一種VCO特性測試系統(tǒng)的設(shè)計與實(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(diào)諧靈敏度、調(diào)諧線性度等指標(biāo)要組建系統(tǒng)來進(jìn)行測量。可見為了綜合評價一款VCO產(chǎn)品，需要用到多種測量儀器。為了解決這個問題，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(tǒng)。只需要一臺儀器就可以完成VCO的各項(xiàng)特性測試，相對于傳統(tǒng)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(shè)計

VCO工作時通常需要兩路電壓，一路是供電電壓，一路是調(diào)諧電壓。供電電壓通常為一個固定值，為VCO提供直流電源；調(diào)諧電壓控制VCO的輸出信號頻率，VCO輸出信號頻率隨調(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、使用過程中，通常需要對VCO的特性進(jìn)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(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?；谝陨显颍疚脑O(shè)計了專門用于VCO特性測試的電源模塊。兩種電源的設(shè)計原理基本相同，下面以供電電源設(shè)計為例進(jìn)行說明。

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

首先將外部提供電源+15 V經(jīng)過低噪聲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)計采用16位的DAC芯片產(chǎn)生高分辨率輸出電壓，經(jīng)過后端的放大單元，實(shí)際輸出電壓分辨率可以達(dá)到0.4 mV/位，滿足設(shè)計要求。

通過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)計要求。

在VCO特性測試時需要對VCO的功耗進(jìn)行測量，即對其工作電流進(jìn)行測量。在本設(shè)計中，電流回路中串聯(lián)了一個阻值為1Ω的高穩(wěn)精密電阻。當(dāng)供電電源工作時對電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣測量，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)時功耗。這樣設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于不用外接電流表就可以實(shí)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(jìn)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(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)定閥值說明電流過載需要啟動電路保護(hù)程序。同時程序也會實(shí)時回讀該數(shù)據(jù)，并在頁面顯示，提醒用戶注意負(fù)載過載。

3 高精度測頻技術(shù)

頻率測量是計算VCO調(diào)諧靈敏度、調(diào)諧線性度的基礎(chǔ)，也是相位噪聲測試的前提，因此需要對VCO輸出頻率進(jìn)行高精度測量。本設(shè)計中采用多周期計數(shù)法實(shí)現(xiàn)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(yīng)用了TDC-GPX進(jìn)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(gòu)成延時鏈，當(dāng)信號未到達(dá)某延時單元時其狀態(tài)為0，當(dāng)信號到達(dá)后，其狀態(tài)為1。同步后產(chǎn)生的前后內(nèi)插脈沖信號，被送到延時鏈上，通過檢查延時鏈中各延遲單元的狀態(tài)變化，通過編碼器完成內(nèi)插時間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，從而完成前后內(nèi)插時間測量。

本文使用兩片TDC-GPX芯片以及FPGA實(shí)現(xiàn)了精確的VCO頻率測量，TDC-GPX工作在R模式，雙通道時間分辨率達(dá)到27 ps，見圖1。被測信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后變?yōu)椴罘中盘?，產(chǎn)生計數(shù)事件；FPGA產(chǎn)生的預(yù)置閘門被閘門同步單元1同步后產(chǎn)生四路事件同步閘門信號。一路到FPGA作為計數(shù)閘門進(jìn)行計數(shù)；另外兩路作為TDC-GPX啟動計數(shù)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(shù)時鐘和事件閘門信號。前后內(nèi)插產(chǎn)生的同步信號分別用于TDC-GPX的計數(shù)終止信號。利用TDC-GPX1得到前內(nèi)插脈沖信號時間值，利用TDCGPX2得到后內(nèi)插脈沖信號時間值。TDC-GPX輸出28位計數(shù)數(shù)據(jù)，直接發(fā)送到FPGA內(nèi)部；最終事件計數(shù)數(shù)據(jù)、前后內(nèi)插數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存后傳遞到CPU單元，經(jīng)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(shù)結(jié)果為NA，時間計數(shù)結(jié)果為NB，前內(nèi)插計數(shù)結(jié)果為D1，后內(nèi)插計數(shù)結(jié)果為D2，采用的內(nèi)部計數(shù)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(shù)法，對前后內(nèi)插誤差時間進(jìn)行了測量，使得測量結(jié)果更加精確。

4 VCO相位噪聲測試技術(shù)設(shè)計

在信號源、頻譜儀等多種測試儀表以及系統(tǒng)設(shè)備中都使用了VCO來設(shè)計系統(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(yīng)用到雷達(dá)通信等設(shè)備的接收發(fā)射本振中，其相位噪聲還會影響到雷達(dá)的目標(biāo)識別度、分辨率，影響通信設(shè)備的誤碼率等。所以，需要對VCO產(chǎn)品的相位噪聲進(jìn)行測量，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VCO等漂移振蕩源進(jìn)行相位噪聲測試，構(gòu)建了基于數(shù)字鑒頻法的VCO相位噪聲測試方案。其硬件構(gòu)成見圖2。

圖2 數(shù)字鑒頻法VCO相位噪聲測試框圖

VCO輸出信號首先進(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。本振信號與VCO信號進(jìn)行基波下混頻，得到中頻信號fIF?；祛l后中頻信號功率較小，需要進(jìn)行低噪聲放大，放大后的中頻信號被送到后端的ADC進(jìn)行采樣。數(shù)字中頻信號被送到數(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)過數(shù)字延時后到達(dá)數(shù)字混頻器，兩者經(jīng)過數(shù)字混頻，得出頻率抖動信息，然后經(jīng)過FFT以及互相關(guān)運(yùn)算得出VCO輸出信號的相位噪聲功率譜密度。本文構(gòu)建了平衡雙通道的信號處理流程，然后在數(shù)字處理單元進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，相對于單通道來說，這樣可以在一定程度上消除系統(tǒng)噪聲，提高相位噪聲測量靈敏度。數(shù)字鑒頻技術(shù)相對于模擬鑒頻技術(shù)來說去掉了模擬延遲線，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(shí)現(xiàn)了1 Hz～40 MHz分析頻偏的高靈敏度相位噪聲測量。

5 測試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計的VCO特性測試系統(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)諧線性度測量。設(shè)置VCO特性測試系統(tǒng)為頻率功率測量，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)置駐留時間為1 s，設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)160個，然后啟動測量。測量結(jié)果見圖3。曲線顯示了VCO輸出信號頻率隨調(diào)諧電壓的變化情況。

圖3 調(diào)諧線性度測量

（2）調(diào)諧靈敏度測量。設(shè)置VCO特性測試系統(tǒng)為頻率功率測量，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)置駐留時間為1 s，設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)160個，然后啟動測量。測量結(jié)果見圖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特性測試（電壓-調(diào)諧靈敏度）

（3）相位噪聲測量。首先設(shè)置VCO特性測試系統(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。測試結(jié)果見圖5。

圖5 VCO信號相位噪聲測試

6 結(jié)語

本文采用集成化、模塊化的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了VCO器件特性的自動測試。設(shè)計了低噪聲、高分辨率、大動態(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)計了高精度頻率測量系統(tǒng)，一鍵測量VCO器件的調(diào)諧線性度以及調(diào)諧靈敏度；設(shè)計了電流回讀功能，實(shí)時監(jiān)測VCO器件功耗；采用數(shù)字鑒頻方式測量VCO輸出信號相位噪聲。最后，使用該系統(tǒng)實(shí)際測量了一款VCO，驗(yàn)證了VCO器件特性測試系統(tǒng)的實(shí)用性。