集成电路芯片上的集成斜坡,扫描分数频率合成器

申请号 CN200980122499.0 申请日 2009-05-05 公开(公告)号 CN102067453B 公开(公告)日 2015-05-20
申请人 赫梯特微波公司; 发明人 M·M·克鲁蒂埃; T·里潘;
摘要 本 发明 涉及一种在集成 电路 芯片上集成斜坡扫描分数 频率 合成器,它包括一个分数频率合成器,它带有响应VCO和Δ∑ 调制器 用以修正分数 分频器 的除数的分数分频器;在相同的集成电路芯片上的斜坡发生器,斜坡发生器响应触发 信号 以产生斜坡,用来扫描所述分数频率合成器的频率。
权利要求

1.一种具有分数分频器的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,包括:
包括多个元件的集成电路芯片,所述多个元件是包括调制器的分数频率合成器的多个元件,所述调制器用来修正所述分数分频器的除数;
斜坡发生器,所述斜坡发生器响应于触发信号产生用于扫描所述分数频率合成器的频率的斜坡,所述斜坡发生器进一步包括斜坡控制器,所述斜坡控制器被配置为提供单一模式操作,用来根据每个触发信号产生所述斜坡;和
接口控制器,响应于外部控制器,控制所述斜坡发生器和所述调制器,其中至少所述调制器、所述斜坡发生器和所述接口控制器位于所述集成电路芯片上。
2.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述分数分频器位于所述集成电路芯片上。
3.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡发生器包括查找表,所述查找表包含多个不同形状的斜坡。
4.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡控制器进一步包含编程的斜坡步数和步长尺寸,并且响应于触发信号产生斜坡形状。
5.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡发生器包括计算器电路,用以计算一个或多个不同的斜坡形状。
6.如权利要求5的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述计算器电路计算指数的或抛物线的斜坡形状。
7.如权利要求4的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡控制器包括自动模式,用来根据一个触发信号允许重复的斜坡,并且进一步利用停留时间对所述斜坡控制器编程以定义重复时间段。
8.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述分数频率合成器还在芯片上集成有:用以对压控震荡器VCO反馈路径分频的分数分频器、环路滤波器、用于驱动所述环路滤波器的电荷,和用于检测参考值与VCO间的任何偏差的相位频率检测器、由所述环路滤波器驱动的VCO,用以产生补偿信号以使得环路滤波器以所述参考值收敛VCO输出、固定除法器,用来调节VCO信号用于内部或外部使用、以及参考路径除法器。
9.如权利要求4的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述接口控制器包括所述集成电路芯片上的串行或并行接口控制器,用于接收芯片外的指令以对所述斜坡控制器进行编程。
10.如权利要求4的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述调制器包括响应所述斜坡控制器输出的分数部分的调制器核心,和响应所述斜坡控制器输出的整数部分的整数延迟路径电路,用来同步从所述调制器到所述分数分频器的整数与分数输出。
11.如权利要求10的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述整数延迟路径电路包括响应所述斜坡控制器输出的整数部分的延迟电路,和用来合并延迟的整数部分和所述调制器核心的分数输出的求和电路。
12.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡是简单斜坡,以单个方向延伸。
13.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡是复合斜坡,以多个方向延伸。
14.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡是复合斜坡,以至少第一方向与基本上相反的第二方向延伸。
15.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述触发信号是从输入引脚硬件产生的。
16.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述触发信号是从串行和/或并行接口软件产生的。
17.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述触发信号是自动模式扫描触发信号。
18.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述触发信号是双向模式扫描触发信号。
19.如权利要求1的集成斜坡扫描分数频率合成器系统,其中所述斜坡发生器具有单步模式,其中对于每个触发,每个触发比所述扫描提前一步。
20.一种具有集成在芯片上的频率扫描器的分数频率合成器系统,包括位于同一芯片上的集成调制器、同一芯片上的集成斜坡发生器,用于生成斜坡以扫描所述分数频率合成器的频率和集成的串行和/或并行接口或并行接口,所述斜坡发生器进一步包括斜坡控制器,所述斜坡控制器被配置为提供单一模式操作,用来根据每个触发信号产生所述斜坡,其中任何从分数分频器、电荷泵、相位检测器、环路滤波器和压控震荡器选出的其它合成器部件位于或不位于芯片上。
21.如权利要求20的分数频率合成器系统,其中所述调制器是Δ∑型的。

