數字集群對講機鎖相環失鎖問題的研究

基金項目：2023年攀登計劃—基于智能傳感器檢測的智慧校園節能減排的系統研究，項目編號pdjh2023 b1117

鎖相環廣泛應用于頻率合成、時鐘分配、相位解調以及時鐘恢復等，是無線通信、光纖鏈路、射頻收發機及微型計算機等必不可少的一部分，其穩定性對于確保整個電子系統的性能具有重要意義^[1-2]。數字集群對講機在常溫環境（25℃）使用時，會出現鎖相環失鎖的現象，導致對講機在集群模式下無法注冊入網、在直通模式下無法通信、調試模式下不能進行指標測試等問題，在低溫環境下（-40℃）測試指標時鎖相環失鎖出現的概率更大。本文通過造成鎖相環失鎖的原因分析和實驗結果，得出解決鎖相環失鎖問題的解決方案，即增大電源的濾波電容、并同時增加緩啟動電路和軟件檢測鎖相環鎖定狀態。

1 對講機鎖相環工作原理

鎖相環（PLL）電路存在于各種高頻應用中，從簡單的時鐘凈化電路到高性能無線電通信鏈路的本振（LO）等。鎖相環是一種實現相位自動鎖定的控制系統，最基本配置是將參考信號的相位與可調反饋信號的相位進行比較，當比較結果處于穩態，即輸出頻率和相位與鑒相器的輸入頻率和相位匹配時，鎖相環即被鎖定^[3-4]。

鎖相環通常由鑒頻鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器(VCO) 3 部分組成^[4]，鎖相環的組成框圖如圖1 所示。鑒頻鑒相器將輸入參考頻率FR_EF和相位與反饋信號的頻率和相位進行比較，根據比較結果輸出泵電流IC，經環路濾波器積分后，形成壓控振蕩器V_CO的調諧電壓UC去調整V_CO的頻率和相位，使之最終收斂或鎖定到相同頻率及相位。

圖1 鎖相環組成框圖

對講機的工作頻段在300 MHz ～ 400 MHz 之間，采用小數分頻鎖相環，設計框圖如圖2 所示。其工作原理為：主控芯片根據時序要求，通過SPI 總線配置鎖相環的頻點信息，同時控制模擬開關、選擇環路濾波器以及配置外部快鎖模塊，使VCO 快速振蕩至所需頻點。

圖2 對講機鎖相環原理框圖

2 造成鎖相環失鎖的原因分析

現象1：常溫環境下，對講機正常使用過程中，多次呼叫后，會出現呼叫失敗、和被呼機器建立鏈接失敗的現象。此現象出現概率不高，當出現該現象后，通過天線口測試故障機器的發射指標，發現無論切換至哪個頻點：

1）對講機的輸出頻點都是399.70 MHz 附近，如圖3所示；

圖3 鎖相環失鎖現象

2）用示波器測試鎖相環環路濾波器的輸出電壓CV，也一直保持不變，正常情況下不同頻點CV 值不同。據此可以判斷故障機器的鎖相環失鎖了。

現象2：低溫環境下（-40℃），測試對講機的發射和接收性能指標時：如果一開始就測試發射指標，對講機都能正常工作，一旦切換到接收性能測試，就出現鎖相環失鎖；如果一開始就測試接收指標，切換到發射指標測試時，對講機也能正常工作，但是切換回接收指標測試，就會出現鎖相環失鎖的現象，有2臺樣機100% 出現該現象，且出現后無論切換至哪個頻點，頻譜儀測試的頻點都是399.70 MHz，CV 值也保持不變。根據以上現象分析，可以得出以下推論：

1）出現鎖相環失鎖，是在對講機由“發射”切換至“接收”狀態時出現的；

2）常溫和低溫環境下出現鎖相環失鎖，其原因是一致的，低溫環境下由于器件特性參數惡化，出現的概率才更高；

3）根據經驗，可能是信號完整性、環路濾波器參數配置或電源完整性導致。

4）針對可能的原因我們逐個分析、測試，從而找到問題的根本原因，并提出解決方案。

2.1 信號完整性

主控芯片通過SPI 總線對鎖相環IC（鑒頻鑒相器）進行配置，鎖相環IC 再根據不同的頻點輸出不同的CV值。為了濾除SPI 總線上的干擾、毛刺，我們在SPI 總線的時鐘（CLK）、數據（DATA）和片選（CS）線上串聯了22 Ω 電阻，對地并聯了33 pF 電容，因此初步認為是SPI 總線頻率高、信號完整性不佳，兩者之間通信異常，導致配置失敗并造成失鎖。

