阅读说明：本技术 一种压控振荡器频带搜索方法及装置 (Voltage controlled oscillator frequency band searching method and device ) 是由 周伟 黄晓宇 袁明海 于 2019-02-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压控振荡器频带搜索方法及装置，属于锁相环芯片技术领域。该方法首先根据锁相环多个频率点的频率误差值评估确定压控振荡器的预期输出频带；并获取对应所述预期输出频带的预期频率误差值；之后根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带；并获取对应所述校准频带的校准频率误差值；最后根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带。通过本发明的压控振荡器频带搜索方法可以快速得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段，避免锁相环发生失去锁定或者重新锁定现象，可以有效的提高工业应用环境下系统的可靠性和鲁棒性。(The invention discloses a frequency band searching method and device of a voltage-controlled oscillator, and belongs to the technical field of phase-locked loop chips. Firstly, estimating and determining an expected output frequency band of a voltage-controlled oscillator according to frequency error values of a plurality of frequency points of a phase-locked loop; obtaining an expected frequency error value corresponding to the expected output frequency band; then calibrating the expected output frequency band according to the expected frequency error value to obtain a calibrated frequency band; and obtaining a calibration frequency error value corresponding to the calibration frequency band; and finally, determining a target frequency band of the voltage-controlled oscillator according to the difference value between the expected frequency error value and the calibration frequency error value. The frequency band of the most ideal target frequency which is expected to be achieved by the voltage-controlled oscillator can be quickly obtained by the voltage-controlled oscillator frequency band searching method, the phenomenon that the phase-locked loop loses locking or is locked again is avoided, and the reliability and the robustness of the system in an industrial application environment can be effectively improved.)

一种压控振荡器频带搜索方法及装置

技术领域

本发明涉及锁相环芯片技术领域，尤其涉及一种压控振荡器频带搜索方法及装置。

背景技术

压控振荡器是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(voltage-controlled oscillator，即VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

对于锁相环环路系统,一般压控振荡器的频带搜索校准过程可以在锁相环的闭环回路中进行。但是当压控振荡器的工作频带数目很多时，在锁相环的闭环回路中进行频带搜索校准需要耗费的时间通常是不可接受的。因此，对于工作频带数目很多的压控振荡器，其频带搜索校准过程通常在锁相环的开环状态下独立进行来减少搜索校准时间。此外，高性能宽频带的压控振荡器(通常为LC-VCO类型的压控振荡器)的工作频带数目通常超过100个甚至更多，为了进一步在锁相环的开环状态下加快其频带搜索校准过程，近期工业界采用了快速2进制逐次逼近搜索算法(faster binary SAR digital band searchingalgorithm)进行频带搜索，该方法减少了搜索校准时间。然而，传统的二进制逐次逼近频带搜索算法所得到的频带并不是最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段。采用非理想搜索频带会导致当锁相环切换到闭环回路正常工作时，闭环回路下压控振荡器的控制电压将非常接近所允许的控制电压范围的最小电压值，这样不仅会导致锁相环输出信号的频率噪声加大，并且当锁相环的工作环境温度和电压发生较大变化且如果压控振荡器的电压-频率转换增益不足以覆盖这种变化时，会导致锁相环电路输出频率失去锁定，导致系统失效或者重新锁定，然而这种情况对许多工业应用环境是不允许出现的。

发明内容

本发明实施例提供一种压控振荡器频带搜索方法及装置，以解决现有传统的二进制逐次逼近频带搜索算法无法搜索到最优化频带，导致锁相环输出信号的频率噪声加大，锁相环发生失去锁定或者重新锁定现象。

为了解决上述采用传统的二进制逐次逼近频带搜索算法搜索频带存在的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种压控振荡器频带搜索方法，包括：

根据锁相环多个频率点的频率误差值评估确定压控振荡器的预期输出频带；

获取对应所述预期输出频带的预期频率误差值；

根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带；

获取对应所述校准频带的校准频率误差值；

根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带。

在本发明的一些实施例中，所述根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带的步骤包括：

如果所述预期频率误差值大于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带加上预设频带宽度；

如果所述预期频率误差值小于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带减去预设频带宽度。

在本发明的一些实施例中，所述预设误差阈值为0，所述预设频带宽度为1。

在本发明的一些实施例中，所述根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带的步骤包括：

计算所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值；

如果所述差值大于零，则确定所述预期输出频带为所述目标频带，否则，如果所述差值大于零，则确定所述校准频带为所述目标频带。

另一方面，本发明实施例还提供了一种压控振荡器频带搜索装置，包括：

预期频带确定模块，用于根据锁相环多个频率点的频率误差值评估确定压控振荡器的预期输出频带；

第一获取模块，用于获取对应所述预期输出频带的预期频率误差值；

频带校准模块，用于根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带；

第二获取模块，用于获取对应所述校准频带的校准频率误差值；

目标频带确定模块，用于根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带。

在本发明的一些实施例中，所述频带校准模块包括：

校准单元，用于如果所述预期频率误差值大于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带加上预设频带宽度；

