射頻一體化矢量網絡分析儀系統鎖相技術

王新艷

(青島職業技術學院軟件與服務外包學院，山東青島266555)

高性能射頻一體化矢量網絡分析儀系列是一種尖端測試儀器，具有傳統矢量網絡分析儀無法比擬的優點和更廣泛的用途，集多功能、模塊化、寬頻帶、高精度、高分辨率、大動態范圍、快速實時、使用方便等特點于一身，首次采用Windows操作系統，更可靠并適合現代網絡環境，使網絡儀能夠像其它辦公或工業設備一樣具有PC機的全部功能。系統鎖相技術是寬帶一體化矢量網絡分析儀的關鍵技術，主要作用是保證本振源和射頻源嚴格同步。本文介紹了系統鎖相技術及輔助鎖相電路的設計，并闡述了該電路有效縮短掃描時間的方法，以提高整個矢量網絡分析儀測試速度

1 鎖相環路的工作原理

鎖相環是指由相位比較器(鑒相器)、環路濾波器和壓控振蕩器(VCO)組成的負反饋閉合環路[1]，其結構框圖如圖1所示。鑒相器是相位比較裝置，對輸入信號Fr和反饋網絡的輸出信號Fv的相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差的誤差電壓Se。環路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。壓控振蕩器受控制電壓的控制，其輸出Fo經反饋網絡后的頻率Fv向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。鎖相環是相位誤差控制系統，比較輸入信號和反饋網絡輸出信號之間的相位差，從而產生誤差控制電壓來調整壓控振蕩器的輸出頻率，以達到與輸入信號同頻。

圖1 鎖相環路結構圖

在環路開始工作時，如果輸入信號頻率與反饋網絡輸出頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢必一直在變化，結果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到使反饋網絡輸出頻率與輸入信號頻率相等，在滿足穩定性條件下就在這個頻率上穩定下來。

達到穩定后，輸入信號和反饋網絡輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環路就進入“鎖定”狀態。當鎖相環入鎖時，還具有“捕捉”信號的能力，VCO可在某一范圍內自動跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環的捕捉范圍內發生變化，鎖相環能捕捉到輸入信號頻率，并強迫VCO鎖定在該頻率上。

能夠靠環路自身的作用最終實現鎖定的最大的調諧振蕩器初始失諧誤差稱為鎖相環的捕捉帶寬。環路鎖定以后，由于某些內在條件或外在干擾的影響，環路可能會瞬時偏離鎖定平衡，但這種失衡在一定頻率范圍內會被鎖相環自動消除而建立新的平衡，最大允許偏離范圍稱為同步帶寬。一般來說，同步帶寬大于捕捉帶寬，一旦失衡超出同步帶寬，環路將永久失鎖，除非有外部力量把調諧振蕩器重新調諧到捕捉帶寬以內。

2 射頻一體化矢量網絡分析儀輔助鎖相技術

在寬帶一體化矢量網絡分析儀中，最高掃描頻率可以達到9 GHz，為了具有更快的掃描測試速度，同時保證源輸出信號的相噪指標，其鎖相系統工作方式和以往的網絡分析儀有所不同。新型矢量網絡分析儀通過鎖相輔助電路的設計，使鎖相系統在開環狀態下，跟蹤特性就已達到很高的精度，不但縮短了捕獲時間，還保證在快速鎖相時系統具有良好的跟蹤性能，實現了快速鎖相，改善測量的速度和精度。其中的延時補償、2.5 G偏移、數字預調斜坡和模擬斜坡電路共同組成了輔助鎖相電路，保證環路即使在開環狀態下，YIG振蕩器的輸出頻率與參考頻率也非常接近，減小了環路起始頻差，提高了掃描速度。

2.1 數字預調斜坡電路

矢量網絡分析儀掃描測試分為步進掃和模擬掃兩種狀態。步進掃時采用的是逐點鎖相，具體電路實現中，為了保證數字預調電壓能與小數環(輸入參考頻率)步進一致，整個掃描跟蹤過程環路一直鎖定，電路應用CS82C54作為分頻控制器來產生時鐘中斷以精確控制數字預調電壓。

圖2所示為步進掃預調電壓控制電路框圖，環路在預調捕獲時，計數器被CPU設置初始值，通過D/A轉換為電壓來調諧YIG調諧振蕩器(YTO)，此時YTO產生的頻率與參考頻率非常接近，環路快速捕獲成功。主CPU通過參考信號的掃描速度計算出合適的分頻比送入分頻控制電路，當參考頻率步進斜升時，步進控制信號變為高電平，10 M信號進入分頻控制電路，經過分頻后的信號進入計數器的時鐘輸入端，引起計數器的變化，通過D/A轉換后變為斜升的電壓，數字預調電壓控制YTO的頻率，這樣就保證了在逐點鎖相時YTO頻率與參考頻率步進一致，環路快速進入穩定狀態，節約大量時間[2]。步進掃參考頻率與預調電壓的關系見圖3。

圖2 步進掃預調電壓控制電路

圖3 步進掃參考頻率與預調電壓關系

圖4為實現預調電壓的具體電路原理圖，N402作為計數器產生計數脈沖，同時作為12位計數器的時鐘輸入。N403、N404、N405級聯組成12位計數器，12位計數器的計數輸出作為每個掃描頻率點的頻率置數值輸入到AD7945 D/A轉換器中，轉換后的模擬電壓來粗調YTO輸出到相應的頻率。

