专利名称：低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无线电通信领域中的低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置，特别适用于卫星通信信号的载波提取、跟踪解调等作低信噪比下超外差式锁相环装置。
目前无线电工程中用于低信噪比下超外差式锁相环的辅助入锁电路主要是线性扫描法，以及线性扫描加变带宽法，其实质都是线性扫描法，都要受到最大扫描速度公式R的限制，R=12ωπ2[1-2ρL-12]]]>式(1)中R为锁相环的最大扫描速度ωn为锁相环的无阻尼振荡频率ρL为锁相环的环路信噪比由式(1)可知，扫描速度不能太快，否则环路不能入锁。尤其是输入信噪比很低时，线性扫描法扫描速度慢，入锁时间长，在一些无线电工程中对入锁时间要求比较严格的情况下，如卫星通信船载及车载站等，迫切需要一种能快速扫描入锁的辅助电路，满足工程中通信的要求。
本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种能变速扫描，其变速比可达几百倍甚至无穷大的低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置，本实用新型还具有电路简单易调试生产，集成化程度高，体积小，结构简易，对环境适应能力强，成本低廉等特点。
本实用新型的目的是这样实现的它由混频器1、主中放2、环路鉴相器3、本地振荡及90°功分器4、低通滤波放大器5、压控振荡器6、正交鉴相器7、低通滤放放大器8、锁定检测器9、电子开关10、可控非线性电阻器11、相加器12、可调固定电压产生器13、缓冲器14、低频振荡比较器15和电源16组成，其中混频器1的1脚与外接信号输入端口A连接、输出端2脚与主中放2的第1脚连接，混频器1的另一个输入端3脚与压控振荡器6的输出端2脚连接；主中放2的输出端2脚与环路鉴相器3的入端1脚连接，主中放2的输出端3脚与正交鉴相器7的入端2脚连接、其4脚环路信号输出端与外接端口B连接；本地振荡器4的0°输出1脚与环路鉴相器3的入端2脚连接，本地振荡器4的90°输出2脚与正交鉴相器7的入端1脚连接；环路鉴相器3的出端3脚与低通滤波放大器5的入端1脚连接；低通滤波放大器5的出端2脚与压控振荡器6的入端1脚连接；低通滤波放大器5出端3脚与低频振荡比较器15的入端1脚连接；低频振荡比较器15的出端2脚与缓冲器14的入端1脚连接；缓冲器14的出端2脚与可控非线性电阻器11的入端1脚连接；可控非线性电阻器11的出端2脚与电子开关10的入端1脚连接；电子开关10的出端3脚与低通滤波放大器5的入端4脚相连；正交鉴相器7的出端3脚与低通滤波放大器8的入端1脚连接；低通滤波放大器8的出端2脚与相加器12的入端3脚相连，低通滤波放大器8的出端3脚与锁定检测器9的入端1脚连接；锁定检测器9的出端2脚与电子开关10的控制输入端2脚连接；相加器12的入端1脚与可调固定电压产生器13的出端1脚连接；相加器12的出端2脚与可控非线性电阻器11的入端3连接，电源16出端+V、-V电压端与各级相应电源入端连接。
本实用新型的目的还可以通过以下措施达到本实用新型可控非线性电阻器11由场效应管20和电阻R2、R3组成；相加器12由电阻R4、R5、R6、R7和运算放大器18组成；可调固定电压产生器13由电位器RP和电压跟随器19组成；缓冲器14由电阻R1和电压跟随器17组成，其中低频振荡比较器15的出端2脚与电阻R1的一端及电压跟随器17入端10脚并接，电阻R1的另一端接地端，电压跟随器17的输出端8脚与其反相输入端9脚及场效应管20的栅极G脚并连；场效应管20的漏极D脚串接电阻R3后与电子开关10的输入端1脚连接；场效应管20的源极S脚一路串接电阻R2后接地端、另一路与运算放大器18的输出端1脚及电阻R4的一端并接，电阻R4另一端与电阻R5、R6及运算放大器18入端2脚并接，运算放大器18入端3脚串接电阻R7后接地端；电位器RP的一端接电源16固定电压+V端、另一端接地端，电位器RP的中心抽头与电压跟随器19的同相输入端5脚连接，电压跟随器19的输出端7脚与其反相输入端6脚连接，电压跟随器19输出端7脚与电阻R5的另一端并接；低通滤波放大器8的出端2脚与电阻R6的另一端连接、出端3脚串接锁定检测器9后与电子开关10入端2脚连接；运算放大器18的出端4脚与电源16出端电压+V端连接、出端11脚与电源16出端电压-V端连接。
