一種VCO特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(huán)、頻率綜合等電路的關(guān)鍵模塊，廣泛應(yīng)用于微波毫米波儀器（信號(hào)源、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)儀）、衛(wèi)星通信、雷達(dá)（TR組件）、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)等電子系統(tǒng)中，對(duì)電子系統(tǒng)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(diào)諧范圍、調(diào)諧增益、調(diào)諧線性度、相位噪聲、輸出信號(hào)功率等關(guān)鍵指標(biāo)。

要完整表征VCO的各項(xiàng)特性，首先要給VCO提供低噪聲供電電源和調(diào)諧電源。測(cè)量VCO輸出頻率要用到頻率計(jì)；測(cè)量其功率要用到功率計(jì)；測(cè)量其頻譜特性要用到頻譜儀；測(cè)量其相位噪聲要用到相位噪聲分析儀；調(diào)諧靈敏度、調(diào)諧線性度等指標(biāo)要組建系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。可見(jiàn)為了綜合評(píng)價(jià)一款VCO產(chǎn)品，需要用到多種測(cè)量?jī)x器。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文構(gòu)建了包含低噪聲高分辨率電源輸出單元、頻率測(cè)量單元、功率測(cè)量單元、頻譜測(cè)量單元以及相位噪聲測(cè)量單元的VCO測(cè)試系統(tǒng)。只需要一臺(tái)儀器就可以完成VCO的各項(xiàng)特性測(cè)試，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方案來(lái)說(shuō)連接簡(jiǎn)單，測(cè)試方便。

2 低噪聲高分辨率電源模塊設(shè)計(jì)

VCO工作時(shí)通常需要兩路電壓，一路是供電電壓，一路是調(diào)諧電壓。供電電壓通常為一個(gè)固定值，為VCO提供直流電源；調(diào)諧電壓控制VCO的輸出信號(hào)頻率，VCO輸出信號(hào)頻率隨調(diào)諧電壓的變化即為VCO的調(diào)諧線性度。在VCO生產(chǎn)、調(diào)試、使用過(guò)程中，通常需要對(duì)VCO的特性進(jìn)行測(cè)試，需要用到上述兩種電源。VCO正常工作時(shí)要求供電電源及調(diào)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(xì)致地描述VCO的各項(xiàng)特性。基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了專門(mén)用于VCO特性測(cè)試的電源模塊。兩種電源的設(shè)計(jì)原理基本相同，下面以供電電源設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。

VCO工作時(shí)需要一路穩(wěn)定的供電電源，不同型號(hào)的要求不同，因此本設(shè)計(jì)的供電電壓的范圍設(shè)計(jì)為0～16 V，可以滿足大多數(shù)型號(hào)VCO的要求。

首先將外部提供電源+15 V經(jīng)過(guò)低噪聲DC-DC變換模塊，隔離外部輸入電源噪聲，輸出正負(fù)電壓。之后，對(duì)DC-DC輸出電壓進(jìn)行LC低通濾波，進(jìn)一步濾除紋波，抑制共模噪聲。將產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片二次穩(wěn)壓后提供到DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為參考電壓。這兩路正負(fù)電壓為后端電路的放大器、DAC等電路供電。本設(shè)計(jì)采用16位的DAC芯片產(chǎn)生高分辨率輸出電壓，經(jīng)過(guò)后端的放大單元，實(shí)際輸出電壓分辨率可以達(dá)到0.4 mV/位，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)上述分析可以看出實(shí)際輸出電壓與設(shè)置DAC值是線性關(guān)系，即VOUT=k×D+b。因此本文設(shè)計(jì)了電壓輸出校準(zhǔn)電路，經(jīng)校準(zhǔn)后輸出電壓誤差范圍滿足設(shè)計(jì)要求。

在VCO特性測(cè)試時(shí)需要對(duì)VCO的功耗進(jìn)行測(cè)量，即對(duì)其工作電流進(jìn)行測(cè)量。在本設(shè)計(jì)中，電流回路中串聯(lián)了一個(gè)阻值為1Ω的高穩(wěn)精密電阻。當(dāng)供電電源工作時(shí)對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣測(cè)量，用該電壓值除以串聯(lián)小電阻的電阻值就可以得到環(huán)路中的電流，將該電流值乘以輸出電壓即可以得到VCO的實(shí)時(shí)功耗。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于不用外接電流表就可以實(shí)時(shí)測(cè)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(jìn)行電流控制，一旦輸出電流過(guò)載就提前報(bào)警，并切斷回路。方法與電流測(cè)量方法相同，提取環(huán)路串聯(lián)小電阻的兩端電壓差，該值與環(huán)路電流成正比，對(duì)該電壓值進(jìn)行比例放大，然后與設(shè)定閥值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定閥值說(shuō)明電流過(guò)載需要啟動(dòng)電路保護(hù)程序。同時(shí)程序也會(huì)實(shí)時(shí)回讀該數(shù)據(jù)，并在頁(yè)面顯示，提醒用戶注意負(fù)載過(guò)載。

