時鐘技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。計量測試系統(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)時鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換是用檢波器對外頻標(biāo)進(jìn)行檢波，用檢波出來的信號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)計的自適應(yīng)式時鐘源的內(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鐘。時鐘源采用目前應(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)式時鐘源內(nèi)外頻標(biāo)的切換原理

圖1給出的鎖相時鐘源是單片機(jī)通過串行數(shù)字接口對鎖相芯片內(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，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)切換時鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)頻率是相同的，而自適應(yīng)式時鐘源內(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，該時鐘源在整機(jī)使用中對外部頻標(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)時監(jiān)測又可以保證在內(nèi)外頻標(biāo)同時存在的情況下，及時切斷內(nèi)部晶振的電源，避免兩種不同的參考頻率，對環(huán)路帶來不必要的干擾。所以改進(jìn)后的自適應(yīng)時鐘源從產(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)切換時鐘源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2．1 自適應(yīng)式時鐘源的內(nèi)外頻標(biāo)切換軟件的設(shè)計

該時鐘源軟件的流程如圖3所示。

2．2 自適應(yīng)式時鐘源的環(huán)路濾波器的設(shè)計

環(huán)路濾波器的設(shè)計在整個時鐘源中很關(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)計必須同時考慮到各個頻標(biāo)的因素。鑒于這種情況，設(shè)計環(huán)路時，對參考頻率分別進(jìn)行1，2，4分頻，使得環(huán)路在多個頻標(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。時鐘源輸出信號的相位噪聲是所有噪聲同時作用的結(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。

參考信號的相位噪聲對輸出信號相噪的貢獻(xiàn)L1（f）（單位：dBc／Hz），可用式（1）計算：

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輸出信號相噪的貢獻(xiàn)L2（f）（單位：dBc／Hz），可用式（2）來計算：

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)對時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)式時鐘源的環(huán)路帶寬設(shè)計合理，電路布局優(yōu)化，設(shè)計方法是完全可行的。

4 結(jié) 語

新設(shè)計的內(nèi)外頻標(biāo)自適應(yīng)式時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)。目前該時鐘源已在數(shù)字基帶系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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