专利名称：频率合成器的电池节电电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及到频率合成器和锁相回路，特别是涉及到用于自动选频控制电路的频率合成器的电池节电电路。
在便携式使用电池的无线电装置中采用频率合成器可在很大程度上增加这些无线电装置接收或发送的波道数量。而频率合成器的缺点是比普通晶控振荡电路耗电要大得多。
便携式使用电池的无线电装置最初的设计任务之一就是最大限度地延长电池充电的间隔时间或更换电池的间隔时间，也就是说要使电池具有最小的电耗。因而下文所述的本发明是一能显著地减少其电源耗电，从而延长电池寿命的频率合成器电路。
本发明最初用于无线电中继通讯系统中。无线电中继通讯系统包括许多个声频波道和至少一个控制波道。此控制波道是一双波道，即它包括一输出(基地台至遥控单元)频率和一输出(遥控单元至基地台)频率。无线电基地台用控制波道输出频率发射一连续信号。当一遥控单元(例如便携式或移动式无线电收发两用机)的操作者向另一遥控单元发出一呀号时，就在输入控制波道频率上发送一请求，用作话频声道的指定信号。如果话频声道是可用的，基地台在连续发送出的输出控制波道信号上，通过适当地调制此请求，向发出请求的遥控单元发送时特定声道的指定信号。当接收到这一指定信号时，发出请求的遥控单元转换到所述指定的话频声道。当呼叫完成时，此遥控单元转回到并继续监测输出控制波道频率，直到被基地台指示对准另一波道。
下文论及的本发明使用由基地台连续发送控制波道信号。本发明采用自动频率控制电路，只要遥控无线电单元在控制波道上接收，自动频率控制电路就把合成器频率锁定到控制波道上。当频率如此锁定时，本被明切断频率合成器中的一个或多个电路，从而降低电池的电耗。
简短地说，本发明是一电池节电电路，它包括一个具有低功率工作状态的频率合成器。此频率合成器包括一将合成器输出信号锁频到控制信号的选择锁频装置，和一将合成器输出信号锁相到一参考信号的选择锁相装置。包括一控制装置既可选用锁频装置也可选用锁相装置。当选用锁频装置时，此控制装置也使频率合成器处于低功率工作状态。
在另一实施例中，本发明是一用于通讯系统中的电池节电电路，它包括多个波道。这些波道之一是一有控制波道信号的控制波道。此电池节电电路包括一个带受控振荡器的频率合成器，和将受控振荡器锁相至参考信号的选择锁相装置。还包括一自动选频控制(AFC)装置，用以将受控振荡器锁频至控制波道信号。也包括一接收装置，用以接收所选定波道上的信号。此接收装置与AFC装置相连接。此外还包括一控制装置，当接收装置接收到控制波道信号时，用来选择AFC装置。在选定AFC装置时，此控制装置也使锁相装置的一部分被切断。这就减少了频率合成器的功耗。
图1是本发明的方框图。
图2是本发明AFC电路的一个优选实施例的示意图。
参见图1，无线电接收机102包括众所周知的一整套电路系统例如混频器106和低通滤波器108。无线电接收机102还包括其他的图中未给出的众所周知的无线电接收电路。本发明的这一优选实施例被设计用于无线电通讯系统中，例如无线电中继系统，在该系统中，图中未给出的基地台在一控制波道上连续发送一信号。
无线电接收机102也包括一众所周知的相对信号强度指示器(RSS1)110。电压比较器电路112被连接到RSS1电路110的输出端，参考电压Vref被加到比较器的一个输入端。RSS1 110通过测量信号强度给出接收信号大小的指示。尽管使信号数值与信号强度相关连是优先选用的，本发明也可以用多个电路来实现，该电路提供除信号强度外根据其他因素例如比特误差率决定的信号数值指示。
一自动频率控制(AFC)电路114包括一电压比较器116、取样与保持电路118和加法电路120。频率合成器122包括一电压控制振荡器124和多个锁相电路126。锁相电路126包括程控除法器128、鉴相器130、环路滤波器132和参考振荡器134。本发明不限于图1所示的特定的频率合成器电路，可以用任何带有频率控制振荡器，例如压控振荡器(VCO)124的频率合成器来实现。
