本发明涉及一种微系统，特别是一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统。
背景技术：
现有的频率源系统，由于受参考频率、环路带宽、多个子频带间的切换等限制，通常频率切换时间都在5us以上。而针对快速频率切换的系统应用，通常频率切换时间可能低至1us以下，针对这一需求，通常的解决方案是采用多个锁相环环路，在各环路之间进行频率选取。这一解决方案由于切换时间主要决定于开关速度，因而可以实现数百ns级别的频率切换时间，但是其缺点也非常明显：一是大大增加了系统设计的复杂度；二是需要提前知道频率切换的频点和顺序，在系统进入下一个工作频点前将某个锁相环的工作频率提前锁定在该频率，这会极大限制此类快跳源的应用场合；三是因同时有至少两个不同锁定频率的锁相环环路在工作，系统内存在一定的干扰信号，增加了系统设计难度。在锁定时间的减小方面，有一种快速锁定的方案，可以将该时间减小到1us量级，其采用芯片内非易失性存储器(nvm)对某种混合压控振荡器的振荡频率进行存储，该混合压控振荡器实际上是在压控振荡器前增加了预置模块，通过数字控制实现严控振荡器控制电压的预置。然而，该方案也存在一定的缺点：一是非易失性存储器所采用的器件并非标准工艺库中提供的器件；二是该非易失性存储器占据非常大的芯片面积，如果数据存储量大，将会极大增加芯片设计难度；三是该非易失性存储器在数据写入时采用的工作电压通常高于cmos的工作电压，使得数据写入方式非常复杂，不易于实际应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统，解决传统锁相环频率源系统切换时间长，快速频率切换的快跳频率源系统复杂、应用场合有限、设计难度大，而基于nvm的频率预置锁相环数据写入方式复杂、不易于实际应用的问题。
一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统，包括：flash芯片，还包括：内置vco的集成锁相环频率合成器芯片，该芯片内部集成倍频/分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、求和电路、宽带压控振荡器、数模转换器、多模分频器、数字处理器。倍频/分频器接收来自系统外的晶振/信号源信号ref_in输入，并受来自数字处理器的倍频/分频比控制信号控制，其输出端与鉴频鉴相器的一个输入端连接。鉴频鉴相器的另一个输入端与多模分频器的输出端连接，鉴频鉴相器的输出端与电荷泵的输入端连接。电荷泵受来自数字处理器的充/放电电流控制信号控制，电荷泵的输出端与环路滤波器连接。环路滤波器受来自数字处理器的参数配置信号控制，环路滤波器的输出端与求和电路的一个输入端连接。求和电路的另一个输入端与数模转换器的输出端连接，求和电路的输出端与压控振荡器的输入端连接。压控振荡器受来自数字处理器的vco频率控制信号控制，压控振荡器的输出端与多模分频器的输入端、输出缓冲器的输入端、计数器的输入端连接。数模转换器的输入端与数字处理器连接，受数模转换输出控制信号的控制。多模分频器的输出端与数字处理器的一个输入端连接。数字处理器的输入端接收来自系统外的伴随时钟信号sclk、片选信号ss、数据发送信号txd、复位信号rst_n四个数字信号，其另一个输入端还与计数器的输出端连接，同时其data端口与flash进行双向连接，其输出端与计数器连接，同时其read、write、address三个输出端口与flash连接。
flash芯片受内置vco的集成锁相环频率合成器芯片的控制，以异步并行方式存储或输出数据给集成锁相环芯片；内置vco的集成锁相环频率合成器芯片受来自系统外的数字信号sclk、ss、data、rst_n的控制，对晶振信号或信号源信号ref_in进行倍频后产生高性能频率源信号fout；倍频/分频器，用于对片外晶振信号或信号源信号ref_in进行倍频或分频处理；鉴频鉴相器，用于对来自倍频/分频器的输出信号和来自多模分频器的输出信号进行频率和相位的比较，以控制电荷泵的充电和放电过程；电荷泵，用于对环路滤波器进行充、放电；环路滤波器，将电荷泵的充、放电电流转换为控制电压va；求和电路，对来自环路滤波器的输出控