如果所述预期频率误差值小于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带减去预设频带宽度。

在本发明的一些实施例中，所述目标频带确定模块包括：

计算单元，用于计算所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值；

确定单元，用于如果所述差值大于零，则确定所述预期输出频带为所述目标频带，否则，如果所述差值大于零，则确定所述校准频带为所述目标频带。

在本发明的一些实施例中，预期频带确定模块包括：

频率误差计算器电路单元，用于计算所述锁相环多个频率点的频率误差值；

预期频带确定单元，用于基于频带搜索算法根据所述锁相环多个频率点的频率误差值确定所述预期输出频带。

在本发明的一些实施例中，所述频率误差计算器电路单元包括：

第一计数电路子单元，用于统计某一时钟域内压控振荡器输出频率的计数值；

第二计数电路子单元，用于统计所述某一时钟域内参考晶振输出频率的计数值；

计算比较电路子单元，用于根据所述压控振荡器输出频率的计数值和所述参考晶振输出频率的计数值计算得到频率误差值。

在本发明的一些实施例中，所述第一计数电路子单元包括依次连接的第一同步计数器、比较器以及数字选择器；所述第二计数电路子单元包括依次连接的第二同步计数器和格雷编码器；所述计算比较电路子单元包括依次连接的格雷编码器、计算器以及数字选择器；

所述第一计数电路子单元输出的计数结束时间和参考晶振输入时钟的时钟周期以及所述第二计数电路子单元输出的编码后的压控振荡器的时钟周期经所述计算比较电路子单元处理后得到频率误差值。

本发明实施例的压控振荡器频带搜索方法在获得预期输出频带后先进行最优化频带的预测，即根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带，之后最优化频带的确定，即根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带，最终得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段。通过本发明实施例的压控振荡器频带搜索方法可以快速得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段，避免锁相环发生失去锁定或者重新锁定现象，可以有效的提高工业应用环境下系统的可靠性和鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是本发明的压控振荡器频带搜索方法的一些实施例的流程示意图；

图2是本发明的压控振荡器频带搜索方法中步骤300的一些实施例的流程示意图；

图3是本发明的压控振荡器频带搜索方法中步骤500的一些实施例的流程示意图；

图4是本发明的压控振荡器频带搜索装置的一些实施例的结构示意图；

图5是本发明的压控振荡器频带搜索装置的预期频带确定模块10的一些实施例的结构示意图；

图6是本发明的压控振荡器频带搜索装置的频率误差计算器电路单元11的局部电路原理图；

其中，图6a为第一计数电路子单元的局部电路原理图；图6b为第二计数电路子单元的局部电路原理图；图6c为计算比较电路子单元的局部电路原理图；

图7是本发明实施例的频带搜索电路过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先对本发明一些实施例提供的压控振荡器频带搜索方法进行说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压控振荡器频带搜索方法，包括：

步骤100：根据锁相环多个频率点的频率误差值评估确定压控振荡器的预期输出频带；

步骤200：获取对应所述预期输出频带的预期频率误差值；

步骤300：根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带；

步骤400：获取对应所述校准频带的校准频率误差值；

步骤500：根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带。

本发明实施例中可以利用现有的频带搜索算法(例如：传统的二进制逐次逼近频带搜索算法)根据锁相环多个频率点的频率误差值搜索确定锁相环的压控振荡器的预期输出频带，此时得到的预期输出频带可能并不是最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段。

具体的采用传统的二进制逐次逼近频带搜索算法根据锁相环多个频率点的频率误差值搜索确定锁相环的压控振荡器的预期输出频带的过程如下：在锁相环的开环状态下，首先对压控振荡器的控制电压(Vctr)加载一个具有-40C到125C温度补偿范围的外部电压：Vctr_cal，之后才能进行快速二进制逐次逼近搜索算法，具体执行过程如下所示:

记频率误差为:delta_f＝fvco-N*fref,其中，fvco是PLL锁相环的VCO的时钟频率，N为锁相环内分频器的分频数，fref为PLL锁相环的参考晶振输入时钟的频率，并且频率误差delta_f由锁相环内的频率比较器产生。