圖4 數字預調諧電路原理圖

具體工作過程為：預調時，N402并不工作，CPU通過計算向N403、N404、N405內置數，所置數值通過D/A轉換后調節YTO輸出頻率，使YTO的輸出頻率達到需要鎖定的頻率附近，然后環路進行鎖相調節[3]。如果不能鎖定，則需要再次預調，CPU重新向N403、N404、N405內置數，然后再進行鎖相。預調過程可以重復多次直到環路鎖定。

掃描開始時，N402由數據線輸入數據，N403、N404、N405保持預調成功時的數據，N411-5為掃描控制信號，掃描時，每掃一個點就有一個脈沖，脈沖寬度不定，它與掃描的頻率范圍和點數有關，即與兩個相鄰掃描點的頻率跨度有關，頻率跨度越大，脈沖越寬，這樣放到N402里的時鐘信號越多，最終計數器產生的計數脈沖越多。計數器產生的計數脈沖輸出作為12位邊沿計數器的時鐘輸入信號，所以12位計數器計數輸出的變化也就越大，D/A轉換后生成的電壓變化也變大，YTO的頻率變化也就越大。這樣，每個掃描點數字模擬轉換器(DAC)的輸出電壓都能把YTO的頻率預置到鎖定的頻率附近，然后環路再進行鎖相調節。

由以上分析可知，Hscan信號和N402的數據共同作用可以決定數字預調諧斜坡的斜率，即在每兩個掃描點之間的電壓變化，N403、N404、N405所輸入的數據為YTO的頻率預調數據，決定了起始掃描時YTO的頻率。

2.2 模擬斜坡電路

由于理想的二階環可以跟蹤頻率斜升信號，具有固定的相位差，這個固定的穩態相差與掃描速率成正比，如果加大掃描速率，穩態相差隨之加大，就可能進入非線性跟蹤狀態，再加大掃描速率，還會造成失鎖[4]。為了提升掃描速度，當系統以更快的速度進行掃描時，數字預調斜坡不再是逐點精確置數，而只是在每個波段的起始點置一個值，鎖定后由模擬斜坡電路產生一個均勻斜升的電壓(如圖5所示)，該電壓變化與參考信號的頻率變化一致，最終使得YTO的輸出頻率與參考頻率在整個掃描過程中變化接近，鎖相環路在這個基礎上進行鎖相。

該路模擬電壓的斜率與測量跨度成正比，與掃描時間成反比。首先根據子掃描頻率跨度及小數環(參考頻率)步進確定掃描時間跨度TimeSpan；然后根據子掃頻率跨度確定YTO所需電壓的正常變化范圍VoltSpan；最后利用公式計算需要設置的電壓Volt=VoltSpan/Scale/TimeSpan，Scale需要校準得到。

快掃模擬斜坡電壓產生電路如圖6所示，主CPU通過計算將數據置于D/A，D/A輸出所需電壓，當參考頻率開始掃描時，步進控制變為高電平，開關閉合，積分濾波器輸出斜升的電壓調諧YTO。

圖5 快掃控制電壓

圖6 快掃模擬斜坡電壓產生電路

2.3 延遲補償電路

一般來講，YTO的輸出頻率與所輸入的驅動電流之間并不是完全線性關系，其有延遲特性，假設給定靜態電流為200 mA時，YTO輸出頻率為2 G，而驅動電流由100 mA均勻變化到300 mA時，在200 mA點處振蕩器的輸出并不是2 G，比2 G略低，驅動電流的變化速率越快，這種現象就越明顯，針對YTO的這種特性設計了延時補償電路，通過對振蕩器外加驅動電流的方式進一步保證開環狀態下對YTO的精確控制，其計算公式為：V=K*FreqSpan/SweepTimes，其中，FreqSpan為掃描跨度，SweepTimes為掃描時間，K是常數，由YTO的特性實驗決定。通過上述電路的共同作用，就可以確保YTO的控制電壓非常精確。鑒相器的工作原理圖如圖7所示。

圖7 鑒相器電路原理圖

Q1和Q2與非的結果作為RD的輸入，由于RD為高電平時時鐘上升沿觸發，RD為低電平時清零。當Q1、Q2都為高電平時，RD輸入為低電平進行清零。N208-20作為開關的控制信號，當低電平時，鑒相器輸出為低電平，不工作。Q1與Q2的輸出為不同脈寬的脈沖，經過濾波就可以轉化為脈動的直流信號來調節YTO的輸出頻率。圖8只截取了仿真波形的一段，并不能代表Q1與Q2經濾波后的實際電壓變化。

圖8 仿真波形

3 結語

本文簡要介紹了鎖相的基本原理，著重介紹了高性能射頻一體化矢量網絡分析儀系統鎖相的實現方法和工作原理。

[1] 閆亞力，杜會文，杜以濤，等.一種多環路寬帶微波頻率合成器設計[J].國外電子測量技術，2014，33(5)：48-51.

[2] 萬耿華，凌云志.自校準YTO鎖相環路的實現[J].微波學報，2011，27(3)：76-78.

[3] 何文青，宋春林，董航，等.數字鎖相環提取位同步信號的改進與實現[J].無線電通信技術，2015，41(1)：74-76.

[4] 張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011：87-110.