说明书全文

集成电路芯片上的集成斜坡,扫描分数频率合成器

[0001] 相关申请
[0002] 根据35U.S.C.§§119、120、363、365,和37C.F.R.§1.55和§1.78,本申请要求2008年5月6日提交的序号为61/126,703的美国临时申请的利益和优先权,其教导于此引入作为参考。

技术领域

[0003] 本发明涉及集成电路芯片上的集成斜坡,扫描分数频率合成器。

背景技术

[0004] 斜坡发生函数可以用直接数字合成(DDS)技术、或用带有可变参考频率或可变压控震荡器(VCO)分率的相环(PLL)来做出。DDS方法需要高性能的DAC和平滑的滤波器,当需要高输出频率和大的变化时,这种方式使得斜坡发生函数非常难建造。
[0005] 可以用带有可变参考频率的PLL产生较高的输出频率,这通常是利用低频DDS产生的,但由于PLL把DDS所产生的杂散放大20*log(N)倍,其中N为VCO与参考频率的比值,因此DDS的设计再次变得至关重要。
[0006] 第二个方法,即,使用带有外部控制VCO分率的、基于集成PLL的分数频率合成器,易于引入数字交换噪音并增加系统的成本与复杂性。在现有方法的N分数合成器与外部斜坡控制器一起使用的情况下,需要实时传输频率字给PLL。这是有问题的,因为在合成器运行时会导致数字交换噪音;并且在芯片间的处理过程中,它也会使用更多的功率以及要花费不止一个集成方式。频率改变的速率也许会受到串行端口传输速度的限制,由此导致不平滑的斜坡。一个已知的方法产生低频斜坡信号,也叫“线性调频”(chirp)信号,该方法使用利用直接数字合成(DDS)的所有数字技术,例如Parkes使用的(1994年的美国专利5,311,193)。通过使用DDS作为用于使用如Gilmore(1990年的美国专利4,965,533)的方法的整数PLL的参考,这个想法一般地被扩展到高频。Parkes与Gilmore的低频和高频方法都依赖基于DDS的解决方案,该方案是存在问题的:当转换回到模拟时,所有的数字处理可能产生许多不必要的乱真信号。硬件的复杂性也明显地增大了。进而,由于PLL的带宽应该相对地窄从而减少DDS杂散,这在斜坡开始或结束时产生了较大的线性失真,因此上述想法受到了限制。另一个方法公开在Gaskel等人的专利中(1992年的美国专利5,079,521),其使用了分数合成器以产生任意值的频率。另一个以高载波频率产生斜坡频率的通常的方法是根据高分辨率DAC用可编程序电压发生器直接驱动VCO。由于VCO的非线性调谐特征,这个方式引起了校准的问题,不能真正地达到线性频率扫描,而且由于控制斜坡产生中涉及的模拟参数的难度,该方式通常不适合用于大批量的半导体生产。当遇到大的扫描和大的温度变化时,这个问题尤其突出。所有这些现有技术以引用的方式并入本文中。