本实用新型与背景技术相比有如下优点1．本实用新型中采用了可控非线性电阻器11、相加器12、可调固定电压产生器13及缓冲器14后能实现变速扫描，在距离锁定频率点较远时快速扫描以节省时间，在距离锁定频率点较近时慢速扫描，变速比可达几百倍甚至无穷大，因而使扫描速度能提高10至50倍，使入锁时间加快7至50倍。
2．本实用新型所用元器件集成化程度高，对元器件无特殊要求，并且体积小，对环境适应能力强，在工程上有广泛的实用价值。
3．本实用新型结构简易，电路简单易调整，成本低廉，具有推广应用价值。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
图1是本实用新型的电原理方框图。
图2是本实用新型可控非线性电阻器11、相加器12、可调固定电压产生器13、缓冲器14的电原理图。
参照图1、图2，本实用新型由混频器1、主中放2、环路鉴相器3、本地振荡及90°功分器4、低通滤波放大器5、压控振荡器6、正交鉴相器7、低通滤波放大器8、锁定检测器9、电子开关10、可控非线性电阻器11、相加器12、可调固定电压产生器13、缓冲器14、低频振荡比较器15和电源16组成。其中由混频器1、主中放2、环路鉴相器3、本地振荡及90°功分器4、低通滤波放大器5、压控振荡器6构成超外差式锁相环。由低通滤波放大器5、正交鉴相器7、低通滤波放大器8、锁定检测器9、低频振荡比较器15、缓冲器14、可控非线性电阻器11、电子开关10、相加器12、可调固定电压产生器13构成辅助快速非线性扫描入锁电路。因此低通滤波放大器5既是超外差式锁相环路的一部分，又是辅助快速非线性扫描入锁电路的一部分，而低频振荡比较器15的作用是对低通滤波放大器5输出的电压进行比较，实质为迟滞电压比较器。实施例本实用新型超外差式锁相环中的混频器1、主中放2、环路鉴相器3、本地振荡及90°功分器4、低通滤波放大器5、压控振荡器6各部件作用原理采用1989年西安电子科技大学编写出版的《锁相技术》一书中相关的通用锁相环的作用原理，各部件电路均采用通用的相应电路自制制作成锁相环。本实用新型由正交鉴相器7、低通滤波放大器8、锁定检测器9构成锁定检测电路，用来判断超外差锁相环是否入锁，若入锁就控制电子开关10断开辅助快速非线性扫描入锁电路，否则就使电子开关10导通，扫描电路继续工作进行扫描直至入锁。实施例本实用新型锁定检测电路中正交鉴相器7、低通滤波放大器8、锁定检测器9,以及低频振荡比较器15各部件作用原理同样采用1989年西安电子科技大学编写出版的《锁相技术》一书中相关的通用电路作用原理，各部件电路均采用相应的通用电路自制制作。图1是本实用新型电原理方框图，实施例超外差式锁相环、辅助快速非线性扫描入锁电路、锁定检测电路按图1方框原理图连接线路，组装本实用新型。
本实用新型可控非线性电阻器11由场效应管20和电阻R2、R3组成；相加器12由电阻R4、R5、R6、R7和运算放大器18组成；可调固定电压产生器13由电位器RP和电压跟随器19组成；缓冲器14由电阻R1和电压跟随器17组成。本实用新型由电阻R1和电压跟随器17构成的缓冲器14其作用是对低频振荡比较器15的输出信号实施隔离；由场效应管20和电阻R2、R3构成的可控非线性电阻器11其作用分两个方面一是在扫描时当缓冲器14中电压跟随器17的输出为正电压时，场效应管20的栅极G脚和漏极D脚导通相当于一只二极管，从而提供扫描时一个陡峭的下降沿，下降沿的陡峭程序由电阻R3决定，二是当缓冲器14中电压跟随器17的输出为负电压时，场效应管20作场效应管应用，其导通电流受控于源极S脚和栅极G脚之间电压VGS。电阻R3的作用是调整锯齿波扫描陡峭沿的陡峭程度并使低频振荡稳定，由电位器RP和电压跟随器19构成的可调固定电压产生器13其作用是通过调整电位器RP使电压跟随器19得到连续可变的固定电压。由电阻R5、R6、R7、R4和运算放大器18构成的相加器12，其作用是把正交鉴相器7的输出通过低通滤波放大器8滤波放大后与可调固定电压相加。实施例运算放大器18、电压跟随器17、19采用市售的一块TL074型运放集成块制作。电阻R1至R7均采用市售的贴片电阻制作。场效应管20采用市售的3DJ57G型结场型场效应管制作。电位器RP采用市售3296型小型多圈电位器制作。电源16采用通用直流稳压电源线路自制而成，其输出电压为+15V和-15V二种工作电压。