锁相电路126包括输入端136，用以控制合成器122的功耗。在高功率状态，所有的锁相电路(128、130、132和134)都被启动。在低功率状态，有一个或多个选择锁相电路未被启动。一特定锁相电路的去激励通过切断每一个要去激励电路的电源(即一个未给出的电池)来完成。为切断电源，在电源和锁相电路电源输入端之间插入一未给出的晶体管开关，通过控制器140将适当的电压或电流加到晶体管的栅极或基极。
单刀双掷(SPDT)电子开关138有两个位置。在第一个位置，锁相电路系统126的输出端连接到频率合成器122的VCO输入端，而在第二位置，AFC电路114的输出端连接到VCO输入端。开关138是在控制器140的控制之下。虽然也可用其他公认的分立控制电路系统，但控制器140最好是公认的微计算机或微控制器。
无线电接收机102在多个波道中所选定的波道上接收信号，多个波道中有一控制波道。接收机的波道选择通过改变进入混频器104的注入信号频率来完成。这个注入信号来自频率合成器122。当开关138在第一位置(图1所示的位置)时，注入信号的频率用通常的方法来选择，例如改变除法器128的除数N。所接收的无线电信号由鉴相器106解调并经滤波器108低通滤波。这就产生了一个其电压比于所接收的载频频率的检波信号Vd。
本发明有两种工作状态，即锁锁相”状态和“锁频”状态。在锁相状态时，开关138是在第一即图中所示的位置，因此，锁相电路系统126(信号Ve)的输出端直接连接到VCO124的输入端。在锁相状态，开关142是常闭的。由于全部锁相电路系统126都被启动，所以此锁相状态也是高功率工作状态。当无线电接收机102在非控制波道上接收时，锁相状态由控制器140选择，或者，在控制波道上接收，当控制波道信号数值于予定的门限电平时，此门限电平由Vref确定。
在锁频状态，开关138处于第二位置，因而AFC电路114(信号VΣ)的输出端直接连接到VCO124的输入端。在锁频状态，AFC电路114的开关142开路，通过切断锁相电路(128、130、132和134)中的一个或多个，低功率状态被选定。当无线电接收机102接收到一适当大小的控制波道信号时，锁频状态由控制器140选定。
在锁相状态(即开关138处于第一位置时)，频率合成器122以常规锁相方法运行。特别是VCO124的输出信号被程控除法器128相除，除数N由控制器140确定。鉴相器130使除法器128的输出信号相位与参考振荡器134的输出信号相位进行比较。鉴相器130的输出信号由环路滤波器132滤波。环路滤波器132的输出是误差信号Ve，当开关138处于第一位置时，此输出与VCO124的输入端相耦合。由于VCO124的输出信号耦合到无线电接收机102的混频器104，VCO的输出信号频率决定无线电接收机的接收频率。
误差电压Ve也被耦合到比较器116的第一输入端。在锁相状态，开关138在第一位置，比较器116的输出被取样和保持电路连续(或周期地)取样。典型的取样和保持电路包括一单刀单掷(SPST)开关142，此开关带有一连接到开关输出端的电容器144，如图一所示。因此，当取样和保持电路连续取样时，取样和保持电路142一直是闭合的，比较器116的输出直接馈送到加法电路120的输入端。取样和保持开关142闭合时，AFC电路114工作成“闭合环路”。如果我们假定比较器116有无限大的增益和零偏离电压，则AFC电路114的输出电压VΣ必然和锁相电路系统126的误差电压Ve相等。如果不是这样，则比较器116的输出电压在理论上应是无限大(而实际上，输出电压将会在电源电压轨道上)。取样和保持电容器144两端的电压将是比滤波过的Ve略大的鉴相器输出电压Vd。