发明内容

[0007] 根据本发明的各个方面,本发明提供了一种新的集成斜坡,扫描分数频率合成器,这将减少外部部件的成本和控制斜坡频率的开销。本发明对DDS方式提供了明显的改进,原有的DDS方式受频率操作的限制、使用了大量的功率、易于产生杂散信号而且成本更高。
[0008] 在某种程度上,本发明源于以下认识:可以通过如下手段实现一种在各个方面改进的扫描分数频率合成器:在单个集成电路芯片上的分数频率合成器集成电路内部增加一个集成斜坡发生器,其实时地驱动Δ∑调制器的频率设定点,并产生带有可编程斜率(步长大小和数目)的上升和/或下降频率斜坡,和/或对于重复斜坡的自动模式操作的停留,由此,通过使用外部触发器或内部自发产生的触发以起动斜坡,从而实现基于编程的斜坡数据自发产生频率斜坡。
[0009] 但是在其他实施方案中,本发明不需要实现所有这些目标,其权利要求不限于能够实现这些目标的结构或方法。
[0010] 本发明的特征在于,在集成电路芯片上的集成斜坡,扫描分数频率合成器,其包括集成电路芯片,具有分数频率合成器,该分数频率合成器具有响应于VCO的频率的分数分频器和用于快速改变所述分数分频器的除数的调制器。同样的集成电路芯片有斜坡发生器,其响应触发信号产生用于扫描所述分数频率合成器的频率的斜坡。
[0011] 在优选的实施方案中,斜坡发生器可以包括查找表,包含多个不同形状的斜坡。斜坡发生器可以包括斜坡控制器,所述斜坡控制器包含编程的斜坡步数和步长尺寸,并且响应于触发信号产生斜坡形状。斜坡发生器可以包括计算器电路,用以计算一个或多个不同的斜坡形状。计算器电路计算指数的、抛物线的、或其它斜坡形状。斜坡控制器可以包括单一模式,用于根据每个触发信号产生一个斜坡。斜坡控制器可以包括自动模式,根据一个触发信号允许重复的斜坡,并且用停留时间进一步编程来定义重复时间段。芯片上的分数频率合成器可以包括环路滤波器、驱动环路滤波器的电荷、和相位频率检测器,其响应参考值和分数分频器,用来检测参考数值与VCO间的任何偏差,由环路滤波器驱动的VCO,用于形成补偿信号来使环路滤波器能够以参考值收敛VCO输出。串行或并行接口电路可以被提供在集成电路芯片上用来接收芯片外的指令,用以对斜坡控制器进行编程。调制器可以是西格玛德尔塔(Δ∑)类型或任何其它类型的分数调制器。调制器包括调制器核心,其响应斜坡控制器输出的分数部分,和整数延迟路径电路,其响应斜坡控制器输出的整数部分,用于同步从调制器到分数分频器的整数和分数输出。整数延迟路径电路可以包括响应斜坡控制器输出的整数部分的延迟电路,和用以合并调制器核心的延迟整数部分和分数部分的求和电路。斜坡可以是向单方向延伸的简单斜坡。斜坡可以是向若干方向延伸的复合斜坡。斜坡可以是以至少第一方向延伸和基本上相反的第二方向延伸的复合斜坡。触发信号可以是从输入引脚硬件产生的。触发信号可以是从串行或并行接口软件产生的。触发信号可以是自动模式的扫描触发信号。触发信号可以是双向模式的扫描触发信号。触发信号可以是单个模式的扫描触发信号。触发信号可以是双模式扫描触发信号。
[0012] 本发明的特征还在于,位于同一个芯片上的集成分数调制器、集成斜坡发生器、和集成SPI或并行接口,其中任何其它合成器的部件可以位于或不位于芯片上,包括分数分频器、电荷泵、相位检测器、环路滤波器、和VCO,其中,如果使用有源的环路滤波器,则电荷泵是可选的。附图说明
[0013] 从以下的较佳实施方案的描述和附图中,本领域技术人员可以发现其它的目标,特征,和优点:
[0014] 图1是根据本发明在集成电路芯片上的集成斜坡扫描分数频率合成器系统的示意框图
[0015] 图2示出了图1的斜坡发生器产生的一种斜坡;以及
[0016] 图3是图1的调制器的一个实施方案更细致的示意图和一个可选的预矫正数字滤波器