那么传统的二进制逐次逼近频带搜索算法如下所示:预期输出频带SAR:

b2 b1 b0其中，控制电压＝外部电压

1 0 0当存在delta_f2，delta_f2>0时b2＝1；delta_f2<0时b2＝0；

b2 1 0当存在delta_f1,delta_f1>0时b1＝1；delta_f1<0时b1＝0；

b2 b1 1当存在delta_f0,delta_f0>0时b0＝1；delta_f0<0时b1＝0；

b2 b1 b0即为预期输出频带band_sar。

上述传统的2进制逐次逼近频带搜索算法最终搜索电路经过搜索过程100→010→011→010，把频带band2＝010作为其最终收敛结果，如图7中圆圈1所在频段。图7中纵坐标fvco为PLL锁相环的压控振荡器的时钟频率，横坐标为压控振荡器的控制电压Vctr，Vctr_min和Vctr_min代表控制电压的最大值和最小值，图中水平直线为压控振荡器期望达到的最理想的目标频率，Vctr_cal为外部电压，横坐标值为Vctr_cal上对应的圆圈是搜索电路在每个搜索频段对应的频率点。

本发明实施例的压控振荡器频带搜索方法在获得预期输出频带后先进行最优化频带的预测，即根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带，之后最优化频带的确定，即根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带，最终得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段。通过本发明实施例的压控振荡器频带搜索方法可以快速得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段，避免锁相环发生失去锁定或者重新锁定现象，可以有效的提高工业应用环境下系统的可靠性和鲁棒性。

本发明实施例中，如图2所示，所述步骤300包括：

如果所述预期频率误差值大于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带加上预设频带宽度；

如果所述预期频率误差值小于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带减去预设频带宽度。

可选地，本实施例中所述预设误差阈值为0，所述预设频带宽度为1，当然本实施例中预设误差阈值和预设频带宽度还可以为根据具体的频带搜索方法的情况确定的其他数值。

本实施例的步骤300为最优化频带的预测步骤，具体预测过程为：

If delta_fsar>0→band_refine＝band_sar+1,get delta_frefine

If delta_fsar<0→band_refine＝band_sar-1,get delta_frefine

其中，band_refine为校准频带，delta_frefine为频率误差值，delta_fsar为预期频率误差值。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，所述步骤500包括：

步骤501：计算所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值；

步骤502：如果所述差值大于零，则确定所述预期输出频带为所述目标频带，否则，如果所述差值大于零，则确定所述校准频带为所述目标频带。

本实施例的步骤500为最优化频带的确定步骤，具体确定过程为：

If|delta_frefine|>|delta_fsar|→band＝band_sar

If|delta_frefine|<|delta_fsar|→band＝band_refine

采用本实施例的校准方法得到频带的搜索电路经过搜索过程100→010→011→010→011，把频带band3＝011作为其最终收敛结果而该频段正是最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段:band3＝011(如图7所示圆圈2所在频段)。在前述传统二进制逐次逼近频带搜索中,非理想搜索频带band2会导致当锁相环切换到闭环回路正常工作时，闭环回路下压控振荡器的控制电压(圆圈1)将非常接近所允许的控制电压范围的最小电压值vctr_min。此时，不仅会导致锁相环输出信号的频率噪声加大恶化其性能，并且当锁相环的工作环境温度和电压发生较大变化时如果压控振荡器的电压-频率转换增益不足以覆盖这种变化时，会导致锁相环电路输出频率失去锁定，导致系统失效或者重新锁定，然而这种情况对许多工业应用环境是不允许出现的。

下面对本发明一些实施例提供的压控振荡器频带搜索装置进行说明。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种压控振荡器频带搜索装置，包括：

预期频带确定模块10，用于根据锁相环多个频率点的频率误差值评估确定压控振荡器的预期输出频带；

第一获取模块20，用于获取对应所述预期输出频带的预期频率误差值；

频带校准模块30，用于根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带；

第二获取模块40，用于获取对应所述校准频带的校准频率误差值；

目标频带确定模块50，用于根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带。

本发明实施例所述频带校准模块30包括：

校准单元，用于如果所述预期频率误差值大于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带加上预设频带宽度；

如果所述预期频率误差值小于预设误差阈值，则所述校准频带等于所述预期输出频带减去预设频带宽度。

本发明实施例中所述目标频带确定模块50包括：

计算单元，用于计算所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值；

确定单元，用于如果所述差值大于零，则确定所述预期输出频带为所述目标频带，否则，如果所述差值大于零，则确定所述校准频带为所述目标频带。

本发明实施例的压控振荡器频带搜索装置通过预期频带确定模块10获得预期输出频带，之后通过频带校准模块30进行最优化频带的预测，即根据所述预期频率误差值校准所述预期输出频带得到校准频带，最后通过目标频带确定模块50进行最优化频带的确定，即根据所述预期频率误差值与所述校准频率误差值之间的差值确定所述压控振荡器的目标频带，最终得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段。通过本发明实施例的压控振荡器频带搜索装置可以快速得到最接近压控振荡器所期望达到的最理想目标频率的所在频段，避免锁相环发生失去锁定或者重新锁定现象，可以有效的提高工业应用环境下系统的可靠性和鲁棒性。

