數字集群對講機鎖相環(huán)失鎖問(wèn)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(huán)廣泛應用于頻率合成、時(shí)鐘分配、相位解調以及時(shí)鐘恢復等，是無(wú)線(xiàn)通信、光纖鏈路、射頻收發(fā)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(gè)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(huán)境（25℃）使用時(shí)，會(huì )出現鎖相環(huán)失鎖的現象，導致對講機在集群模式下無(wú)法注冊入網(wǎng)、在直通模式下無(wú)法通信、調試模式下不能進(jìn)行指標測試等問(wèn)題，在低溫環(huán)境下（-40℃）測試指標時(shí)鎖相環(huán)失鎖出現的概率更大。本文通過(guò)造成鎖相環(huán)失鎖的原因分析和實(shí)驗結果，得出解決鎖相環(huán)失鎖問(wèn)題的解決方案，即增大電源的濾波電容、并同時(shí)增加緩啟動(dòng)電路和軟件檢測鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)。

1 對講機鎖相環(huán)工作原理

鎖相環(huán)（PLL）電路存在于各種高頻應用中，從簡(jiǎn)單的時(shí)鐘凈化電路到高性能無(wú)線(xiàn)電通信鏈路的本振（LO）等。鎖相環(huán)是一種實(shí)現相位自動(dòng)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(jìn)行比較，當比較結果處于穩態(tài)，即輸出頻率和相位與鑒相器的輸入頻率和相位匹配時(shí)，鎖相環(huán)即被鎖定^[3-4]。

鎖相環(huán)通常由鑒頻鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器(VCO) 3 部分組成^[4]，鎖相環(huán)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(jìn)行比較，根據比較結果輸出泵電流IC，經(jīng)環(huán)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(huán)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(huán)，設計框圖如圖2 所示。其工作原理為：主控芯片根據時(shí)序要求，通過(guò)SPI 總線(xiàn)配置鎖相環(huán)的頻點(diǎn)信息，同時(shí)控制模擬開(kāi)關(guān)、選擇環(huán)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(diǎn)。

圖2 對講機鎖相環(huán)原理框圖

2 造成鎖相環(huán)失鎖的原因分析

現象1：常溫環(huán)境下，對講機正常使用過(guò)程中，多次呼叫后，會(huì )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(guò)天線(xiàn)口測試故障機器的發(fā)射指標，發(fā)現無(wú)論切換至哪個(gè)頻點(diǎn)：

1）對講機的輸出頻點(diǎn)都是399.70 MHz 附近，如圖3所示；

圖3 鎖相環(huán)失鎖現象

2）用示波器測試鎖相環(huán)環(huán)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(diǎn)CV 值不同。據此可以判斷故障機器的鎖相環(huán)失鎖了。

現象2：低溫環(huán)境下（-40℃），測試對講機的發(fā)射和接收性能指標時(shí)：如果一開(kāi)始就測試發(fā)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(huán)失鎖；如果一開(kāi)始就測試接收指標，切換到發(fā)射指標測試時(shí)，對講機也能正常工作，但是切換回接收指標測試，就會(huì )出現鎖相環(huán)失鎖的現象，有2臺樣機100% 出現該現象，且出現后無(wú)論切換至哪個(gè)頻點(diǎn)，頻譜儀測試的頻點(diǎn)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(huán)失鎖，是在對講機由“發(fā)射”切換至“接收”狀態(tài)時(shí)出現的；

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

3）根據經(jīng)驗，可能是信號完整性、環(huán)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(gè)分析、測試，從而找到問(wèn)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(guò)SPI 總線(xiàn)對鎖相環(huán)IC（鑒頻鑒相器）進(jìn)行配置，鎖相環(huán)IC 再根據不同的頻點(diǎn)輸出不同的CV值。為了濾除SPI 總線(xiàn)上的干擾、毛刺，我們在SPI 總線(xiàn)的時(shí)鐘（CLK）、數據（DATA）和片選（CS）線(xiàn)上串聯(lián)了22 Ω 電阻，對地并聯(lián)了33 pF 電容，因此初步認為是SPI 總線(xiàn)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(xiàn)的波形如圖4 所示。從波形分析，SPI 總線(xiàn)信號質(zhì)量尚可，不會(huì )造成鎖相環(huán)失鎖。將SPI 總線(xiàn)上接的電容都去掉、電阻改成0 Ω，對講機仍然會(huì )失鎖，因此排除SPI 總線(xiàn)信號完整性的原因。

圖4 SPI總線(xiàn)波形分析

2.2 環(huán)路濾波器配置

鎖相環(huán)失鎖后，切換頻點(diǎn)時(shí)，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(huán)路濾波器的參數配置問(wèn)題導致，包括環(huán)路濾波器的快鎖控制電路。

把快鎖控制電路斷開(kāi)、或調整環(huán)路濾波電路的C1值，在低溫環(huán)境下進(jìn)行測試，鎖相環(huán)依舊會(huì )失鎖，因此也可以確認不是環(huán)路濾波電路的問(wèn)題。

圖5 環(huán)路濾波器電路

2.3 電源完整性

前文提到，鎖相環(huán)失鎖是在對講機由“發(fā)射”切換到“接收”時(shí)出現的，根據軟件控制邏輯，由“發(fā)”轉“收”的過(guò)程中，軟件做了以下動(dòng)作：

