数字集群对讲机锁相环失锁问题的研究_莫秀英.pdf

102ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$电子产品世界Design设计应用&Application测试与仿真数字集群对讲机锁相环失锁问题的研究Research on the loss of lock of PLL of digital trunked walkie talkie莫秀英1，陈 坤2，田 志2（1.广州华商职业学院智能工程学院，广州511300；2.广州海格通信集团股份有限公司，广州510000）摘 要：数字集群对讲机在使用时会概率性出现锁相环失锁问题，造成对讲机在集群模式下无法注册入网、在直通模式下无法通信、调试模式下不能进行指标测试等问题，必须重启机器才能恢复。针对这一现象，从理论上分析，造成这种干扰的可能是信号完整性问题、锁相环的环路滤波器配置问题、电源完整性问题等。针对可能的原因逐个分析和测试，得出增大电源的滤波电容、并同时增加缓启动电路和软件检测锁相环锁定状态的解决方案，从示波器测试结果分析可以看出，彻底解决了因收发切换时电压跌落造成的锁相环失锁问题，对讲机的稳定可靠性得到了明显改善。关键词：锁相环失锁；电源完整性；信号完整性；启动电路基金项目：2023年攀登计划基于智能传感器检测的智慧校园节能减排的系统研究，项目编号pdjh2023 b1117锁相环广泛应用于频率合成、时钟分配、相位解调以及时钟恢复等,是无线通信、光纤链路、射频收发机及微型计算机等必不可少的一部分,其稳定性对于确保整个电子系统的性能具有重要意义1-2。数字集群对讲机在常温环境（25）使用时,会出现锁相环失锁的现象,导致对讲机在集群模式下无法注册入网、在直通模式下无法通信、调试模式下不能进行指标测试等问题,在低温环境下（-40）测试指标时锁相环失锁出现的概率更大。本文通过造成锁相环失锁的原因分析和实验结果,得出解决锁相环失锁问题的解决方案,即增大电源的滤波电容、并同时增加缓启动电路和软件检测锁相环锁定状态。1 对讲机锁相环工作原理锁相环（PLL）电路存在于各种高频应用中,从简单的时钟净化电路到高性能无线电通信链路的本振（LO）等。锁相环是一种实现相位自动锁定的控制系统,最基本配置是将参考信号的相位与可调反馈信号的相位进行比较,当比较结果处于稳态,即输出频率和相位与鉴相器的输入频率和相位匹配时,锁相环即被 锁定3-4。锁相环通常由鉴频鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器(VCO)3 部分组成4,锁相环的组成框图如图 1 所示。鉴频鉴相器将输入参考频率 FREF和相位与反馈信号的频率和相位进行比较,根据比较结果输出泵电流 IC,经环路滤波器积分后,形成压控振荡器 VCO的调谐电压 UC 去调整 VCO 的频率和相位,使之最终收敛或锁定到相同频率及相位。图1 锁相环组成框图 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真对讲机的工作频段在 300 MHz 400 MHz 之间,采用小数分频锁相环,设计框图如图 2 所示。其工作原理为：主控芯片根据时序要求,通过 SPI 总线配置锁相环的频点信息,同时控制模拟开关、选择环路滤波器以及配置外部快锁模块,使 VCO 快速振荡至所需频点。2 造成锁相环失锁的原因分析现象 1：常温环境下,对讲机正常使用过程中,多次呼叫后,会出现呼叫失败、和被呼机器建立链接失败的现象。此现象出现概率不高,当出现该现象后,通过天线口测试故障机器的发射指标,发现无论切换至哪个频点：1）对讲机的输出频点都是 399.70 MHz 附近,如图3 所示；2）用示波器测试锁相环环路滤波器的输出电压CV,也一直保持不变,正常情况下不同频点CV值不同。据此可以判断故障机器的锁相环失锁了。现象 2：低温环境下（-40）,测试对讲机的发射和接收性能指标时：如果一开始就测试发射指标,对讲机都能正常工作,一旦切换到接收性能测试,就出现锁相环失锁；如果一开始就测试接收指标,切换到发射指标测试时,对讲机也能正常工作,但是切换回接收指标测试,就会出现锁相环失锁的现象,有 2 台样机100%出现该现象,且出现后无论切换至哪个频点,频谱仪测试的频点都是 399.70 MHz,CV 值也保持不变。根据以上现象分析,可以得出以下推论：1）出现锁相环失锁,是在对讲机由“发射”切换至“接收”状态时出现的；2）常温和低温环境下出现锁相环失锁,其原因是一致的,低温环境下由于器件特性参数恶化,出现的概率才更高；3）根据经验,可能是信号完整性、环路滤波器参数配置或电源完整性导致。4）针对可能的原因我们逐个分析、测试,从而找到问题的根本原因,并提出解决方案。