用示波器測試SPI 總線的波形如圖4 所示。從波形分析，SPI 總線信號質量尚可，不會造成鎖相環失鎖。將SPI 總線上接的電容都去掉、電阻改成0 Ω，對講機仍然會失鎖，因此排除SPI 總線信號完整性的原因。

圖4 SPI總線波形分析

2.2 環路濾波器配置

鎖相環失鎖后，切換頻點時，VCO輸出的頻率和VCO的調諧電壓CV_T/RX都保持不變，因此也有可能是環路濾波器的參數配置問題導致，包括環路濾波器的快鎖控制電路。

把快鎖控制電路斷開、或調整環路濾波電路的C1值，在低溫環境下進行測試，鎖相環依舊會失鎖，因此也可以確認不是環路濾波電路的問題。

圖5 環路濾波器電路

2.3 電源完整性

前文提到，鎖相環失鎖是在對講機由“發射”切換到“接收”時出現的，根據軟件控制邏輯，由“發”轉“收”的過程中，軟件做了以下動作：

1）重新配置鎖相環IC 的頻點信息；

2）關閉發射鏈路的電源；

3）打開接收鏈路的電源。

從鎖相環失鎖后SPI 總線的波形時序分析，可以確定主控芯片能正常發送配置信息。因此不排除是收發切換過程中電源的打開、關閉造成電壓波動，引起鎖相環失鎖。

接收鏈路的電源電路如圖6所示。其中， 電源3V3DRF通過MOS 開關變成3V3_RX，給接收鏈路供電。同時，3V3DRF 還給鎖相環芯片、中頻數字化芯片等供電。

圖6 接收鏈路電源開關

用示波器測試3V3DRF、3V3_RX 的波形，在對講機由“發射”切換到“接收”瞬間，發現3V3DRF 從3.3 V 跌落到2.7 V，再升回3.3 V，如圖7 所示。

基于這個測試結果，我們作了以下分析：

1）由于3V3DRF 也給鎖相環芯片供電，規格書顯示鎖相環芯片能接受的最低電源電壓是2.7 V，低于2.7 V會造成鎖相環芯片掉電復位。

2）主控芯片只在對講機開機時才初始化鎖相環芯片，使用過程中，鎖相環芯片低電復位后，主控芯片沒有對其初始化配置，鎖相環芯片內部寄存器進入復位后的默認狀態，不受主控芯片控制。這就是為什么鎖相環失鎖后，對講機的輸出頻點和環路濾波器的輸出電壓CV 都不隨頻點切換而變化，必須重啟對講機才可以。

3）同時，低溫環境下鎖相環芯片性能變差，能接受的最低電壓高于2.7 V，所以低溫環境下鎖相環失鎖出現的概率比常溫時更高。

圖7 電源3V3DRF跌落

3 實驗結果與分析

針對電壓跌落造成鎖相環失鎖的問題，還需要找到造成電壓跌落的根本原因，才能從根本上解決問題。由于接收通路上的濾波器、低噪聲放大電路、混頻器、中頻放大電路等模塊都是由3V3_RX 供電，功耗大，尤其在上電瞬間，可能出現瞬時大電流造成電壓跌落。為此我們測試了3V3DRF 跌落瞬間，從3V3DRF 流向3V3_RX的電流，如圖8 所示。

圖8 電源3V3DRF電壓和電流突變

從測試結果分析，對講機由“發射”切換到“接收”瞬間，接收通路3V3_RX 處產生了高達1.83 A 的瞬態大電流，而3.6 V 轉3V3DRF 的LDO(XC6209F332) 最大輸出電流只有0.5 A，帶載能力不足造成3V3DRF 電壓跌落至2.78 V，最終導致了鎖相環失鎖。

根據原理分析，提出了以下的解決方案。

3.1 增大電源的濾波電容

加大LDO的濾波電容，如圖9 所示，LDO輸出的最大電流只有0.5 A，3V3DRF 的濾波電容只有10 μF，當負載電流波動較大時，LDO 和濾波電容帶載能力不足，必然出現電壓跌落的情況。在當前條件下已找不到輸出電流更大的LDO，可以增大濾波電容C449 的容量，瞬間電流由C449 提供，電容值根據式（1）估算：

   (1)