1）重新配置鎖相環(huán)IC 的頻點(diǎn)信息；

2）關(guān)閉發(fā)射鏈路的電源；

3）打開(kāi)接收鏈路的電源。

從鎖相環(huán)失鎖后SPI 總線(xiàn)的波形時(shí)序分析，可以確定主控芯片能正常發(fā)送配置信息。因此不排除是收發(fā)切換過(guò)程中電源的打開(kāi)、關(guān)閉造成電壓波動(dòng)，引起鎖相環(huán)失鎖。

接收鏈路的電源電路如圖6所示。其中， 電源3V3DRF通過(guò)MOS 開(kāi)關(guān)變成3V3_RX，給接收鏈路供電。同時(shí)，3V3DRF 還給鎖相環(huán)芯片、中頻數字化芯片等供電。

圖6 接收鏈路電源開(kāi)關(guān)

用示波器測試3V3DRF、3V3_RX 的波形，在對講機由“發(fā)射”切換到“接收”瞬間，發(fā)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(gè)測試結果，我們作了以下分析：

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

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

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

圖7 電源3V3DRF跌落

3 實(shí)驗結果與分析

針對電壓跌落造成鎖相環(huán)失鎖的問(wèn)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(wèn)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(shí)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(fā)射”切換到“接收”瞬間，接收通路3V3_RX 處產(chǎn)生了高達1.83 A 的瞬態(tài)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(huán)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(dòng)較大時(shí)，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(shí)大電流I 是1.83A，時(shí)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(fā)射”切換到“接收”時(shí)，電源3V3DRF的波形變化及瞬時(shí)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(mǎn)足鎖相環(huán)芯片的工作需求。但是收發(fā)切換瞬間電流沒(méi)有變，依舊存在著(zhù)因瞬間電流大導致電壓跌落，出現鎖相環(huán)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(mǎn)足鎖相環(huán)芯片的工作需求。但是收發(fā)切換瞬間電流沒(méi)有變，依舊存在著(zhù)因瞬間電流大導致電壓跌落，出現鎖相環(huán)失鎖的可能性。

3.2 增加緩啟動(dòng)電路

減小收發(fā)切換時(shí)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(kāi)關(guān)電路上增加C6、R6，構成緩啟動(dòng)電路。當MOS 管導通瞬間，電容C6 通過(guò)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(shí)電流的目的。緩啟動(dòng)時(shí)間（MOS管導通時(shí)間）可按式（2）估算：

τ=R×C   (2)

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

對講機從發(fā)射切換到接收狀態(tài)時(shí)的瞬間大電流持續時(shí)間2.5 μs，緩啟動(dòng)時(shí)間應大于2.5 μs。由于對講機收發(fā)切換時(shí)隙是1 ms，因此MOS 管的導通和截止時(shí)間不能大于1 ms。經(jīng)過(guò)計算及實(shí)際驗證，R5、R6、C6 采用圖11 所示參數，MOS 管導通時(shí)間約10 μs，MOS 管關(guān)閉時(shí)間約100 μs。

圖11 緩啟動(dòng)電路

增加緩啟動(dòng)電路R6、C6，對講機從“發(fā)射”切換到“接收”時(shí)，電源3V3DRF 的波形變化及瞬時(shí)電流如圖12 所示。

從圖12 波形分析，加上緩啟動(dòng)后，收發(fā)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(huán)仍然會(huì )出現失鎖現象。

圖12 加緩啟動(dòng)后電壓跌落情況

要想徹底解決鎖相環(huán)失鎖的問(wèn)題，需要雙管齊下：將C449 改成47 μF，同時(shí)加上緩啟動(dòng)電路。測試波形如圖13 所示。

圖13 改電容及加緩啟動(dòng)后電壓跌落情況

增大C449 電容值、加上緩啟動(dòng)電路后，瞬間電流降低到0.74 A，電源3V3DRF 微跌至3.13 V，不會(huì )造成鎖相環(huán)芯片低電復位。經(jīng)多次測試，無(wú)論是在常溫還是低溫環(huán)境下，都沒(méi)有出現鎖相環(huán)失鎖的現象。加上主控芯片實(shí)時(shí)監測鎖相環(huán)芯片鎖定狀態(tài)，鎖相環(huán)的穩定性進(jìn)一步得到保障。

3.3 實(shí)時(shí)檢測鎖相環(huán)芯片狀態(tài)

主控芯片實(shí)時(shí)檢測鎖相環(huán)芯片狀態(tài)。鎖相環(huán)芯片有一個(gè)鎖定檢測腳，當鎖相環(huán)芯片失鎖時(shí)，該引腳輸出低電平。當主控芯片檢測到鎖相環(huán)失鎖后，可以重新初始化芯片，讓鎖相環(huán)芯片恢復正常。

4 結束語(yǔ)

本文著(zhù)重從理論出發(fā)，初步分析鎖相環(huán)失鎖的問(wèn)題，通過(guò)排除法，對可能的原因進(jìn)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(dòng)電路、軟件檢測鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的解決方案，徹底解決了因收發(fā)切換時(shí)電壓跌落造成的鎖相環(huán)失鎖問(wèn)題，對講機的穩定可靠性得到了明顯改善。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）