本实用新型的工作原理如下当混频器1的入端口A无输入信号或输入信号频率不在环路入锁范围内时，正交鉴相器7输出固定电平，相加器12中运算放大器18输出固定电平，即场效应管20的源极S脚电平固定，其源极S脚电平VS为一定值；由于环路失锁电子开关10导通，低频振荡比较器15输出一电压假定为V+，缓冲器14的输出也为V+，由于栅极G脚电压VG＞漏极D脚电压VD,VG＞源极S脚电压VS，场效应管20相当于一只二极管导通，通过电阻R3对低通滤波放大器5快速充电，则低通滤波放大器5的输出急剧下降，下降时间由电阻R3决定，当低通滤波放大器5被充电到某一电平时低频振荡比较器15翻转，低频振荡比较器15输出电平为V-，则电压跟随器17输出电平也为V-，由于V-＜Vs所以场效应管20此时作为一只真正的场效应管应用。由于VS＜VD，所以通过场效应管20对低通滤波放大器5进行放电，放电电流IDS由场效应管20的G脚及S脚之间电压VGS决定，主要受控于VGS。当低通滤波放大器5的输出大到某一电平时使低频振荡比较器15翻转，其输出电平为V+，从而重复前面的过程由低通滤波放大器5、电子开关10、场效应管20、电压跟随器17、运算放大器18、低频振荡比较器15形成上升沿缓慢而下降沿很陡峭的锯齿波扫描电路。此时调整电位器RP，则电压跟随器19的输出电压随之改变，电压跟随器19的输出电平VS也随之改变，则锯齿波的上升沿上升时间也随场效应管20源极S脚与栅极G脚之间电压VGS改变而改变，VGS越大上升沿上升时间越长，VGS越小上升沿上升时间越短，从而达到变速扫描，变速比由调整电位器RP可以调整锯齿沿周期，使其变速比达几百倍甚至无穷大。
第二种情况是当混频器1输入信号频率在锁相环入锁范围内时，根据前面原理概述可知，当场效应管20作为一只二极管应用时，下降沿极陡，不能入锁，只起快速复位作用，所以考虑场效应管20作真正场效应管用时情况。当压控振荡器6输出频率距离入锁定点频率较远时，混频器1输出信号被主中放2中的滤波器滤除，环路鉴相器3、正交鉴相器7两个鉴相器无控制输出。此时由低通滤波放大器5、电子开关10、电压跟随器17、运算放大器18、场效应管20、低频振荡比较器15构成的扫描电路形成快速扫描。当压控振荡器6的输出频率距离入锁频率点较近时，混频器1输出的差拍频率可以通过主中放2中的低通滤波器，且压控振荡器6频率离入锁点频率越近，混频器1输出的差拍频率就越低，通过主中放2的差拍频率幅度越高。如此正交鉴相器7产生的差拍信号电压将通过相加器12加到场效应管20源极S脚，则此时源极S脚电压VS值随差拍信号电平大小而变，所以场效应管20的VGS电压与VDS电压也随差拍幅度大小而变，从而改变辅助快速非线性扫描入锁电路扫描上升沿的扫描速率。因此，当离入锁点稍远时，正交鉴相器7产生的差拍幅度小，对扫描速度影响小，当离入锁点越近，正交鉴相器7产生的差拍幅度越大，对扫描速率控制作用越明显，从而实现本实用新型变速扫描。由于正交鉴相器7输出的差拍电平有正电平或负电平，在差拍为正电平时，扫描速率相对变慢，差拍为负电平时，扫描速度相对变快，变快、变慢的程度受控于差拍幅度大小，实现受控于正交鉴相器7的扫描。当压控振荡器6频率与入锁点很近时，差拍电平很大，场效应管20的VDS电压在差拍为正电平时接近于OV电压，VGS电压为负值，使场效应管20接近截止，只要进入本实用新型超外差式锁相环快捕带，超外差式锁相环会立即入锁。实际工作中，正交鉴相器7一个稍大的差拍信号的正半部分就足以使环路入锁。环路入锁后，正交鉴相器7输出的直流电压可使辅助快速非线性扫描电路扫描完全停止，由于锁定检测器9前级低通滤波放大器8窄带低通的延时，使锁定检测器9在锁定之后稍延迟几十毫秒才动作，输出锁定电压输入电子开关10，锁定电压控制电子开关10断开辅助快速非线性扫描电路。因此，本实用新型从原理上讲是在原有锁相环及辅助扫描环上再加一个受控于正交鉴相器7的环，从而实现三环控制，极大提高锁定环路的扫描速度与入锁时间。
本实用新型安装结构如下把图1、图2中的混频器1、主中放2、环路鉴相器3、本地振荡及90°功分器4、低通滤波放大器5、压控振荡器6、正交鉴相器7的各部件安装在一块长×宽为150×60毫米印制板上，然后把印制板安装在一个长×宽×高为155×65×15毫米的屏蔽盒内。再把图1、图2中的其它各部件安装在一块长×宽为175×75毫米的印制板上。然后把屏蔽盒和印制板安装在一个长×宽×高为200×140×30毫米的机箱内，按图1、图2连接线路，在机箱的前面板上安装输入、输出信号端口A、B的电缆插座，在机箱的后面板上安装电源输入插座，组装成本实用新型。