当控制器140将无线电接收机102转换到控制波道(通过改变频率合成器122的输出频率，从而也改变了混频器104的注入频率)时，误差电压Ve改变。经过短暂的时间周期使误差电压Ve和AFC输出电压VΣ趋于稳定后，控制器140指令取样和保持电路118来保持目前在比较器116输出端上的电压。对图1所示的取样和保持电路来说，这通过打开取样和保持开关142来完成。在断开开关142之前在输入端加到取样和保持电路118的电压Ve将由电容器144维持。(图1所示的取样和保持电路，假定加法电路120的输入阻抗是非常大的，因而在保持周期内，所充的极少的电量电容器144泄放掉了。)然后，控制器指令开关138转换到第二位置，从而使VCO124的输入端连接到AFC电路114的输出端。现在，此电路处于锁频状态。转换到AFC电路后，电压VΣ即基本上与误差误差电压Ve相等，因此合成器122的输出频率保持不变。控制器接着指令频率合成器进入低功耗状态。在低功耗状态，一个或多个锁相电路，例如除法器128、鉴相器130或者参考振荡器134被切断，因而节省电源(即电池充电)。
VCO124的输出信号频率或者所接收的控制信号的载波频率的任何微小的变化都将导致鉴相器输出电压Vd的相应变化。当取样和保持开关142断路时，AFC电路的输出电压VΣ是电容器144所存储的电压和鉴相器电压Vd之和。因此，鉴相器电压的任何变化都将反映在AEC输出电压VΣ中。由于VCO124的输出频率与输入电压(通常是VΣ)成正比，所以AFC电路的输出电压VΣ的任何变化都将引起VCO频率的相应变化。所以频率合成器122的输出频率是锁定在所接受到的控制波道信号的频率。
由于当开关142接通时VΣ等于Ve，去掉开关138并将AFC电路114的输出(信号VΣ)直接连接到VCO124的输入端，在理论上是可能的。然而，将AFC电路置于环路滤波器132的输出端和VCO124的输入端之间的反馈通路上将在一定程度上改变频率合成器的动态特性。如果去掉开关138，锁相到锁频状态的变换就由开关142控制。当开关142接通时是锁相状态。反之，开关142断开时是锁频状态。
相对信号强度指示器110产生一输出信号，其电压正比于接收到的信号强度。如果相对信号强度指示器(RSSI)110的输出电压超过Vref，则比较器112的输出增大。反之，如果相对信号强度指示器(RSSI)110的输出低于Vref，则比较器112的输出减少。因此，只是在接收到的信号强度超过予定的门限电平，它由Vref所确定，此比较器112的输出才是增大的。万一接收到的控制信号电压降的大小低于予定的门限电平，在比较器112输出端的信号就改变状态，并且控制器140用再激发锁相电路和使开关138转换回到第一位置来响应。同样地，控制器140在把无线电接收机102变换到非控制波道之前，再激发锁相电路和将开关132转换到第一位置。
图2是AFC电路114的优选实施例的示意图。图2中也包括了低通滤波器108和开关138的优选实施例。在此图中，放大器A1、A2和A3是CMOS运算放大器，例如Motorola MC14573集成电路。电容器C1为47微法，电容器C2和C3是1微法聚丙烯电容器。分压器P1是50KΩ，电阻R1～R分别是10KΩ、680KΩ、390KΩ、330KΩ、100KΩ和100KΩ。开关S1和S2分别是模拟转换开关，例如一Motorola MC 14053集成电路。
放大器A1、电容器C1和C2、分压器P1以及电阻器R1和R2构成一双极的直流耦合低通滤波器。此低通滤波器是图1中的滤波器108的优选实施例。放大器A2和电阻R3、R4构成图1中加法电路120的优选实施例。对此加法电路，将放大器A2的非倒相输入端的电压加到放大器A1输出端的倒相电压上。开关S1和电容器C3构成图1中的取样和保持电路118的优选实施例。当开关S1接通(即置于图1中所示的位置)时，放大器A3的输出端直接连接到放大器A2的非倒相输入端。在已说明的另一种方法中，当开关S1接通时，取样和保持电路在放大器A3的输出端上连续取样电压。当开关S1断开时，放大器A3的输出端与电容器C3断开，并且A3输出端上的电压恰在开关断开前储存于电容器C3上。由于放大器A2的输入阻抗非常高，这个电压能储存于电容器C3，在相当长的时间周期无明显下降。