本发明实施例中，如图5所示，预期频带确定模块10包括：

频率误差计算器电路单元11，用于计算所述锁相环多个频率点的频率误差值；

预期频带确定单元12，用于基于频带搜索算法根据所述锁相环多个频率点的频率误差值确定所述预期输出频带。

在传统的二进制逐次逼近搜索算法中锁相环多个频率点的频率误差值仅仅采用锁相环内的传统频率比较器得到，其仅提供了频率误差的符号信息(>0或者<0)，通过符号信息来进行频带的校准是不够准确的，因此，本发明实施例的预期频带确定模块10包括频率误差计算器电路单元11，用于计算所述锁相环多个频率点的频率误差值，提高频率误差的计算精度，进而提高校准的准确度。

本发明实施例中，所述频率误差计算器电路单元11包括：

第一计数电路子单元，用于统计某一时钟域内压控振荡器输出频率的计数值；如图6a所示；

第二计数电路子单元，用于统计所述某一时钟域内参考晶振输出频率的计数值；如图6b所示；

计算比较电路子单元，用于根据所述压控振荡器输出频率的计数值和所述参考晶振输出频率的计数值计算得到频率误差值,如图6c所示。

图6中Counter代表计数器，cmp代表比较器，FF/FFs代表触发器，MUX2代表2输入数字选择器，Bina to Gray代表格雷编码器,Gray to Bina代表格雷解码器，sub代表计算器。

具体的，本实施例中所述第一计数电路子单元包括依次连接的第一同步计数器、比较器以及数字选择器；所述第一计数电路子单元的输入端和输出端均设置有有触发器，该触发器可以为单个或多个。所述第一同步计数器为具有复位功能的二进制同步计数器，所述数字选择器为2输入数字选择器。

所述第二计数电路子单元包括依次连接的第二同步计数器和格雷编码器；所述第二计数电路子单元的输入端和输出端均设置有触发器，该触发器可以为单个或多个，所述第二同步计数器为具有复位功能的二进制同步计数器。

所述计算比较电路子单元包括依次连接的格雷编码器、计算器以及数字选择器；所述计算比较电路子单元的输入端和输出端均设置有触发器，该触发器可以为单个或多个。所述计算比较电路子单元的输入端用于接入第一计数电路子单元输出的计数结束时间和参考晶振输入时钟的时钟周期、所述第二计数电路子单元输出的编码后的压控振荡器的时钟周期。编码后的压控振荡器的时钟周期输入计算比较电路子单元先经格雷解码器解码处理。所述数字选择器为2输入数字选择器。

所述第一计数电路子单元输出的计数结束时间和参考晶振输入时钟的时钟周期以及所述第二计数电路子单元输出的编码后的压控振荡器的时钟周期经所述计算比较电路子单元处理后得到频率误差值。

本发明实施例的频率误差计算器电路单元11利用两个具有复位功能的二进制同步计数器，一对格雷编解码器、多个触发器、比较器和数字选择器在同一个时钟域内对压控振荡器和参考晶振的各自频率计数值进行计算比较，得出具体的频率误差值：

(t2-t1)/(N*Tvco)＝((t2-t1)/Tref)+DeltaC，t2-t1＝M*Tref→

delta_f＝fvco-N*fref＝(N/M)*fref*DeltaC

即该频率误差计算器电路单元的频率计算精确度为:(N/M)*fref。

其中，t1是开始计数的时间起点值；t2是结束计数的时间终点值；t2-t1为计数时间区间；Tvco是PLL锁相环的VCO的时钟周期；Tref是PLL锁相环的参考晶振输入时钟的时钟周期；fvco是PLL锁相环的VCO的时钟频率；fref是PLL锁相环的参考晶振输入时钟的频率；N是PLL锁相环的VCO的时钟频率与参考晶振输入时钟的频率比值，即N＝fvco/fref；M是以Tref为参考时间单位得到的计数时间区间的读数/计数比值，即t2-t1＝M*Tref；DeltaC是计数时间区间内分别以Tref为参考时间单位和以N*Tvco为参考时间单位得到的读数/计数差异值。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。