一种VCO特性测试系统的设计与实现

凌 伟，李 伟，杜念文

（中电科思仪科技股份有限公司 山东 青岛 266555）

1 引言

压控振荡器（VCO）作为锁相环、频率综合等电路的关键模块，广泛应用于微波毫米波仪器（信号源、频谱仪、网络仪）、卫星通信、雷达（TR组件）、导弹制导系统、军事通信系统等电子系统中，对电子系统的性能、尺寸和成本都有很大影响[1]。

压控振荡器主要有中心频率、调谐范围、调谐增益、调谐线性度、相位噪声、输出信号功率等关键指标。

要完整表征VCO的各项特性，首先要给VCO提供低噪声供电电源和调谐电源。测量VCO输出频率要用到频率计；测量其功率要用到功率计；测量其频谱特性要用到频谱仪；测量其相位噪声要用到相位噪声分析仪；调谐灵敏度、调谐线性度等指标要组建系统来进行测量。可见为了综合评价一款VCO产品，需要用到多种测量仪器。为了解决这个问题，本文构建了包含低噪声高分辨率电源输出单元、频率测量单元、功率测量单元、频谱测量单元以及相位噪声测量单元的VCO测试系统。只需要一台仪器就可以完成VCO的各项特性测试，相对于传统的测量方案来说连接简单，测试方便。

2 低噪声高分辨率电源模块设计

VCO工作时通常需要两路电压，一路是供电电压，一路是调谐电压。供电电压通常为一个固定值，为VCO提供直流电源；调谐电压控制VCO的输出信号频率，VCO输出信号频率随调谐电压的变化即为VCO的调谐线性度。在VCO生产、调试、使用过程中，通常需要对VCO的特性进行测试，需要用到上述两种电源。VCO正常工作时要求供电电源及调谐电源的基带噪声低、分辨率高，这样才能减少电源噪声干扰、更加细致地描述VCO的各项特性。基于以上原因，本文设计了专门用于VCO特性测试的电源模块。两种电源的设计原理基本相同，下面以供电电源设计为例进行说明。

VCO工作时需要一路稳定的供电电源，不同型号的要求不同，因此本设计的供电电压的范围设计为0～16 V，可以满足大多数型号VCO的要求。

首先将外部提供电源+15 V经过低噪声DC-DC变换模块，隔离外部输入电源噪声，输出正负电压。之后，对DC-DC输出电压进行LC低通滤波，进一步滤除纹波，抑制共模噪声。将产生的电压经过稳压芯片二次稳压后提供到DAC数模转换器作为参考电压。这两路正负电压为后端电路的放大器、DAC等电路供电。本设计采用16位的DAC芯片产生高分辨率输出电压，经过后端的放大单元，实际输出电压分辨率可以达到0.4 mV/位，满足设计要求。

通过上述分析可以看出实际输出电压与设置DAC值是线性关系，即VOUT=k×D+b。因此本文设计了电压输出校准电路，经校准后输出电压误差范围满足设计要求。

在VCO特性测试时需要对VCO的功耗进行测量，即对其工作电流进行测量。在本设计中，电流回路中串联了一个阻值为1Ω的高稳精密电阻。当供电电源工作时对电阻两端的电压进行采样测量，用该电压值除以串联小电阻的电阻值就可以得到环路中的电流，将该电流值乘以输出电压即可以得到VCO的实时功耗。这样设计的优点在于不用外接电流表就可以实时测量VCO的功耗。

如果输出电流太大容易把供电链路的器件烧坏，因此需要进行电流控制，一旦输出电流过载就提前报警，并切断回路。方法与电流测量方法相同，提取环路串联小电阻的两端电压差，该值与环路电流成正比，对该电压值进行比例放大，然后与设定阀值进行比较，如果大于设定阀值说明电流过载需要启动电路保护程序。同时程序也会实时回读该数据，并在页面显示，提醒用户注意负载过载。

3 高精度测频技术

频率测量是计算VCO调谐灵敏度、调谐线性度的基础，也是相位噪声测试的前提，因此需要对VCO输出频率进行高精度测量。本设计中采用多周期计数法实现频率精确测量。为了降低前后沿不对齐引入的测量误差，本文应用了TDC-GPX进行时间误差的测量[2-3]。

TDC-GPX使用一组传播延时相等的延时单元构成延时链，当信号未到达某延时单元时其状态为0，当信号到达后，其状态为1。同步后产生的前后内插脉冲信号，被送到延时链上，通过检查延时链中各延迟单元的状态变化，通过编码器完成内插时间到数字的转换，从而完成前后内插时间测量。

