一种ZigBee系统双环路全自动频带调谐锁相环的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及频率合成设备领域，具体涉及一种ZigBee系统双环路全自动频带调 谐锁相环。
【背景技术】
[0002] 先前的频率合成锁相环，其频率锁定是通过单个环路实现的，该环路由鉴频鉴相 器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、预分频器和频率除法器依次连接而成；首先压控振荡 器通过自激振荡产生具有一定频率的振荡信号，该信号经过预分频器和频率除法器后，进 入鉴频鉴相器，与参考频率进行比较并产生频率差和相位差信号进入电荷泵；电荷泵根据 该频率差值和相位差值来确定摄取电流或泵出电流，并将此电流转换为电压值；电荷泵输 出电压经环路滤波器滤波后，进入压控振荡器，通过调节压控振荡器中可变电容的值，使其 振荡信号频率发生改变；实际上，整个环路是首先根据频率差将压控振荡器产生的信号频 率锁定在所需频带内，然后通过将频率除法器的输出信号频率逐渐逼近参考频率的微调方 式，将振荡频率锁定在所需频点处。
[0003] 这种传统锁相环中，压控振荡器的可变电容覆盖的频率范围非常有限，对于宽频 带应用，如ZigBee系统，完全不适用；若采用可变电容阵列进行频带选择，则电容阵列的控 制信号与频带需设定为一一对应关系，即预先设定好某数字控制值对应于某频带，当需要 该频带振荡信号时，手动输入已设定好的数字码控制字，使其振荡频率处于该频带内，然后 通过环路频率微调，最终将信号锁定在该频带内的某个振荡频率处；然而，由于工艺偏差以 及电压变化、温漂的影响，实际压控振荡器电路所产生的频率信号与预定值相差甚远，可变 电容阵列控制字与频带的一一对应关系将产生较大偏差，要锁定所需振荡频率，就需要更 多个环路周期进行频率的逼近，大大延长了锁相环频率锁定时间。，
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是提供一种ZigBee系统双环路全自动频带调谐锁相环，其可有 效解决上述问题，缩短频率锁定时间，增强频率锁定自适应性，达到锁定时间和芯片面积折 中优化的目的。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案进行实施：
[0006] 一种ZigBee系统双环路全自动频带调谐锁相环，其特征在于：包括提供参考频 率信号的外部晶体振荡器和分频器，对信号频率进行粗调节的频率粗调环路以及对信号频 率进行精调节的频率精调环路，频率精调环路和频率粗调环路共有依序顺次连接的压控振 荡器、预分频器和频率除法器，频率粗调环路还包括自动频带选择数字模块，频率精调环路 还包括依序顺次连接的鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，外部晶体振荡器的输出端分两 路分别连接分频器和自动频带选择数字模块的输入端，频率除法器的输出端分两路分别连 接鉴频鉴相器和自动频带选择数字模块的输入端，分频器的输出端连接鉴频鉴相器的输入 端，压控振荡器的输入端分别与环路滤波器和自动频带选择数字模块的输出端相连接。
[0007] 具体的方案为：自动频带选择数字模块包括第一、二数字计数分频器、数字比较 器、多路选择器，第一数字计数分频器的输入端分别连接外部晶体振荡器以及计数除法器 的输出端，第一数字计数分频器的输出端分别连接第二数字计数分频器和数字计数器，第 二数字计数分频器的输入端还与频率除法器的输出端相连接，第二数字计数分频器的输出 端与数字计数器相连接，数字比较器的输入端连接数字计数器的输出端，数字比较器的输 出端与加/减计数器输入端相连接，多路选择器的输入端分别与加/减计数器和寄存器相 连接，多路选择器的输出端与压控振荡器的输入端相连接，加/减计数器的输入信号还包 括多路选择器上周期输出的信号，数字比较器的输入信号还包括外部提供的固定数字信 号。
[0008] 上述技术方案中，在传统锁相环基础上增加一个频带调谐粗调环路，在整个频率 锁定过程中，首先通过该粗调环路，结合压控振荡器中的可变电容阵列进行频带的选取，再 使用传统环路实现该频带内所需频率的锁定，通过该方式，可以极大的降低锁相环频率锁 定时间；同时，采用全自动频率调谐方式，无需手动设置可变电容阵列的控制字数字值，增 强其频率锁定自适应性，规避由于工艺偏差以及电压变化、温漂所导致的锁定时间的大幅 度增加；另外，为了减小芯片面积，可变电容采用共用的方法，每个可变电容可覆盖30MHz 的频率范围，每30MHz包含3个ZigBee系统所需的振荡频点；通过以上改进方式，实现锁定 时间和芯片面积的折中优化。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的结构原理图；
