数字集群对讲机锁相环失锁问题的研究

时间：2023-12-16　来源：对讲机世界　作者：网络　点击：次

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编者按：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。

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FR_EF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V_CO的调谐电压UC去调整V_CO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

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。

图2 对讲机锁相环原理框图

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；

图3 锁相环失锁现象

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 Ω 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 Ω，对讲机仍然会失锁，因此排除SPI 总线信号完整性的原因。

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。

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。

图5 环路滤波器电路

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。

图6 接收链路电源开关

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。

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。

图7 电源3V3DRF跌落

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。

图8 电源3V3DRF电压和电流突变

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。

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 μF，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：

(1)

已知瞬时大电流I 是1.83A，时间Δt 是2.5 μs，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 μF。受器件封装、耐压等限制，C449 改用47 μF。

将C449 改成47 μF 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。

图9 改电容后电压跌落情况

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V_GS 变化而变化，如图10所示。

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V_GS 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：

τ=R×C (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V_GS ＜ V_GS（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 μs，缓启动时间应大于2.5 μs。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 μs，MOS 管关闭时间约100 μs。