本文使用两片TDC-GPX芯片以及FPGA实现了精确的VCO频率测量，TDC-GPX工作在R模式，双通道时间分辨率达到27 ps，见图1。被测信号经过电平转换后变为差分信号，产生计数事件；FPGA产生的预置闸门被闸门同步单元1同步后产生四路事件同步闸门信号。一路到FPGA作为计数闸门进行计数；另外两路作为TDC-GPX启动计数信号，还有一路用于同步参考信号；闸门同步单元2就是用于同步计数时钟和事件闸门信号。前后内插产生的同步信号分别用于TDC-GPX的计数终止信号。利用TDC-GPX1得到前内插脉冲信号时间值，利用TDCGPX2得到后内插脉冲信号时间值。TDC-GPX输出28位计数数据，直接发送到FPGA内部；最终事件计数数据、前后内插数据经过缓存后传递到CPU单元，经CPU单元后计算出被测信号频率。

图1 测频单元框图

最终测量得到事件计数结果为NA，时间计数结果为NB，前内插计数结果为D1，后内插计数结果为D2，采用的内部计数频率为Fref，同步闸门时间T2为：T2=（NB/Fref）+（D1-D2）×27 ps，事件频率Fin=NA/T2。相对于多周期计数法，对前后内插误差时间进行了测量，使得测量结果更加精确。

4 VCO相位噪声测试技术设计

在信号源、频谱仪等多种测试仪表以及系统设备中都使用了VCO来设计系统的本振，所以VCO器件的相位噪声直接影响了这些仪器仪表以及系统的性能。VCO相位噪声影响信号源输出信号的相位噪声；VCO相位噪声影响频谱仪底部噪声水平；另外，如果VCO应用到雷达通信等设备的接收发射本振中，其相位噪声还会影响到雷达的目标识别度、分辨率，影响通信设备的误码率等。所以，需要对VCO产品的相位噪声进行测量，这是保证仪器仪表以及系统设备的综合性能的前提。

为了对VCO等漂移振荡源进行相位噪声测试，构建了基于数字鉴频法的VCO相位噪声测试方案。其硬件构成见图2。

图2 数字鉴频法VCO相位噪声测试框图

VCO输出信号首先进入功率控制单元进行增益控制，然后被送入中频处理单元。本振信号与VCO信号进行基波下混频，得到中频信号fIF。混频后中频信号功率较小，需要进行低噪声放大，放大后的中频信号被送到后端的ADC进行采样。数字中频信号被送到数字处理单元。之后分为两路，一路直接到数字混频器，另一路经过数字延时后到达数字混频器，两者经过数字混频，得出频率抖动信息，然后经过FFT以及互相关运算得出VCO输出信号的相位噪声功率谱密度。本文构建了平衡双通道的信号处理流程，然后在数字处理单元进行互相关运算，相对于单通道来说，这样可以在一定程度上消除系统噪声，提高相位噪声测量灵敏度。数字鉴频技术相对于模拟鉴频技术来说去掉了模拟延迟线，使用数字延迟线，这样可以根据不同的测量频偏，选择不同的延迟线长度，既保证了测量灵敏度，又兼顾了测量频偏的要求，实现了1 Hz～40 MHz分析频偏的高灵敏度相位噪声测量。

5 测试结果与分析

为验证本文设计的VCO特性测试系统的性能，本文选用了一款压控振荡器进行了指标验证。

（1）调谐线性度测量。设置VCO特性测试系统为频率功率测量，选择触发模式。设置供电电压为5 V，设置调谐电源输出频率范围为0～16 V，设置驻留时间为1 s，设置扫描点数160个，然后启动测量。测量结果见图3。曲线显示了VCO输出信号频率随调谐电压的变化情况。

图3 调谐线性度测量

（2）调谐灵敏度测量。设置VCO特性测试系统为频率功率测量，选择触发模式。设置供电电压为5 V，设置调谐电源输出频率范围为0～16 V，设置驻留时间为1 s，设置扫描点数160个，然后启动测量。测量结果见图4。曲线显示了调谐灵敏度随调谐电压的变化情况。

图4 VCO特性测试（电压-调谐灵敏度）

（3）相位噪声测量。首先设置VCO特性测试系统为相位噪声模式。设定供电电源输出5 V，给VCO供电，然后设置调谐电压为5 V，输出一固定频点的信号。测试结果见图5。

图5 VCO信号相位噪声测试

6 结语

本文采用集成化、模块化的设计方案，实现了VCO器件特性的自动测试。设计了低噪声、高分辨率、大动态范围的供电电源和调谐电源，输出电压的范围、分辨率、供电电流大小、基带噪声都符合要求；设计了高精度频率测量系统，一键测量VCO器件的调谐线性度以及调谐灵敏度；设计了电流回读功能，实时监测VCO器件功耗；采用数字鉴频方式测量VCO输出信号相位噪声。最后，使用该系统实际测量了一款VCO，验证了VCO器件特性测试系统的实用性。