具体实施方式

[0017] 除较佳实施方案或以下公开的实施方案以外,本发明有能胜任其它实施方案,并能用不同的方式来实践或实现。因此,本发明当然不局限于以下图示所描述的应用细节中的结构和部件安排。如果仅有一个实施方案于此描述,于此的权利要求不局限于那个实施方案。此外,除非有清晰与令人信服的证据明确表示一定的排斥性、限制性、或放弃声明,于此的权利要求不能被有限制地读取。
[0018] 本发明用以下方式实现:对于其它的分数频率合成器增加芯片上集成控制器和斜坡电路,以单独根据编程的斜坡数据和外部触发器或内部自发的触发器促进产生频率控制斜坡以起动斜坡。一旦触发,斜坡自动提供所需的控制字给分数分频器用来产生线性或其它所期望的斜坡波形,所有这些都是与分数频率合成器集成在一个集成芯片上,而没有DDS的进一步协助或实时的数据传输。
[0019] 图1示出了在集成电路芯片12上的集成斜坡,扫描分数频率合成器系统10。集成斜坡扫描分数频率合成器系统10包括带有按传统方式运行的相位频率检测器16、可选的电荷泵18、环路滤波器20、分数分频器22、调制器24和VCO26的现有的频率合成器14。例如,可编程的整数分频器27和31以及包含或不包含电荷泵18的变化形式也是可行的。
PD16、R分频器29、可选的电荷泵18、分数分频器22、环路滤波器20、VCO26、或分频器27和
31可以位于集成扫描器的内部或外部。
[0020] 在操作中,VCO26的输出被反馈给分数分频器22,其用VCO频率输出除以某个数,简单地说100。那就是,分数分频器22的除数是100。分数分频器22的输出在相位检测器(PD)16中与来自参考源28和可选的参考分频器29的参考信号作比较。如果相位频率检测器16检测到VCO26的输出频率22b低于参考28的频率29b,则PD16从电荷泵18为环路滤波器20增加电荷,环路滤波器20增加到VCO26的电压来提高它的输出频率。电荷泵18和环路滤波器20可以用运算放大器和有源滤波器来代替。在另一个方面,如果PD16确定VCO26的输出具有高于参考28的信号29b的频率22b,则PD16使得电荷泵18减少运送到环路滤波器20的电荷,这随后降低了至VCO26的电压并且降低它的输出频率。由于频率合成器14是分数频率合成器,存在用某种手段(如调制器24)来引起分数效果。常用地,这通过诸如Δ∑调制器24或类似的周期性地改变分数分频器22的除数的调制器的调制器来完成。例如,当除数100应用到分频器22时,Δ∑调制器24每10个周期加1。因此,分数分频器22在10个周期中的9个周期都使用除数100,在第10个周期时使用除数101。
这会引起分数输出除数的平均输出不再是100而是100.1。这是一个非常粗略的分数简介的简单例子。在现实中,为了达到所需的频率分辨率和减少杂散输出,Δ∑调制器所产生的VCO除数的序列更为复杂。
[0021] 根据本发明,斜坡发生器30被加到了与调制器24和接口控制器34相同的集成芯片12上。可以利用斜坡控制器30a、查找表30b、或计算器30c实施斜坡发生器30。计算器30c可以用来计算各种斜坡的形状,如指数的、抛物线的。查找表30b可以用来储存许多不同的任意斜坡形状。斜坡控制器30a在单模操作时提供频率步长尺寸和每个斜坡的步数。
更新率等于PD(16,图1)比较频率(29b,图1),但是不局限于此。在自动模式中,斜坡控制器30a提供了这些输入以及停留输入。因此,由斜坡控制器30a产生的斜坡信号与Δ∑调制器24一起驱动分数分频器22扫描频率范围,这使得扫描分数频率合成器变得有用,例如,对于雷达应用和对于仪器和实验室设备可以产生线性调频信号。斜坡控制器30a可以装载适当的步长大小、步数,并由例如串行/并行接口(SPI)34的接口驱动,其在线路36上从芯片外的源接收来自主机处理器的输入。斜坡控制器30a由线路38上的触发器操作,使斜坡控制器30a产生斜坡。
[0022] 斜坡控制器30a直接从主机用斜坡参数配置(如步长大小、步数、停留时间、查找表的斜坡点,用来计算抛物线或其它形状斜坡的参数、操作模式(内/外部触发器、自动反复、单步等),而且,一旦开始,它在没有外部介入的情况下产生西格玛德尔塔的斜坡设定点。斜坡控制器30a被实现为常规的状态机,特定实施方案的无穷大可以达到相同的功能。虚线框37中的部件是将被集成在芯片上的那些重要部件。芯片上的其它部件则为可选地可包括的部件。
