一種VCO特性測試系統的設計與實現

凌 偉，李 偉，杜念文

（中電科思儀科技股份有限公司 山東 青島 266555）

1 引言

壓控振蕩器（VCO）作為鎖相環、頻率綜合等電路的關鍵模塊，廣泛應用于微波毫米波儀器（信號源、頻譜儀、網絡儀）、衛星通信、雷達（TR組件）、導彈制導系統、軍事通信系統等電子系統中，對電子系統的性能、尺寸和成本都有很大影響[1]。

壓控振蕩器主要有中心頻率、調諧范圍、調諧增益、調諧線性度、相位噪聲、輸出信號功率等關鍵指標。

要完整表征VCO的各項特性，首先要給VCO提供低噪聲供電電源和調諧電源。測量VCO輸出頻率要用到頻率計；測量其功率要用到功率計；測量其頻譜特性要用到頻譜儀；測量其相位噪聲要用到相位噪聲分析儀；調諧靈敏度、調諧線性度等指標要組建系統來進行測量。可見為了綜合評價一款VCO產品，需要用到多種測量儀器。為了解決這個問題，本文構建了包含低噪聲高分辨率電源輸出單元、頻率測量單元、功率測量單元、頻譜測量單元以及相位噪聲測量單元的VCO測試系統。只需要一臺儀器就可以完成VCO的各項特性測試，相對于傳統的測量方案來說連接簡單，測試方便。

2 低噪聲高分辨率電源模塊設計

VCO工作時通常需要兩路電壓，一路是供電電壓，一路是調諧電壓。供電電壓通常為一個固定值，為VCO提供直流電源；調諧電壓控制VCO的輸出信號頻率，VCO輸出信號頻率隨調諧電壓的變化即為VCO的調諧線性度。在VCO生產、調試、使用過程中，通常需要對VCO的特性進行測試，需要用到上述兩種電源。VCO正常工作時要求供電電源及調諧電源的基帶噪聲低、分辨率高，這樣才能減少電源噪聲干擾、更加細致地描述VCO的各項特性。基于以上原因，本文設計了專門用于VCO特性測試的電源模塊。兩種電源的設計原理基本相同，下面以供電電源設計為例進行說明。

VCO工作時需要一路穩定的供電電源，不同型號的要求不同，因此本設計的供電電壓的范圍設計為0～16 V，可以滿足大多數型號VCO的要求。

首先將外部提供電源+15 V經過低噪聲DC-DC變換模塊，隔離外部輸入電源噪聲，輸出正負電壓。之后，對DC-DC輸出電壓進行LC低通濾波，進一步濾除紋波，抑制共模噪聲。將產生的電壓經過穩壓芯片二次穩壓后提供到DAC數模轉換器作為參考電壓。這兩路正負電壓為后端電路的放大器、DAC等電路供電。本設計采用16位的DAC芯片產生高分辨率輸出電壓，經過后端的放大單元，實際輸出電壓分辨率可以達到0.4 mV/位，滿足設計要求。

通過上述分析可以看出實際輸出電壓與設置DAC值是線性關系，即VOUT=k×D+b。因此本文設計了電壓輸出校準電路，經校準后輸出電壓誤差范圍滿足設計要求。

在VCO特性測試時需要對VCO的功耗進行測量，即對其工作電流進行測量。在本設計中，電流回路中串聯了一個阻值為1Ω的高穩精密電阻。當供電電源工作時對電阻兩端的電壓進行采樣測量，用該電壓值除以串聯小電阻的電阻值就可以得到環路中的電流，將該電流值乘以輸出電壓即可以得到VCO的實時功耗。這樣設計的優點在于不用外接電流表就可以實時測量VCO的功耗。

如果輸出電流太大容易把供電鏈路的器件燒壞，因此需要進行電流控制，一旦輸出電流過載就提前報警，并切斷回路。方法與電流測量方法相同，提取環路串聯小電阻的兩端電壓差，該值與環路電流成正比，對該電壓值進行比例放大，然后與設定閥值進行比較，如果大于設定閥值說明電流過載需要啟動電路保護程序。同時程序也會實時回讀該數據，并在頁面顯示，提醒用戶注意負載過載。

3 高精度測頻技術

頻率測量是計算VCO調諧靈敏度、調諧線性度的基礎，也是相位噪聲測試的前提，因此需要對VCO輸出頻率進行高精度測量。本設計中采用多周期計數法實現頻率精確測量。為了降低前后沿不對齊引入的測量誤差，本文應用了TDC-GPX進行時間誤差的測量[2-3]。

TDC-GPX使用一組傳播延時相等的延時單元構成延時鏈，當信號未到達某延時單元時其狀態為0，當信號到達后，其狀態為1。同步后產生的前后內插脈沖信號，被送到延時鏈上，通過檢查延時鏈中各延遲單元的狀態變化，通過編碼器完成內插時間到數字的轉換，從而完成前后內插時間測量。

