一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法，包括压控振荡器增益校准，环路快速锁定，带宽校准。本发明专利技术提供的锁相环快速锁定和带宽校准方法，首先，在锁相环输出之前，对压控振荡器增益进行预校准，并将校准结果保存在寄存器中，使得压控振荡器增益受到工艺偏差和器件非线性的影响大大减小；在压控振荡器工作过程中，针对其增益随温度变化的情况，进行实时补偿，最终得到趋于恒定的压控振荡器增益。在此基础上，通过对电荷泵和环路滤波器的调节，加快环路锁定速度，同时使带宽不变，保持环路稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路领域，尤其涉及一种锁相环路的快速锁定和带宽校准的系统和方法。
技术介绍
锁相环是一种用来产生参考信号的相位有固定关系的电子控制系统。作为电子系统和设备的精确频率源，锁相环响应于输入信号的频率与相位，并自动提高或降低被控制的振荡器的频率，直至锁相环电路与参考信号在相位上符合为止。现代模拟锁相环一般包含相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器，如图1所示。通过环路反馈，压控振荡器的输出信号频率被降低后，在相位比较器的输入端与参考信号的相位进行比较。经过环路作用，二者最终达到相位一致。环路滤波器连接于相位比较器之后，用于滤除电荷泵开关动作产生的电流中的高频分量，并将电流信号转化为电压信号，控制压控振荡器输出信号的频率。出于多协议技术的需要，如今的锁相环需要支持更宽的频率调节范围。为了使锁相环达到较宽的频率范围，且出于性能的考虑，在压控振荡器的设计上，通常采用离散的开关电容阵列来实现压控振荡器频率粗调，而用连续可变电容实现频率细调，直到环路锁定。如图2所示，RL为电感L的寄生电阻，-R为等效负电阻，C为可调电容(包括离散可调的电容阵列和连续可调的可变电容)，BC0～BCn控制电容阵列，实现频率粗略调谐，控制电压Vtune调节可变电容，实现频率精细调谐。锁定情况下，这一频率特性可由图3表示，其中横轴为控制电压Vtune，纵轴为压控振荡器输出频率Fvco，Vtune_lor>和Vtune_hi定义振荡器电压-频率特性中线性度较好的一段的电压区间，Band0～Bandn为压控振荡器的工作频段。根据环路的特征，在锁相环输出频率切换的过程中，即输出频率从某一频点锁定到所需要的频率值上，需要一定的响应时间。为了降低这一时间，达到某些电子系统对时钟信号频率切换时间的要求，一般都采取断开环路，改变环路中某些参数的办法来加速环路的锁定。其大致过程为：环路断开，将控制电压Vtune固定到某一电压值，根据系统要求的频率，采用某种算法，选择Band0～Bandn中的某条作为压控振荡器的工作频段，然后闭合环路，通过环路特性使Vtune稳定在Vtune_lo和Vtune_hi之间的某一点上，环路输出频率锁定。在实际过程中，存在一些因素，对上述方法的准确性和可靠性有较大影响，比如工艺制程误差和系统温度变化，会使压控振荡器中的电容值产生偏移，压控振荡器的增益也随之改变，导致压控振荡器的输出频率无法到达某些特定的值，增加环路锁定失败的风险。再比如，当环路反馈的分频比变化较大，环路带宽也会随之产生较大变化，导致环路特性改变，这也增加了环路锁定失败的风险。针对上述问题，一般会通过一些方法来减小压控振荡器增益的偏差，比如对压控振荡器的增益进行线性化补偿，但并不能很好的处理工艺偏差带来的影响。另一方面，由于不能有效抵消压控振荡器增益的变化，需要实时测量压控振荡器的增益，然后再根据环路分频比来调整电荷泵的电流，进而使环路带宽特性保持不变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锁相环快速锁定和带宽校准的系统和方法，通过对压控振荡器进行预校准，消除工艺制程偏差对压控振荡器增益的影响，同时实时校准压控振荡器增益随温度的变化，使其在所关心的控制电压范围内基本保持恒定。通过模块复用，在压控振荡器增益恒定的情况下，简化快速锁定和带宽校准功能的过程，减少硬件开销。本专利技术的具体技术解决方案如下：该锁相环快速锁定和带宽校准方法包括以下步骤：1】压控振荡器增益预校准断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；2】环路快速锁定锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；3】带宽校准待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。或通过另一方式进行3】带宽校准待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中已将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节环路滤波器的电阻大小来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。上述步骤3中，导致输出频率变化的因素包括：温度变化、电源电压波动。基于上述方法的锁相环快速锁定和带宽校准的系统包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及电荷泵控制模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，电荷泵控制模块用于调整电荷泵的输出电流。该系统也可采用另一种结构形式，其包括相位比较器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器，还包括时序逻辑校准单元，所述时序逻辑校准单元包括压控振荡器输出频率检测模块、压控振荡器控制电压调整模块、压控振荡器频率及增益调整模块以及环路滤波器电阻调整模块；所述压控振荡器输出频率检测模块用于检测压控振荡器的输出频率，压控振荡器控制电压调整模块用于调整压控振荡器的输入电压，压控振荡器频率及增益调整模块用于调整压控振荡器内部电容的大小，环路滤波器电阻调整模块用于调整环路滤波器电阻的输大小。还可以增设用于不同温度下保持振荡器增益不变的压控振荡器增益实时温度校准模块。本专利技术的优点在于：本专利技术提供的锁相环快速锁定和带宽校准方法以及锁相环快速锁定和带宽校准的系统是通过对锁相环中压控振荡器增益的校准，维持其在工艺偏差和温度偏移情况下保持不变。该方法及系统提高了锁相环的性能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：1】压控振荡器增益预校准断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；2】环路快速锁定锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频率范围内，然后闭合锁相环环路；3】带宽校准待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，从而保证环路特性的稳定。

【技术特征摘要】
1.一种锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：
1】压控振荡器增益预校准
断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益
进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；
2】环路快速锁定
锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控
振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频
率范围内，然后闭合锁相环环路；
3】带宽校准
待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输
出频率变化而变化，由于在环路滤波器的电阻大小恒定时，增益与电流乘积
和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中将每个子带范围内压控振荡
器的增益调整为一致，所以在压控振荡器增益恒定的情况下，通过调节电荷
泵电流来补偿由于分频比变化导致的环路带宽变化，使环路带宽保持恒定，
从而保证环路特性的稳定。
2.根据权利要求1所述的锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于：
所述步骤3中，导致输出频率变化的因素包括：温度变化、电源电压波动。
3.一种锁相环快速锁定和带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：
1】压控振荡器增益预校准
断开锁相环环路，在锁相环的振荡信号输出之前，先对压控振荡器增益
进行校准，保证每个子带范围内压控振荡器的增益都保持一致；
2】环路快速锁定
锁相环开始工作之后，检测压控振荡器输出信号的频率，通过调节压控
振荡器的内部参数，使振荡频率处于锁相环环路闭合之后可以自行锁定的频
率范围内，然后闭合锁相环环路；
3】带宽校准
待锁相环环路锁定之后，发生输出频率变化时，会导致环路分频比随输
出频率变化而变化，由于在电荷泵电流恒定时，增益与环路滤波器的电阻乘

\t积和分频比与环路带宽的乘积成正比，且步骤1中已将每个子带范围内压控
振荡器的增益调整为一致，所以在压控振...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵刚，田泽，唐龙飞，王晋，吕俊盛，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61