻率拉回到穩(wěn)定值上來，環(huán)路鎖定。 時鐘源的內(nèi)外頻標切換主要由軟件來實現(xiàn)。圖2中單片機的P1．1口用來控制內(nèi)部晶振加電，P0．2口用來檢測環(huán)路鎖定指示。當外加頻標時，單片機通過串行數(shù)據(jù)口，給鎖相環(huán)芯片送入5 MHz參考的頻率控制字，延時等待，檢測鎖定指示電平為高，則環(huán)路鎖定在5 MHz頻標上，單片機停止送數(shù)，降單片機的內(nèi)部時鐘，來避免單片機帶給環(huán)路的干擾；如果鎖定指示為低，單片機繼續(xù)送10 MHz參考的頻率控制字，延時等待，如果檢測鎖定指示電平為高，則環(huán)路鎖定在10 MHz頻標上，單片機停止送數(shù)，降單片機的內(nèi)部時鐘；如果鎖定指示為低，單片機將通過P1．1口的高電平，控制穩(wěn)壓塊LT1762，給內(nèi)部的20 MHz晶振加電，然后單片機送20 MHz參考的頻率控制字，最終環(huán)路鎖定。如果內(nèi)外頻標同時外加，鎖定指示電平高低發(fā)生跳變，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，單片機隨即切斷內(nèi)頻標電源，環(huán)路重新鎖定在外頻標上。 傳統(tǒng)的內(nèi)外頻標切換時鐘源的內(nèi)外頻標頻率是相同的，而自適應(yīng)式時鐘源內(nèi)外頻標頻率不同，外頻標還可以有幾種不同頻率的選擇。因此，該時鐘源在整機使用中對外部頻標的要求大大降低，內(nèi)部的恒溫晶振也保證了在沒有外頻標情況下，時鐘源仍然能正常工作，增加了在整機系統(tǒng)使用中的兼容性。軟件的實時監(jiān)測又可以保證在內(nèi)外頻標同時存在的情況下，及時切斷內(nèi)部晶振的電源，避免兩種不同的參考頻率，對環(huán)路帶來不必要的干擾。所以改進后的自適應(yīng)時鐘源從產(chǎn)品的適應(yīng)性和使用的方便性都大大增強。 在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，若外頻標為方波，上升沿比較陡，對頻標的電平要求不高，大于0 dBm即可；若外頻標為正弦波，上升沿不夠陡，因此如果環(huán)路預(yù)先鎖定在內(nèi)頻標上，再加外頻標，外頻標的信號需強于內(nèi)頻標，環(huán)路才能重新鎖在外頻標上。所以，外頻標為正弦波的時侯，電平必須大于5 dBm，環(huán)路才能在內(nèi)外頻標間自適應(yīng)切換。 2 自適應(yīng)內(nèi)外頻標切換時鐘源的設(shè)計與實現(xiàn) 2．1 自適應(yīng)式時鐘源的內(nèi)外頻標切換軟件的設(shè)計 該時鐘源軟件的流程如圖3所示。 2．2 自適應(yīng)式時鐘源的環(huán)路濾波器的設(shè)計 環(huán)路濾波器的設(shè)計在整個時鐘源中很關(guān)鍵，既要兼顧5 MHz，10 MHz外頻標，又要兼顧20 MHz內(nèi)頻標。因此，環(huán)路的設(shè)計必須同時考慮到各個頻標的因素。鑒于這種情況，設(shè)計環(huán)路時，對參考頻率分別進行1，2，4分頻，使得環(huán)路在多個頻標下，均以5 MHz鑒相頻率，相同的N分頻次數(shù)，滿足鎖相環(huán)的要求。所以，對環(huán)路帶寬必須合理選擇。一般情況下，選擇在參考源噪聲源和VCO噪聲源譜密度線的交叉點。 在設(shè)計中采用無源三階濾波器，環(huán)路帶寬大致設(shè)為45 kHz，相位裕量為65°。環(huán)路帶內(nèi)的相位噪聲取決于晶振相位噪聲，環(huán)路帶外的噪聲取決于壓控振蕩器的相位噪聲。時鐘源輸出信號的相位噪聲是所有噪聲同時作用的結(jié)果。圖4為鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖。 數(shù)字鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下可以認為是線性系統(tǒng)，應(yīng)用線性疊加原理，將各噪聲源反映到時鐘源輸出端的相位噪聲功率譜密度相加，則可得到總的相位噪聲功率譜密度(單位：dBc／Hz)： 其中：Sr(f)，SPD(f)，SLP(f)，SVCO(f)，So。(f)分別為參考頻標、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO、時鐘源輸出的相位噪聲，單位均為dBc／Hz，H(j2πF)為環(huán)路的有效傳輸函數(shù)。上式右邊第一項為環(huán)路的低通輸出相位噪聲譜，第二項為環(huán)路的高通輸出相位噪聲譜。 參考信號的相位噪聲對輸出信號相噪的貢獻L1(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(1)計算： 式中：Lr(f)為晶振的相位噪聲(單位：dBc／Hz)；鑒相器的基底相噪對輸出信號相噪的貢獻L2(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(2)來計算： 式中：LpD(f)為鑒相器的基底相噪(單位：dBc／Hz)；Fc為鑒相頻率(單位：Hz)。 由式(1)和式(2)得，在環(huán)路帶內(nèi)輸出信號的相位噪聲L(f)(單位：dBc／Hz)，可由式(3)得到： 利用式(3)可估算出輸出信號的相位噪聲為-120 dBc／Hz@1 kHz。 由于參考頻率的不同，R分頻的次數(shù)不同，相位噪聲改善的不同，加之N倍頻相位噪聲惡化的差異性，最終環(huán)路在各頻標作用下，表現(xiàn)出來的相位噪聲也各有差異，不盡相同。 3 實驗結(jié)果及其分析 實驗結(jié)果證明，三種參考頻率在相同的相位噪聲基準下，20 MHz頻標倍頻次數(shù)最少，相位噪聲曲線最好；5 MHz頻標倍頻次數(shù)最多，相位噪聲也能滿足要求。圖5給出了E4440A測試的時鐘源輸出相位噪聲曲線(其橫坐標表示頻率，縱坐標表示相位噪聲)。 從圖5可以看出，時鐘源實際輸出相位噪聲與根據(jù)上述公式估算的結(jié)果比較接近，滿足系統(tǒng)對時鐘源相位噪聲的要求，這說明本文提出的內(nèi)外頻標自適應(yīng)式時鐘源的環(huán)路帶寬設(shè)計合理，電路布局優(yōu)化，設(shè)計方法是完全可行的。 4 結(jié) 語 新設(shè)計的內(nèi)外頻標自適應(yīng)式時鐘源具有電路硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，相位噪聲低，雜散小的特點。內(nèi)外頻標的切換不用外部控制，完全自適應(yīng)多個不同頻率的內(nèi)外頻標，而且產(chǎn)品的適應(yīng)性和使用的方便性都大大增強。目前該時鐘源已在數(shù)字基帶系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 |