[0010] 图2为压控振荡器的电路结构原理图；
[0011] 图3为可变电容阵列电路原理图；
[0012] 图4为压控振荡器频带分布原理图；
[0013] 图5为自动频带选择数字模块的电路原理图；
[0014] 图6为数字计数器的两路输入信号瞬态波形图。
【具体实施方式】
[0015] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说 明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明 具体请求的保护范围进行严格限定。
[0016] 本发明采取的技术方案如图1所示，一种ZigBee系统双环路全自动频带调谐锁相 环，包括提供参考频率信号的外部晶体振荡器11和分频器12,对信号频率进行粗调节的频 率粗调环路以及对信号频率进行精调节的频率精调环路，频率精调环路和频率粗调环路共 有依序顺次连接的压控振荡器16、预分频器17和频率除法器18,频率粗调环路还包括自动 频带选择数字模块19,频率精调环路还包括依序顺次连接的鉴频鉴相器13、电荷泵14和环 路滤波器15,外部晶体振荡器11的输出端分两路分别连接分频器12和自动频带选择数字 模块19的输入端，频率除法器18的输出端分两路分别连接鉴频鉴相器13和自动频带选择 数字模块19的输入端，分频器12的输出端连接鉴频鉴相器13的输入端，压控振荡器16的 输入端分别与环路滤波器15和自动频带选择数字模块19的输出端相连接。
[0017] 由图1可知，本发明中的自动频带选择环路包括I、II两个环路，I环路为频率粗 调环路，II环路为频率精调环路，XOSC为外部晶体振荡器11，用于提供16MHz的参考频率 信号fref，经过分频器12产生4MHz的参考频率信号Fref ;I环路由压控振荡器16、除2电 路、频率除法器18和自动频带选择数字模块19组成，用于完成频率的粗调节；来自晶体振 荡器的参考频率信号fref与频率除法器18输出的信号fdiv同时进入自动频带选择数字 模块19,并根据其差频信号产生4位数字控制字CS [3:0] ;4位数字控制字CS [3:0]进入压 控振荡器16,对其可变电容阵列进行调谐控制；压控振荡器16产生的频率信号fout进入 预分频器17进行频率除2运算，频率范围由4. 806GHz-4. 956GHz变为2. 403GHz-2. 478GHz ; 经过除2之后的信号进入频率除法器18,产生16MHz的fdiv信号；II环路由鉴频鉴相器 13、电荷泵14、环路滤波器15、压控振荡器16、预分频器17 (内含除2电路）和频率除法器 18组成，完成频率的微调节；由分频器12 (内含除4电路）产生的参考频率信号Fref与频 率除法器18产生的频率信号Fdiv进入鉴频鉴相器13,产生差频脉冲信号PUL后进入电荷 泵14,电荷泵14根据差频脉冲信号PUL决定摄入电流或泵出电流，并将电流值转换为电压 信号CPv ;电荷泵14产生的电压信号CPv经过环路滤波器15滤波后，产生电压控制信号 Vctrl，进入压控振荡器16,进行振荡频率微调。
[0018] 图2为中压控振荡器16电路原理图。Vin为压控振荡器16的电压输入信号，来 自于环路滤波器15的输出信号Vctrl，Voutput为压控振荡器16的输出信号，Ivco为压控 振荡器16尾电流源；电源电压VDD分两路分别与晶体管Ml和M2的源极连接，晶体管Ml和 M2构成正反馈环路，晶体管Ml的漏极连接晶体管M2的栅极，并连接电感L的一端、可变电 容阵列的一端、基本电容Cl的一端、晶体管M3的漏极和晶体管M4的栅极；晶体管M2的漏 极连接晶体管Ml的栅极，并连接电感L的另一端、可变电容阵列的另一端、基本电容C2的 一端、晶体管M3的栅极和晶体管M4的漏极；电感L与可变电容阵列并联构成压控振荡器16 的LC谐振网络，其两端分别为压控振荡器16的输出信号正负端；电容Cl和C2构成基本电 容阵列，电容Cl的一端和C2的一端短接，并连接至Vin ;晶体管M3和M4构成正反馈环路， 晶体管M3的栅极连接晶体管M4的漏极，其漏极连接晶体管M4的栅极；晶体管M3、M4的源 极短接并连接电流源Ivco的电流输入端，电流源Ivco的输出接入地。
[0019] 图3为可变电容阵列电路原理图，电容Cvl和Cv2串联连接，电容Cv3和Cv4串 联连接，电容05和06串联连接，电容07和08串联连接，串联之后的电容阵列并联连