3 高精度測(cè)頻技術(shù)

頻率測(cè)量是計(jì)算VCO調(diào)諧靈敏度、調(diào)諧線性度的基礎(chǔ)，也是相位噪聲測(cè)試的前提，因此需要對(duì)VCO輸出頻率進(jìn)行高精度測(cè)量。本設(shè)計(jì)中采用多周期計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率精確測(cè)量。為了降低前后沿不對(duì)齊引入的測(cè)量誤差，本文應(yīng)用了TDC-GPX進(jìn)行時(shí)間誤差的測(cè)量[2-3]。

TDC-GPX使用一組傳播延時(shí)相等的延時(shí)單元構(gòu)成延時(shí)鏈，當(dāng)信號(hào)未到達(dá)某延時(shí)單元時(shí)其狀態(tài)為0，當(dāng)信號(hào)到達(dá)后，其狀態(tài)為1。同步后產(chǎn)生的前后內(nèi)插脈沖信號(hào)，被送到延時(shí)鏈上，通過(guò)檢查延時(shí)鏈中各延遲單元的狀態(tài)變化，通過(guò)編碼器完成內(nèi)插時(shí)間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，從而完成前后內(nèi)插時(shí)間測(cè)量。

本文使用兩片TDC-GPX芯片以及FPGA實(shí)現(xiàn)了精確的VCO頻率測(cè)量，TDC-GPX工作在R模式，雙通道時(shí)間分辨率達(dá)到27 ps，見(jiàn)圖1。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后變?yōu)椴罘中盘?hào)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)事件；FPGA產(chǎn)生的預(yù)置閘門(mén)被閘門(mén)同步單元1同步后產(chǎn)生四路事件同步閘門(mén)信號(hào)。一路到FPGA作為計(jì)數(shù)閘門(mén)進(jìn)行計(jì)數(shù)；另外兩路作為T(mén)DC-GPX啟動(dòng)計(jì)數(shù)信號(hào)，還有一路用于同步參考信號(hào)；閘門(mén)同步單元2就是用于同步計(jì)數(shù)時(shí)鐘和事件閘門(mén)信號(hào)。前后內(nèi)插產(chǎn)生的同步信號(hào)分別用于TDC-GPX的計(jì)數(shù)終止信號(hào)。利用TDC-GPX1得到前內(nèi)插脈沖信號(hào)時(shí)間值，利用TDCGPX2得到后內(nèi)插脈沖信號(hào)時(shí)間值。TDC-GPX輸出28位計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，直接發(fā)送到FPGA內(nèi)部；最終事件計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)、前后內(nèi)插數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩存后傳遞到CPU單元，經(jīng)CPU單元后計(jì)算出被測(cè)信號(hào)頻率。

圖1 測(cè)頻單元框圖

最終測(cè)量得到事件計(jì)數(shù)結(jié)果為NA，時(shí)間計(jì)數(shù)結(jié)果為NB，前內(nèi)插計(jì)數(shù)結(jié)果為D1，后內(nèi)插計(jì)數(shù)結(jié)果為D2，采用的內(nèi)部計(jì)數(shù)頻率為Fref，同步閘門(mén)時(shí)間T2為：T2=（NB/Fref）+（D1-D2）×27 ps，事件頻率Fin=NA/T2。相對(duì)于多周期計(jì)數(shù)法，對(duì)前后內(nèi)插誤差時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。

4 VCO相位噪聲測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)

在信號(hào)源、頻譜儀等多種測(cè)試儀表以及系統(tǒng)設(shè)備中都使用了VCO來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(tǒng)的性能。VCO相位噪聲影響信號(hào)源輸出信號(hào)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(yīng)用到雷達(dá)通信等設(shè)備的接收發(fā)射本振中，其相位噪聲還會(huì)影響到雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別度、分辨率，影響通信設(shè)備的誤碼率等。所以，需要對(duì)VCO產(chǎn)品的相位噪聲進(jìn)行測(cè)量，這是保證儀器儀表以及系統(tǒng)設(shè)備的綜合性能的前提。