2.1 信号完整性主控芯片通过 SPI 总线对锁相环 IC（鉴频鉴相器）进行配置,锁相环 IC 再根据不同的频点输出不同的 CV值。为了滤除 SPI 总线上的干扰、毛刺,我们在 SPI 总线的时钟（CLK）、数据（DATA）和片选（CS）线上串联了 22 电阻,对地并联了 33 pF 电容,因此初步认为是 SPI 总线频率高、信号完整性不佳,两者之间通信异常,导致配置失败并造成失锁。用示波器测试 SPI 总线的波形如图 4 所示。从波形分析,SPI 总线信号质量尚可,不会造成锁相环失锁。将 SPI 总线上接的电容都去掉、电阻改成 0,对讲机仍然会失锁,因此排除 SPI 总线信号完整性的原因。锁相环ICLPF T/RX外部快锁RX VCOTX VCO接收本振发射本振主控芯片SPI总线CPCV模拟开关晶振图2 对讲机锁相环原理框图图3 锁相环失锁现象104ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$电子产品世界Design设计应用&Application测试与仿真图4 SPI总线波形分析2.2 环路滤波器配置锁相环失锁后,切换频点时,VCO 输出的频率和VCO 的调谐电压 CV_T/RX 都保持不变,因此也有可能是环路滤波器的参数配置问题导致,包括环路滤波器的快锁控制电路。CV_T/RXC110uFR210C2100nFCP_OUT快锁控制C3470nFR147图5 环路滤波器电路把快锁控制电路断开、或调整环路滤波电路的 C1值,在低温环境下进行测试,锁相环依旧会失锁,因此也可以确认不是环路滤波电路的问题。2.3 电源完整性前文提到,锁相环失锁是在对讲机由“发射”切换到“接收”时出现的,根据软件控制逻辑,由“发”转“收”的过程中,软件做了以下动作：1）重新配置锁相环 IC 的频点信息；2）关闭发射链路的电源；3）打开接收链路的电源。从锁相环失锁后 SPI 总线的波形时序分析,可以确定主控芯片能正常发送配置信息。因此不排除是收发切换过程中电源的打开、关闭造成电压波动,引起锁相环失锁。接收链路的电源电路如图 6 所示。其中,电源3V3DRF 通过 MOS 开关变成 3V3_RX,给接收链路供电。同时,3V3DRF 还给锁相环芯片、中频数字化芯片等供电。用示波器测试 3V3DRF、3V3_RX 的波形,在对讲机由“发射”切换到“接收”瞬间,发现 3V3DRF 从 3.3 V 跌落到 2.7 V,再升回 3.3 V,如图 7 所示。基于这个测试结果,我们作了以下分析：1）由于 3V3DRF 也给锁相环芯片供电,规格书显示锁相环芯片能接受的最低电源电压是 2.7 V,低于 2.7 V 会造成锁相环芯片掉电复位。GNDR510kGNDV2WPM1483GND3V3DRF3V3_RXV1DTC114EEIN1GND2OUT3RLGNDPS_RX3.6VC448100nFC456100nFC44910uFC450100nFC44710uF3V3DRFN30XC6209F332MRVIN1VSS2CE3NC4VOUT5图6 接收链路电源开关 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真图7 电源3V3DRF跌落2）主控芯片只在对讲机开机时才初始化锁相环芯片,使用过程中,锁相环芯片低电复位后,主控芯片没有对其初始化配置,锁相环芯片内部寄存器进入复位后的默认状态,不受主控芯片控制。这就是为什么锁相环失锁后,对讲机的输出频点和环路滤波器的输出电压CV 都不随频点切换而变化,必须重启对讲机才可以。3）同时,低温环境下锁相环芯片性能变差,能接受的最低电压高于 2.7 V,所以低温环境下锁相环失锁出现的概率比常温时更高。3 实验结果与分析针对电压跌落造成锁相环失锁的问题,还需要找到造成电压跌落的根本原因,才能从根本上解决问题。由于接收通路上的滤波器、低噪声放大电路、混频器、中频放大电路等模块都是由 3V3_RX 供电,功耗大,尤其在上电瞬间,可能出现瞬时大电流造成电压跌落。为此我们测试了 3V3DRF 跌落瞬间,从 3V3DRF 流向3V3_RX 的电流,如图 8 所示。从测试结果分析,对讲机由“发射”切换到“接收”瞬间,接收通路 3V3_RX 处产生了高达 1.83 A 的瞬态大电流,而 3.6 V 转 3V3DRF 的 LDO(XC6209F332)最大输出电流只有 0.5 A,带载能力不足造成 3V3DRF 电压跌落至 2.78 V,最终导致了锁相环失锁。图8 电源3V3DRF电压和电流突变根据原理分析,提出了以下的解决方案。3.1 增大电源的滤波电容加大 LDO 的滤波电容,如图 9 所示,LDO 输出的最大电流只有 0.5 A,3V3DRF 的滤波电容只有 10 F,当负载电流波动较大时,LDO 和滤波电容带载能力不足,必然出现电压跌落的情况。