SB3336A型鎖相環宇航應用可靠性研究

孫哲煜，章玉珠，朱英瑋，陸格格，芮濤

上海航天電子技術研究所，上海，201109

0 引言

鎖相環是一種閉環負反饋控制系統，其根據參考輸入信號和輸出信號的相位差調節內部控制電壓進行反饋調節，使得輸出信號與參考輸入信號的頻率和相位同步。

在宇航電子產品中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，而利用鎖相環的倍頻、分頻等頻率合成技術，可以獲得多頻率、高穩定的振蕩信號輸出。許多有頻率變換和調制功能的單機都會使用到鎖相環的鎖相、倍頻、分頻功能。

作為宇航調制器單機編碼調制模塊的關鍵組成部分，由高可靠性PLL鎖相環組成的鎖相倍頻電路在整臺單機中起到至關重要的作用。同時在航天領域，鎖相環往往對頻率范圍、功耗、可靠性、抗輻指標有更嚴格的需求，需要在應用驗證過程中重點關注。

1 宇航用鎖相環研制現狀

1.1 宇航用鎖相環研制情況

因進出口管控政策等因素的不可控，目前已無法穩定獲得進口的宇航級鎖相環PE9702，對采用鎖相倍頻的宇航調制器的研制工作產生了嚴重影響。

根據航天器用元器件的自己開發、自己制造、不受制于人的應用需求以及鎖相環的使用需求，中電24所承接的航天器用鎖相環SB3336A系列產品已具有一定的研制基礎，形成了較為完善的產品線，質量等級滿足宇航級需求。

1.2 鎖相環替代可行性分析

SB3336A型鎖相環的器件封裝形式為CQFJ44，與國外器件的引腳排序完全一致，可實現插拔替代。如表1所示，兩款器件的供電電壓VDD均為-0.3～4.0V，頻率范圍f均為50MHz～3.0GHz，靜電耐電壓VESD均為1000V，且均支持串行、并行或直接數據可編程輸入模式。

表1 SB3336A及PE9702鎖相環的主要指標差異匯總

SB3336A產品內部包含了10/11雙模前置分頻器、模數選擇電路、M計數器、R計數器、數據控制邏輯、鑒相器和鎖相檢測電路，其功能框圖如圖1所示。

圖1 SB3336A功能框圖

R計數器和M計數器的控制字為串行、并行和直接三種接口輸入方式[1]。

參考振蕩器信號fr經R計數器得到鑒相頻率信號fC＝fr/R＋1。當環路被鎖定時fP＝fC，即fI/N＝fr/（R＋1）。由此，頻率合成器系統的輸出信號頻率為fI＝[10(M+1)+A]×[fr/(R＋1)]。

在本次驗證載體——某宇航調制器單機中，鎖相環應用于時鐘倍頻電路，應用模型如圖2所示。

圖2 SB3336A在宇航調制器單機中應用模型圖

時鐘倍頻電路通過數字鎖相環對FPGA輸出的有效時鐘進行4倍頻，并保持環路對時鐘輸入信號頻率及相位的跟蹤。頻率綜合模塊由數字鑒相器SB3336A、有源環路濾波器、壓控振蕩器和電平轉換器組成。當環路鎖定后，壓控振蕩器輸出的信號送回FPGA中作為位寬變換和編碼處理時鐘。

2 鎖相環宇航應用驗證設計

2.1 系統方案設計

整個驗證測試系統通過前端接入宇航終端機，由宇航終端機發送時鐘數據信號輸出給宇航調制器，宇航調制器根據接收的數據設置不同工作模式，發送不同指令信息，通過遙測狀態檢查單機對指令響應的正確性，通過多種地檢設備（如中頻接收機、頻譜儀等）檢查單機常規工作響應的性能，電氣適應性評估試驗的總體示意如圖3所示[2]。

圖3 地面測試設備與系統聯試測試方案

2.2 驗證項目設計

參考Q/QJA 20034-2012的要求，SB3336A型鎖相環的應用驗證項目設計如表2所示[3]。

表2 SB3336A型鎖相環應用驗證項目

測試過程中受試產品連續通電并監測主要性能指標，在首、末及中期進行三次全面電性能指標測試。試驗中的最短連續通電測試時間不得少于72h，試驗中最后100h應保證受試產品無故障。

該測試主要是將被測器件放在熱環境中進行測試，全程監測主要性能指標。根據鑒定試驗中的熱循環試驗條件來完成。試驗參照Q/W 1223-2009執行。

3 鎖相環可靠性驗證情況

3.1 驗證數據一致性分析

按照第2節的具體測試方法[5]和內容進行驗證測試，測試數據如表3所示。

表3 鎖相環測試指標一致性

3.2 器件可靠性驗證小結

通過對系統適應性測試數據的分析與確認，SB3336A型鎖相環在宇航譜調制器單機中經過各項測試和多個試驗均工作正常、性能穩定，測試結果如圖4所示。

圖4 測試結果截圖

4 結論

本文以宇航鎖相環產品的現狀為切入點，介紹了SB3336A和PE9702型鎖相環的特性與性能，著重分析了其替代可行性。最終通過設計可靠性驗證方案，以宇航數傳調制器產品的單機指標作為參考依據，從啟動上電、信道參數測試、功率測試、功耗測試等方面對器件使用的全部流程進行考核，最終得出SB3336A型鎖相環在單機級驗證過程中均能正常工作，且技術指標符合要求，可以替代進口元器件的指標性能。此次驗證研究為SB3336A型鎖相環在宇航單機中的應用提供了支撐，也奠定了同類型鎖相環產品在宇航測控數傳系統中的應用基礎。