本文使用兩片TDC-GPX芯片以及FPGA實現了精確的VCO頻率測量，TDC-GPX工作在R模式，雙通道時間分辨率達到27 ps，見圖1。被測信號經過電平轉換后變為差分信號，產生計數事件；FPGA產生的預置閘門被閘門同步單元1同步后產生四路事件同步閘門信號。一路到FPGA作為計數閘門進行計數；另外兩路作為TDC-GPX啟動計數信號，還有一路用于同步參考信號；閘門同步單元2就是用于同步計數時鐘和事件閘門信號。前后內插產生的同步信號分別用于TDC-GPX的計數終止信號。利用TDC-GPX1得到前內插脈沖信號時間值，利用TDCGPX2得到后內插脈沖信號時間值。TDC-GPX輸出28位計數數據，直接發送到FPGA內部；最終事件計數數據、前后內插數據經過緩存后傳遞到CPU單元，經CPU單元后計算出被測信號頻率。

圖1 測頻單元框圖

最終測量得到事件計數結果為NA，時間計數結果為NB，前內插計數結果為D1，后內插計數結果為D2，采用的內部計數頻率為Fref，同步閘門時間T2為：T2=（NB/Fref）+（D1-D2）×27 ps，事件頻率Fin=NA/T2。相對于多周期計數法，對前后內插誤差時間進行了測量，使得測量結果更加精確。

4 VCO相位噪聲測試技術設計

在信號源、頻譜儀等多種測試儀表以及系統設備中都使用了VCO來設計系統的本振，所以VCO器件的相位噪聲直接影響了這些儀器儀表以及系統的性能。VCO相位噪聲影響信號源輸出信號的相位噪聲；VCO相位噪聲影響頻譜儀底部噪聲水平；另外，如果VCO應用到雷達通信等設備的接收發射本振中，其相位噪聲還會影響到雷達的目標識別度、分辨率，影響通信設備的誤碼率等。所以，需要對VCO產品的相位噪聲進行測量，這是保證儀器儀表以及系統設備的綜合性能的前提。

為了對VCO等漂移振蕩源進行相位噪聲測試，構建了基于數字鑒頻法的VCO相位噪聲測試方案。其硬件構成見圖2。

圖2 數字鑒頻法VCO相位噪聲測試框圖

VCO輸出信號首先進入功率控制單元進行增益控制，然后被送入中頻處理單元。本振信號與VCO信號進行基波下混頻，得到中頻信號fIF。混頻后中頻信號功率較小，需要進行低噪聲放大，放大后的中頻信號被送到后端的ADC進行采樣。數字中頻信號被送到數字處理單元。之后分為兩路，一路直接到數字混頻器，另一路經過數字延時后到達數字混頻器，兩者經過數字混頻，得出頻率抖動信息，然后經過FFT以及互相關運算得出VCO輸出信號的相位噪聲功率譜密度。本文構建了平衡雙通道的信號處理流程，然后在數字處理單元進行互相關運算，相對于單通道來說，這樣可以在一定程度上消除系統噪聲，提高相位噪聲測量靈敏度。數字鑒頻技術相對于模擬鑒頻技術來說去掉了模擬延遲線，使用數字延遲線，這樣可以根據不同的測量頻偏，選擇不同的延遲線長度，既保證了測量靈敏度，又兼顧了測量頻偏的要求，實現了1 Hz～40 MHz分析頻偏的高靈敏度相位噪聲測量。

5 測試結果與分析

為驗證本文設計的VCO特性測試系統的性能，本文選用了一款壓控振蕩器進行了指標驗證。

（1）調諧線性度測量。設置VCO特性測試系統為頻率功率測量，選擇觸發模式。設置供電電壓為5 V，設置調諧電源輸出頻率范圍為0～16 V，設置駐留時間為1 s，設置掃描點數160個，然后啟動測量。測量結果見圖3。曲線顯示了VCO輸出信號頻率隨調諧電壓的變化情況。

圖3 調諧線性度測量

（2）調諧靈敏度測量。設置VCO特性測試系統為頻率功率測量，選擇觸發模式。設置供電電壓為5 V，設置調諧電源輸出頻率范圍為0～16 V，設置駐留時間為1 s，設置掃描點數160個，然后啟動測量。測量結果見圖4。曲線顯示了調諧靈敏度隨調諧電壓的變化情況。

圖4 VCO特性測試（電壓-調諧靈敏度）

（3）相位噪聲測量。首先設置VCO特性測試系統為相位噪聲模式。設定供電電源輸出5 V，給VCO供電，然后設置調諧電壓為5 V，輸出一固定頻點的信號。測試結果見圖5。

圖5 VCO信號相位噪聲測試

6 結語

本文采用集成化、模塊化的設計方案，實現了VCO器件特性的自動測試。設計了低噪聲、高分辨率、大動態范圍的供電電源和調諧電源，輸出電壓的范圍、分辨率、供電電流大小、基帶噪聲都符合要求；設計了高精度頻率測量系統，一鍵測量VCO器件的調諧線性度以及調諧靈敏度；設計了電流回讀功能，實時監測VCO器件功耗；采用數字鑒頻方式測量VCO輸出信號相位噪聲。最后，使用該系統實際測量了一款VCO，驗證了VCO器件特性測試系統的實用性。