权利要求1．一种由混频器(1)、主中放(2)、环路鉴相器(3)、本地振荡及90°功分器(4)、低通滤波放大器(5)、压控振荡器(6)、正交鉴相器(7)、低通滤波放大器(8)、锁定检测器(9)、电子开关(10)、低频振荡比较器(15)、电源(16)组成的低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置，其特征在于还有可控非线性电阻器(11)、相加器(12)、可调固定电压产生器(13)和缓冲器(14)组成，其中混频器(1)的1脚与外接信号输入端口A连接、输出端2脚与主中放(2)的第1脚连接，混频器(1)的另一个输入端3脚与压控振荡器(6)的输出端2脚连接；主中放(2)的输出端2脚与环路鉴相器(3)的入端1脚连接，主中放(2)的输出端3脚与正交鉴相器(7)的入端2脚连接、其4脚环路信号输出端与外接端口B连接；本地振荡器(4)的0°输出1脚与环路鉴相器(3)的入端2脚连接，本地振荡器(4)的90°输出2脚与正交鉴相器(7)的入端1脚连接；环路鉴相器(3)的出端3脚与低通滤波放大器(5)的入端1脚连接；低通滤波放大器(5)的出端2脚与压控振荡器(6)的入端1脚连接；低通滤波放大器(5)出端3脚与低频振荡比较器(15)的入端1脚连接；低频振荡比较器(15)的出端2脚与缓冲器(14)的入端1脚连接；缓冲器(14)的出端2脚与可控非线性电阻器(11)的入端1脚连接；可控非线性电阻器(11)的出端2脚与电子开关(10)的入端1脚连接；电子开关(10)的出端3脚与低通滤波放大器(5)的入端4脚相连；正交鉴相器(7)的出端3脚与低通滤波放大器(8)的入端1脚连接；低通滤波放大器(8)的出端2脚与相加器(12)的入端3脚相连，低通滤波放大器(8)的出端3脚与锁定检测器(9)的入端1脚连接；锁定检测器(9)的出端2脚与电子开关(10)的控制输入端2脚连接；相加器(12)的入端1脚与可调固定电压产生器(13)的出端1脚连接；相加器(12)的出端2脚与可控非线性电阻器(11)的入端3连接，电源(16)出端+V、-V电压端与各级相应电源入端连接。
2．根据权利要求1所述的低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置，其特征在于缓冲器(14)由电阻R1和电压跟随器(17)组成；可控非线性电阻器(11)由场效应管(20)和电阻R2、R3组成；可调固定电压产生器(13)由电位器RP和电压跟随器(19)组成；相加器(12)由电阻R4、R5、R6、R7和运算放大器(18)组成，其中低频振荡比较器(15)的出端2脚与电阻R1的一端及电压跟随器(17)入端10脚并接，电阻R1的另一端接地端，电压跟随器(17)的输出端8脚与其反相输入端9脚及场效应管20的栅极G脚并连；场效应管(20)的漏极D脚串接电阻R3后与电子开关(10)的输入端1脚连接；场效应管(20)的源极S脚一路串接电阻R2后接地端、另一路与运算放大器(18)的输出端1脚及电阻R4的一端并接，电阻R4另一端与电阻R5、R6及运算放大器(18)入端2脚并接，运算放大器(18)入端3脚串接电阻R7后接地端；电位器RP的一端接电源(16)固定电压+V端、另一端接地端，电位器RP的中心抽头与电压跟随器(19)的同相输入端5脚连接，电压跟随器(19)的输出端7脚与其反相输入端6脚连接，电压跟随器(19)输出端7脚与电阻R5的另一端并接；低通滤波放大器(8)的出端2脚与电阻R6的另一端连接、出端3脚串接锁定检测器(9)后与电子开关(10)入端2脚连接；运算放大器(18)的出端4脚与电源(16)出端电压+V端连接、出端11脚与电源(16)出端电压-V端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种低信噪比下锁相环的快速扫描入锁装置,它由混频器、主中放、环路及正交鉴相器、压控及本地振荡器、低通滤波放大器、锁定检测器、电子开关、相加器、缓冲器、可控非线性电阻器及可调固定电压产生器等部件组成。利用原有锁相环及辅助扫描环上再加一个受控于正交鉴相器的环,实现三环控制,从而极大提高环路的扫描速度及入锁时间。并还具有电路及结构简单,易调整生产,体积小,成本低廉等特点,具有推广应用价值。
文档编号H03L7/08GK2319959SQ9821328
公开日1999年5月19日 申请日期1998年3月23日 优先权日1998年3月23日
发明者李强, 闵洁 申请人:电子工业部第五十四研究所