已知瞬時大電流I 是1.83A，時間Δt 是2.5 μs，假設要使電壓跌落幅度小于0.1 V，那么電容C449 不能小于45.75 μF。受器件封裝、耐壓等限制，C449 改用47 μF。

將C449 改成47 μF 后，對講機從“發射”切換到“接收”時，電源3V3DRF的波形變化及瞬時電流如圖9所示。從測試波形分析，C449 容值增大后，3V3DRF 電壓跌落情況得到了明顯改善，跌落的最低值由之前的2.7 V提升到3.13 V，滿足鎖相環芯片的工作需求。但是收發切換瞬間電流沒有變，依舊存在著因瞬間電流大導致電壓跌落，出現鎖相環失鎖的可能性。

圖9 改電容后電壓跌落情況

從測試波形分析，C449 容值增大后，3V3DRF 電壓跌落情況得到了明顯改善，跌落的最低值由之前的2.7 V提升到3.13 V，滿足鎖相環芯片的工作需求。但是收發切換瞬間電流沒有變，依舊存在著因瞬間電流大導致電壓跌落，出現鎖相環失鎖的可能性。

3.2 增加緩啟動電路

減小收發切換時3V3_RX 上電瞬間的電流，MOS管的導通內阻隨V_GS 變化而變化，如圖10所示。

圖10 On-Resistance vs. Gate-to-Source voltage導通電阻與柵極-源極電壓

如圖11 所示，在MOS 開關電路上增加C6、R6，構成緩啟動電路。當MOS 管導通瞬間，電容C6 通過電阻R6 緩慢放電，使V_GS 緩慢升高，MOS 管導通內阻緩慢減小，在導通前期起到限流作用，達到減小瞬時電流的目的。緩啟動時間（MOS管導通時間）可按式（2）估算：

τ=R×C   (2)

引入緩啟動電路后，MOS管導通時間延長，相應的，MOS管的截止時間也延長了。關閉MOS 管時，由于電容C6兩端電壓不能突變，電源3V3DRF 通過R5 給C6充電，當V_GS ＜ V_GS（TH）時，MOS 管才徹底截止。充電時間可以由上述公式估算。

對講機從發射切換到接收狀態時的瞬間大電流持續時間2.5 μs，緩啟動時間應大于2.5 μs。由于對講機收發切換時隙是1 ms，因此MOS 管的導通和截止時間不能大于1 ms。經過計算及實際驗證，R5、R6、C6 采用圖11 所示參數，MOS 管導通時間約10 μs，MOS 管關閉時間約100 μs。

圖11 緩啟動電路

增加緩啟動電路R6、C6，對講機從“發射”切換到“接收”時，電源3V3DRF 的波形變化及瞬時電流如圖12 所示。

從圖12 波形分析，加上緩啟動后，收發切換瞬間電流從2.1 A 降低至0.65 A，雖然瞬間電流明顯減小，但由于LDO 最大輸出電流不足0.65 A，所以電壓跌落至2.72 V，鎖相環仍然會出現失鎖現象。

圖12 加緩啟動后電壓跌落情況

要想徹底解決鎖相環失鎖的問題，需要雙管齊下：將C449 改成47 μF，同時加上緩啟動電路。測試波形如圖13 所示。

圖13 改電容及加緩啟動后電壓跌落情況

增大C449 電容值、加上緩啟動電路后，瞬間電流降低到0.74 A，電源3V3DRF 微跌至3.13 V，不會造成鎖相環芯片低電復位。經多次測試，無論是在常溫還是低溫環境下，都沒有出現鎖相環失鎖的現象。加上主控芯片實時監測鎖相環芯片鎖定狀態，鎖相環的穩定性進一步得到保障。

3.3 實時檢測鎖相環芯片狀態

主控芯片實時檢測鎖相環芯片狀態。鎖相環芯片有一個鎖定檢測腳，當鎖相環芯片失鎖時，該引腳輸出低電平。當主控芯片檢測到鎖相環失鎖后，可以重新初始化芯片，讓鎖相環芯片恢復正常。

4 結束語

本文著重從理論出發，初步分析鎖相環失鎖的問題，通過排除法，對可能的原因進行多次測試定位，最終得出增大電源的濾波電容，以及增加緩啟動電路、軟件檢測鎖相環鎖定狀態的解決方案，徹底解決了因收發切換時電壓跌落造成的鎖相環失鎖問題，對講機的穩定可靠性得到了明顯改善。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）