一種新穎的內(nèi)外頻標(biāo)自適應(yīng)式時(shí)鐘源的設(shè)計(jì)

0 引 言
    時(shí)鐘技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。計(jì)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(shí)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(shí)鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換是用檢波器對(duì)外頻標(biāo)進(jìn)行檢波，用檢波出來的信號(hào)去控制晶振的電源通斷，從而實(shí)現(xiàn)切換。但這種傳統(tǒng)的檢波方式，只能對(duì)頻標(biāo)的有無進(jìn)檢波，無法檢出參考的頻率，而且要求內(nèi)外頻標(biāo)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(diǎn)。
    本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)式時(shí)鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換采用軟件檢測和控制來適應(yīng)5 MHz，10 MHz和20 MHz頻標(biāo)，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(shí)鐘。時(shí)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(diǎn)。與傳統(tǒng)的內(nèi)外頻標(biāo)切換時(shí)鐘源相比，內(nèi)外頻標(biāo)切換可以不用外部控制，達(dá)到完全自適應(yīng)多個(gè)不同頻率外頻標(biāo)，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(diǎn)。

1 自適應(yīng)式時(shí)鐘源內(nèi)外頻標(biāo)的切換原理
    圖1給出的鎖相時(shí)鐘源是單片機(jī)通過串行數(shù)字接口對(duì)鎖相芯片內(nèi)部的分頻器進(jìn)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(hào)進(jìn)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(hào)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(shí)鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換主要由軟件來實(shí)現(xiàn)。圖2中單片機(jī)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(dāng)外加頻標(biāo)時(shí)，單片機(jī)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(shí)等待，檢測鎖定指示電平為高，則環(huán)路鎖定在5 MHz頻標(biāo)上，單片機(jī)停止送數(shù)，降單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，來避免單片機(jī)帶給環(huán)路的干擾；如果鎖定指示為低，單片機(jī)繼續(xù)送10 MHz參考的頻率控制字，延時(shí)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(biāo)上，單片機(jī)停止送數(shù)，降單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘；如果鎖定指示為低，單片機(jī)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(jī)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(biāo)同時(shí)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(jī)隨即切斷內(nèi)頻標(biāo)電源，環(huán)路重新鎖定在外頻標(biāo)上。

    傳統(tǒng)的內(nèi)外頻標(biāo)切換時(shí)鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)頻率是相同的，而自適應(yīng)式時(shí)鐘源內(nèi)外頻標(biāo)頻率不同，外頻標(biāo)還可以有幾種不同頻率的選擇。因此，該時(shí)鐘源在整機(jī)使用中對(duì)外部頻標(biāo)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(biāo)情況下，時(shí)鐘源仍然能正常工作，增加了在整機(jī)系統(tǒng)使用中的兼容性。軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)測又可以保證在內(nèi)外頻標(biāo)同時(shí)存在的情況下，及時(shí)切斷內(nèi)部晶振的電源，避免兩種不同的參考頻率，對(duì)環(huán)路帶來不必要的干擾。所以改進(jìn)后的自適應(yīng)時(shí)鐘源從產(chǎn)品的適應(yīng)性和使用的方便性都大大增強(qiáng)。
    在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，若外頻標(biāo)為方波，上升沿比較陡，對(duì)頻標(biāo)的電平要求不高，大于0 dBm即可；若外頻標(biāo)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(biāo)上，再加外頻標(biāo)，外頻標(biāo)的信號(hào)需強(qiáng)于內(nèi)頻標(biāo)，環(huán)路才能重新鎖在外頻標(biāo)上。所以，外頻標(biāo)為正弦波的時(shí)侯，電平必須大于5 dBm，環(huán)路才能在內(nèi)外頻標(biāo)間自適應(yīng)切換。

2 自適應(yīng)內(nèi)外頻標(biāo)切換時(shí)鐘源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 自適應(yīng)式時(shí)鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換軟件的設(shè)計(jì)
    該時(shí)鐘源軟件的流程如圖3所示。

2．2 自適應(yīng)式時(shí)鐘源的環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)
    環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)在整個(gè)時(shí)鐘源中很關(guān)鍵，既要兼顧5 MHz，10 MHz外頻標(biāo)，又要兼顧20 MHz內(nèi)頻標(biāo)。因此，環(huán)路的設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮到各個(gè)頻標(biāo)的因素。鑒于這種情況，設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)，對(duì)參考頻率分別進(jìn)行1，2，4分頻，使得環(huán)路在多個(gè)頻標(biāo)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(duì)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(diǎn)。
    在設(shè)計(jì)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(shí)鐘源輸出信號(hào)的相位噪聲是所有噪聲同時(shí)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(rèn)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(shí)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(biāo)、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO、時(shí)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(xiàng)為環(huán)路的低通輸出相位噪聲譜，第二項(xiàng)為環(huán)路的高通輸出相位噪聲譜。
    參考信號(hào)的相位噪聲對(duì)輸出信號(hào)相噪的貢獻(xiàn)L1(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(1)計(jì)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(duì)輸出信號(hào)相噪的貢獻(xiàn)L2(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(2)來計(jì)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(hào)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(hào)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(biāo)作用下，表現(xiàn)出來的相位噪聲也各有差異，不盡相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，三種參考頻率在相同的相位噪聲基準(zhǔn)下，20 MHz頻標(biāo)倍頻次數(shù)最少，相位噪聲曲線最好；5 MHz頻標(biāo)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(shí)鐘源輸出相位噪聲曲線(其橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示相位噪聲)。
    從圖5可以看出，時(shí)鐘源實(shí)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(duì)時(shí)鐘源相位噪聲的要求，這說明本文提出的內(nèi)外頻標(biāo)自適應(yīng)式時(shí)鐘源的環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)合理，電路布局優(yōu)化，設(shè)計(jì)方法是完全可行的。

4 結(jié) 語
    新設(shè)計(jì)的內(nèi)外頻標(biāo)自適應(yīng)式時(shí)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(diǎn)。內(nèi)外頻標(biāo)的切換不用外部控制，完全自適應(yīng)多個(gè)不同頻率的內(nèi)外頻標(biāo)，而且產(chǎn)品的適應(yīng)性和使用的方便性都大大增強(qiáng)。目前該時(shí)鐘源已在數(shù)字基帶系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。