放大器A3是图1中比较器116的一个实例，而开关S2是开关138的一个实例。当开关S2置于图示的位置时，一个频率合成器的锁相电路连接到一个VCO输入端，此输入端也是合成器的一部分(此频率合成器和VCO在图2中未给出)。
权利要求
1.用于频率合成器(122)的电池节电电路，有用以使合成器输出信号锁相到参考信号的锁相装置(126)，其特征是锁频装置(114)用以将合成器输出信号锁频到控制信号；和选择装置(138、140)用以当频率合成器(122)工作于低功率状态时选用锁频装置(114)，当频率合成器(122)工作于高功率状态时选用锁相装置(126)。
2.按照权利要求1所说的电池节电电路，其特征是所说的选频装置(144)包括用以在所说的锁相装置输出端取样(142)和保持(144)信号的装置。
3.按照权利要求1所说的电池节电电路，其特征是所说的锁频电路(114)包括-比较器电路(116)，其第一输入端耦合到所说的锁相装置;-取样和保持电路(118)，其输入端耦合到所说的比较器电路输出端;和-加法电路(120)，其第一输入端耦合到所说的取样和保持电路的输出端，其第二输入端耦合到所说的控制信号器，其输出端耦合到所说的比较器电路的第二输入端。
4.用于通讯系统的电池节电电路，所述通讯系统包括多个波道至少其中的一个波道是控制波道，所说的控制波道有控制波道信号，所说的电池节电电路的特征是频率合成器(122)包括一多控振荡器(124)和用以将所说的多控振荡器锁相到参考信号的锁相装置(126);用以把所说的受控振荡器锁频到所说的控制波道信号的自动频率控制(AFC)装置114;与所说的AFC装置耦合的，用以在所说的多个频道的某些被选定的频道上接收信号的接收装置(102);和控制装置(138、140)，用以当所说的接收装置接收所说的控制波道信号时，选用所说的AFC装置，当此接收装置接收其他波道时，选用所说的锁相装置。
5.按照权利要求4所说的电池节电电路，其特征是所说的接收装置(102)进一步包括信号数值显示装置(110、112)，用以测量所说的控制波道信号的数值;和所说的控制装置，当所说的接收装置接收控制波道信号而且所说的控制波道信号的数值低于予定的门限值时，包括至少使所说的锁相装置的一部分去激励(136)的装置。
6.按照权利要求4所说的电池节电电路，其特征是所说的AFC装置(114)包括用以在所说的锁相装置的输出端取样和保持(118)一信号的装置。
7.按照权利要求5所说的电池节电电路，其特征是，所说的AFC装置包括-比较器电路(116)，其第一输入端耦合到所说的锁相装置置;-取样和保持电路(118)，其输入端耦合到所说的比较器电路输出端;和-加法电路(120)，其中一输入端耦合到所说的取样和保持电路的输出端，其第二输入端耦合到所说的接收装置，而其输出端耦合到所说的比较器电路的第二输入端。
8.一种在用电池做能源的频率合成器(122)内节省电池能量的方法，其特征是包括如下步骤(a)当用电池做能源的频率合成器工作在低功率状态时，用锁频装置(114)控制受控振荡器(124);和(b)当用电池做能源的频率合成器工作在高功率状态时，用锁相装置(126)控制受控振荡器(124)。
全文摘要
一种无线电接收机(102)在多个波道中所选定的一个波道上接收，多个波道中至少有一个波道是控制波道，在其上传输一相对连续信号。一频率合成器包括电压控制振荡器(VCO124)和锁相电路(126)，例如鉴相器(130)，参考振荡器(134)，程控除法器(128)以及环路滤波器(132)。VCO能在锁相电路和自动频率控制电路(AFC114)之间转换，并与无线电接收机相连。
文档编号H04B1/16GK1042034SQ8910792
公开日1990年5月9日 申请日期1989年10月14日 优先权日1988年10月17日
发明者乔治·库奇·安德森 申请人:莫托罗拉公司