在当前条件下已找不到输出电流更大的 LDO,可以增大滤波电容 C449 的容量,瞬间电流由 C449 提供,电容值根据式（1）估算：IC=Ut（1）已知瞬时大电流 I 是 1.83 A,时间t是 2.5 s,假设要使电压跌落幅度小于 0.1 V,那么电容 C449 不能小于 45.75 F。受器件封装、耐压等限制,C449 改用47 F。将C449改成47 F后,对讲机从“发射”切换到“接收”时,电源3V3DRF的波形变化及瞬时电流如图9所示。从测试波形分析,C449 容值增大后,3V3DRF 电压跌落情况得到了明显改善,跌落的最低值由之前的2.7 V 提升到 3.13 V,满足锁相环芯片的工作需求。但是收发切换瞬间电流没有变,依旧存在着因瞬间电流大导致电压跌落,出现锁相环失锁的可能性。3.2 增加缓启动电路减小收发切换时 3V3_RX 上电瞬间的电流,MOS管的导通内阻随 VGS 变化而变化,如图 10 所示。106ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$电子产品世界Design设计应用&Application测试与仿真图9 改电容后电压跌落情况图10 On-Resistance vs.Gate-to-Source voltage导通电阻与栅极-源极电压如图 11 所示,在 MOS 开关电路上增加 C6、R6,构成缓启动电路。当 MOS 管导通瞬间,电容 C6 通过电阻 R6 缓慢放电,使 VGS 缓慢升高,MOS 管导通内阻缓慢减小,在导通前期起到限流作用,达到减小瞬时电流的目的。缓启动时间（MOS管导通时间）可按式（2）估算：RC=（2）引入缓启动电路后,MOS管导通时间延长,相应的,MOS 管的截止时间也延长了。关闭 MOS 管时,由于电容 C6 两端电压不能突变,电源 3V3DRF 通过 R5 给 C6充电,当 VGS VGS（TH）时,MOS 管才彻底截止。充电时间可以由上述公式估算。对讲机从发射切换到接收状态时的瞬间大电流持续时间 2.5 s,缓启动时间应大于 2.5 s。由于对讲机收发切换时隙是 1 ms,因此 MOS 管的导通和截止时间不能大于 1 ms。经过计算及实际验证,R5、R6、C6 采用图 11 所示参数,MOS 管导通时间约 10 s,MOS 管关闭时间约 100 s。R510kC610nFV2WPM1483GND3V3DRFR3V3Rload10kPS-RXV1DTC114EEIN1GND2OUT3GNDR61k图11 缓启动电路增加缓启动电路 R6、C6,对讲机从“发射”切换到“接收”时,电源 3V3DRF 的波形变化及瞬时电流如图 12 所示。图12 加缓启动后电压跌落情况从图 12 波形分析,加上缓启动后,收发切换瞬间电流从 2.1 A 降低至 0.65 A,虽然瞬间电流明显减小, 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真但由于 LDO 最大输出电流不足 0.65 A,所以电压跌落至 2.72 V,锁相环仍然会出现失锁现象。要想彻底解决锁相环失锁的问题,需要双管齐下：将 C449 改成 47 F,同时加上缓启动电路。测试波形如图 13 所示。图13 改电容及加缓启动后电压跌落情况增大 C449 电容值、加上缓启动电路后,瞬间电流降低到 0.74 A,电源 3V3DRF 微跌至 3.13 V,不会造成锁相环芯片低电复位。经多次测试,无论是在常温还是低温环境下,都没有出现锁相环失锁的现象。加上主控芯片实时监测锁相环芯片锁定状态,锁相环的稳定性进一步得到保障。3.3 实时检测锁相环芯片状态主控芯片实时检测锁相环芯片状态。锁相环芯片有一个锁定检测脚,当锁相环芯片失锁时,该引脚输出低电平。当主控芯片检测到锁相环失锁后,可以重新初始化芯片,让锁相环芯片恢复正常。4 结束语本文着重从理论出发,初步分析锁相环失锁的问题,通过排除法,对可能的原因进行多次测试定位,最终得出增大电源的滤波电容,以及增加缓启动电路、软件检测锁相环锁定状态的解决方案,彻底解决了因收发切换时电压跌落造成的锁相环失锁问题,对讲机的稳定可靠性得到了明显改善。参考文献：1 閤兰花.锁相环电路的可测性设计研究D.南京:东南大学,2018.2 周文辉.一种改进型的快速锁定锁相环J.电子信息对抗技术,2020,35(3):91-94.3 杨东营,杜会文,韩翔,等.宽带锁相环的自校准及锁定检测设计实现J.电子质量,2021(8):113-116.4 周万鹏,纪君利,郭彦宏.有源电力滤波器锁相环改进设计J.电器与能效管理技术,2020(8):84-87+99.5 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