為了對(duì)VCO等漂移振蕩源進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，構(gòu)建了基于數(shù)字鑒頻法的VCO相位噪聲測(cè)試方案。其硬件構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)字鑒頻法VCO相位噪聲測(cè)試框圖

VCO輸出信號(hào)首先進(jìn)入功率控制單元進(jìn)行增益控制，然后被送入中頻處理單元。本振信號(hào)與VCO信號(hào)進(jìn)行基波下混頻，得到中頻信號(hào)fIF。混頻后中頻信號(hào)功率較小，需要進(jìn)行低噪聲放大，放大后的中頻信號(hào)被送到后端的ADC進(jìn)行采樣。數(shù)字中頻信號(hào)被送到數(shù)字處理單元。之后分為兩路，一路直接到數(shù)字混頻器，另一路經(jīng)過(guò)數(shù)字延時(shí)后到達(dá)數(shù)字混頻器，兩者經(jīng)過(guò)數(shù)字混頻，得出頻率抖動(dòng)信息，然后經(jīng)過(guò)FFT以及互相關(guān)運(yùn)算得出VCO輸出信號(hào)的相位噪聲功率譜密度。本文構(gòu)建了平衡雙通道的信號(hào)處理流程，然后在數(shù)字處理單元進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，相對(duì)于單通道來(lái)說(shuō)，這樣可以在一定程度上消除系統(tǒng)噪聲，提高相位噪聲測(cè)量靈敏度。數(shù)字鑒頻技術(shù)相對(duì)于模擬鑒頻技術(shù)來(lái)說(shuō)去掉了模擬延遲線，使用數(shù)字延遲線，這樣可以根據(jù)不同的測(cè)量頻偏，選擇不同的延遲線長(zhǎng)度，既保證了測(cè)量靈敏度，又兼顧了測(cè)量頻偏的要求，實(shí)現(xiàn)了1 Hz～40 MHz分析頻偏的高靈敏度相位噪聲測(cè)量。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的VCO特性測(cè)試系統(tǒng)的性能，本文選用了一款壓控振蕩器進(jìn)行了指標(biāo)驗(yàn)證。

（1）調(diào)諧線性度測(cè)量。設(shè)置VCO特性測(cè)試系統(tǒng)為頻率功率測(cè)量，選擇觸發(fā)模式。設(shè)置供電電壓為5 V，設(shè)置調(diào)諧電源輸出頻率范圍為0～16 V，設(shè)置駐留時(shí)間為1 s，設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)160個(gè)，然后啟動(dòng)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。曲線顯示了VCO輸出信號(hào)頻率隨調(diào)諧電壓的變化情況。

圖3 調(diào)諧線性度測(cè)量

（2）調(diào)諧靈敏度測(cè)量。設(shè)置VCO特性測(cè)試系統(tǒng)為頻率功率測(cè)量，選擇觸發(fā)模式。設(shè)置供電電壓為5 V，設(shè)置調(diào)諧電源輸出頻率范圍為0～16 V，設(shè)置駐留時(shí)間為1 s，設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)160個(gè)，然后啟動(dòng)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。曲線顯示了調(diào)諧靈敏度隨調(diào)諧電壓的變化情況。

圖4 VCO特性測(cè)試（電壓-調(diào)諧靈敏度）

（3）相位噪聲測(cè)量。首先設(shè)置VCO特性測(cè)試系統(tǒng)為相位噪聲模式。設(shè)定供電電源輸出5 V，給VCO供電，然后設(shè)置調(diào)諧電壓為5 V，輸出一固定頻點(diǎn)的信號(hào)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 VCO信號(hào)相位噪聲測(cè)試

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用集成化、模塊化的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了VCO器件特性的自動(dòng)測(cè)試。設(shè)計(jì)了低噪聲、高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍的供電電源和調(diào)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(shè)計(jì)了高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)，一鍵測(cè)量VCO器件的調(diào)諧線性度以及調(diào)諧靈敏度；設(shè)計(jì)了電流回讀功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VCO器件功耗；采用數(shù)字鑒頻方式測(cè)量VCO輸出信號(hào)相位噪聲。最后，使用該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量了一款VCO，驗(yàn)證了VCO器件特性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性。