制电压va和数模转换器的输出电压vd进行求和，产生最终的压控振荡器控制电压vc；宽带压控振荡器，受频率控制字和控制电压vc控制，产生连续可调的宽带射频频率输出；数模转换器，将来自数字处理器的数模信号转换为模拟电压信号vd，并与va进行求和；多模分频器，对压控振荡器的输出信号进行分频，反馈到鉴频鉴相器的输入端；数字处理器，内含spi模块、sigma-delta调制器模块、查表算法模块、flash控制模块；spi模块接收来自系统外的数字输入，产生内部的控制信号，包括对倍频/分频器、电荷泵、环路滤波器、宽带压控振荡器、数模转换器、多模分频器的控制信号；sigma-delta调制器模块用于实现小数分频；查表算法模块用于查找目标频率控制字；flash控制模块用于对flash芯片的数据写入和读出。输出缓冲器，对锁相环输出信号进行缓冲放大，并输出到片外，其输出功率通过数字处理器进行配置。计数器对来自压控振荡器的信号在设定时间内进行频率计数，以获取当前压控振荡器振荡频率大小。
基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统应用方法，有以下三种工作模式：
校正模式：
求和电路断开va端口的输入，只接收来自vd端口的输入，此时压控振荡器的控制电压vc大小与vd相等。数字处理器对vco频率控制字p和数模转换输出控制字d进行二维扫描，从而针对每一条压控振荡器的子频带，都获得26＝64个频点，总计获得28×64＝16384个频率点，这些频率点所对应的频率大小通过计数器计数获得。这些频率点的频率大小连同所对应的vco频率控制字p和数模转换输出控制字d，在数字处理器的write信号有效时，将被写入到flash中。写入过程中，地址address由vco频率控制字p和数模转换输出控制字d组成，data则对应于频率大小。
准备模式：
系统上电时首先进入准备模式。数字处理器read信号有效，其内部寄存器将flash中存储的所有频率大小及所对应的vco频率控制字p和数模转换输出控制字d依次读取到数字处理器内部的存储器中。
快速频率切换工作模式：
准备模式之后，系统进入快速频率切换工作模式。求和电路同时接收来自va端口和vd端口的输入，此时压控振荡器的控制电压vc为va与vd的和。计数器关闭。数字处理器read和write均无效。数字处理器接收来自系统外的sclk、ss、txd、rst_n四个数字信号，并通过内部的spi模块获得各个片内电路控制字的值，包括倍频/分频比a、多模分频器分频比控制字m、充/放电电流控制字c、环路滤波器参数配置k、输出功率控制字e，并通过内部的查表算法模块，计算出所要切换频率的vco频率控制字p、数模转换输出控制字d。因vco频率控制字p为8位，数模转换输出控制字d为6位，通过对ref_in、a、m的运算得到所要切换的频率大小后，查表算法将在最多14个时钟周期内找到能够获得与其最接近频率的一组p和d值。数字处理器将得到的p和d值直接配置到相应的模块，vco的振荡频率将接近目标频率。而后环路快速调整后形成锁定。
更优的，在快速频率切换工作模式中，环路快速调整后形成锁定，这一调整过程的持续过程将被控制在800ns以内。
更优的，在快速频率切换工作模式中，整个频率切换过程将被控制在1us以内。
本发明系统简易，集成度高，基于集成锁相环芯片和flash芯片实现了宽带频率源的工作频率快速切换。相比传统设计方式，利用sip方式，即systeminpackage，将集成锁相环芯片和flash芯片进行集成封装，在单片内实现了与快跳源相同的快速频率切换功能，系统复杂度、工作方式均得到了简化，体积将大大减小。因宽带锁相环片内采用了多个可配置模块，形成了灵活的架构方式，工作频点、环路带宽等都易于配置；此外，因flash芯片的数据写入和读出均采用并行方式，压控振荡器将在极短时间内被配置到工作频率附近，而环路也将在极短时间内实现锁定。
附图说明
图1一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统组成框图。
1.flash芯片2.内置vco的集成锁相环频率合成器芯片3.倍频/分频器4.鉴频鉴相器5.电荷泵6.环路滤波器7.求和电路8.宽带压控振荡器9.数模转换器10.多模分频器11.数字处理器12.输出缓冲器13.计数器
具体实施方式1
一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统组成框图，包括：内置vco的集成锁相环频率合成器芯片2，由倍频/分频器3、鉴频鉴相器4、电荷泵5、环路滤波器6、求和电路7、宽带压控振荡器8、数模转换器9、多模分频器10、数字处理器11、输出缓冲器12、计数器13组成，还包括：flash芯片1。内置vco的集成锁相环频率合成器芯片2与flash芯片1利用sip进行封装集成。
倍频/分频器3接收来自系统外的晶振/信号源信号ref_in输入，并受来自数字处理器11的倍频/分频比控制信号控制，其输出端与鉴频鉴相器4连接。鉴频鉴相器4输入端与倍频/分频器3、多模分频器10的输出端连接，输出端与电荷泵5的输入端连接。电荷泵5的输入端与鉴频鉴相器4的输出端连接，并受来自数字处理器11的充/放电电流控制信号控制，输出端与环路滤波器6连接。环路滤波器6的输入端与电荷泵5连接，并受来自数字处理器11的参数配置信号控制，输出端与求和电路7连接。求和电路7的输入端与环路滤波器6、数模转换器7的输出端连接，输出端与压控振荡器8的输入端连接。压控振荡器8的输入端与求和电路7的输出端连接，并受来自数字处理器11的vco频率控制信号控制，输出端与多模分频器10的输入端、输出缓冲器12的输入端、计数器13的输入端连接。数模转换器9的输入端与数字处理器连接，受数模转换输出控制信号的控制，输出端与求和电路7的输入端连接。多模分频器10的输入端与压控振荡器8的输出端连接，输出端与鉴频鉴相器4的输入端、数字处理器11的输入端连接。数字处理器11的输入端接收来自系统外的sclk、ss、txd、rst_n等四个数字信号，其输入端还与多模分频器10的输出端、计数器13的输出端连接，同时其data端口与flash1进行双向连接，其输出端与计数器13连接，同时其read、write、address等三个输出端口与flash连接。
具体实施方式2
一种基于集成锁相环芯片的快速频率切换微系统应用方法，有以下三种工作模式：
(1)校正模式
求和电路7断开va端口的输入，只接收来自vd端口的输入，此时压控振荡器的控制电压vc大小与vd相等。数字处理器11对vco频率控制字p和数模转换输出控制字d进行二维扫描，从而针对每一条压控振荡器的子频带，都获得26＝64个频点，总计获得28×64＝16384个频率点，这些频率点所对应的频率大小通过计数器13计数获得。这些频率点的频率大小连同所对应的vco频率控制字p和数模转换输出控制字d，在数字处理器11的write信号有效时，将被写入到flash中。写入过程中，地址address由vco频率控制字p和数模转换输出控制字d组成，data则对应于频率大小。
(2)准备模式
系统上电时首先进入准备模式。数字处理器11read信号有效，其内部寄存器将flash1中存储的所有频率大小及所对应的vco频率控制字p和数模转换输出控制字d依次读取到数字处理器11内部的存储器中。
(3)快速频率切换工作模式
准备模式之后，系统进入快速频率切换工作模式。求和电路7同时接收来自va端口和vd端口的输入，此时压控振荡器的控制电压vc为va与vd的和。计数器13关闭。数字处理器11read和write均无效。数字处理器11接收来自系统外的sclk、ss、txd、rst_n等四个数字信号，并通过内部的spi模块获得各个片内电路控制字的值，包括倍频/分频比a、多模分频器分频比控制字m、充/放电电流控制字c、环路滤波器参数配置k、输出功率控制字e等，并通过内部的查表算法模块，计算出所要切换频率的vco频率控制字p、数模转换输出控制字d。因vco频率控制字p为8位，数模转换输出控制字d为6位，通过对ref_in、a、m的运算得到所要切换的频率大小后，查表算法将在最多14个时钟周期内找到能够获得与其最接近频率的一组p和d值。如时钟频率采用100mhz，则这一查表过程所需时间在200ns以内。数字处理器11将得到的p和d值直接配置到相应的模块，vco的振荡频率将非常接近目标频率。而后环路经过极短时间调整后形成锁定。整个频率切换过程将被控制在1us以内。