[0023] 图2示出了典型的线性斜坡。这个概念不局限于任何斜坡形状,而最通常的形式是由主机处理器预加载的数值的查找表30b。改进是按以下事实进行的:频率更新处在集成芯片14内部,并且一旦“斜坡”开始,则不需要实时数据传输。在单模式操作中,触发脉冲42的正向边沿40起动向上斜坡44,其以起动频率f0开始并具有步数n。每一步具有29b处信号所产生的宽度(Tref)46和斜坡发生器30(例如斜坡控制器30a)所指令的高度48,斜坡发生器30还设置步数。步宽46和步高48也定义了斜坡44的斜率。步高48和步数均由斜坡控制器30提供。当达到频率ff处的第n步50时,不再存在更多的步并且系统以最终频率ff的平停留,直到下个触发脉冲54的前沿52。在这个例子中,斜坡56是向下的斜坡,以频率ff开始于第一步58,并且连续 n步向下回到频率为f0的第n步600,此时系统静止直到下一个触发脉冲64的正向边沿62出现。这是单模式操作。在自动模式操作过程中,如图2的66所示,斜坡控制器30提供停留时间(Tdwell)。此外,在自动模式中,只有一个触发脉冲42:自此以后不存在触发脉冲。也即,触发脉冲54和64等则不会出现。而斜坡控制器30a在上升沿40起动斜坡。在斜坡44达到频率ff的第n步50后,进行编程的停留时间段(Tdwell)66,在停留时间段之后,系统在不使用脉冲54,64的情况下自动开始第二斜坡56。
[0024] 对单模式和自动模式操作的说明呈现出上升斜坡44,之后是下降斜坡56,随后是另一个上升斜坡68等等。可是,这并不是本发明对于单模式或自动模式操作的限制,斜坡也许全部是上升的、全部是下降的、或者也许开始时是下降斜坡之后是上升斜坡,再之后是下降斜坡,如此等等。而且,上升斜坡的斜率也不必与下降斜坡的斜率相等。例如,在任何一种模式中,可能有上升斜坡44之后是从ff到f0的迅速返回,再随后是另一个上升斜坡,跟随另一个从ff到f0的迅速返回,再随后是另一个上升斜坡,如此等等。或者,系统可以由下降斜坡开始,起始于ff结束于f0,然后几乎立刻又返回到ff并再次开始下降斜坡,如此这样多次反复。如前所示,不再是上升斜坡44之后是下降斜坡56再跟随上升斜坡68,而是系统可以提供下降斜坡之后是上升斜坡再跟随下降斜坡的镜像图像,如此等等。对于斜坡发生器30可以使用各种触发机制,例如,触发信号可以源自硬件的(如线路38上),或者可以通过例如SPI39由软件产生。进一步的,触发可以是单工、双工、或更复杂的形式以控制辅助模式、单向斜坡、双向或多向斜坡或扫描。
[0025] 斜坡参数是可以通过串行接口34完全编程的。可是,合成的斜坡经历一般的锁相动力学。如果所用的环带宽比步率宽得多,则锁定相对于步率非常快,并且斜坡会呈楼梯状。由于速率的改变是参考频率,在现实中,这种情况通常不会存在。在正常情况下,如果更新速率高于环带宽,则环路在收到新的频率步前不会完全稳定。因此,在瞬态之后,扫描输出将会以固定的小延迟跟随设定点,并且以接近连续的方式进行扫描。所以,恰好在斜坡被触发之后,有可能在输入处暂时出现微小的斜坡非线性。如有必要,可以在斜坡发生器30和Δ∑调制器24之间引入图3的预失真数字滤波器70以减少瞬态失真。但是,由于预失真也依赖实际外部的环路滤波器部件,通用预失真数字滤波器的设计并非是微不足道的。幸运地,实践中通常不需要这种滤波器。一个可以避免起动瞬态问题的简单易行的解决方法是较早地以低频起动斜坡(假设是向上斜坡)并忽略它的开始部分。
[0026] 在单模式的每个参考周期中,Δ∑调制器24的设定是由斜坡步增加/减少。起动频率、步长,包括宽度和高度、和步数都通过串行接口34预程序化。但是,请注意,通过Δ∑传输函数的整数通路和分数通路有不同的延迟。通常在调制器核心处直接加到调制器时序的整数通路应该被人工延迟以补偿通过调制器的分数信号通路的延迟。在图3中示出,调制器24包括调制器核心80、延迟器82、和加法器或求和器电路84。斜坡控制器30的输出包括如线86所示的整数和分数部分。分数部分直接输送到调制器核心80,它的输出被输送到加法器或求和器电路84;可是整数部分被输送到延迟器82,它典型地延迟了例如3个周期的整数信息,以匹配调制器核心80的延迟。延迟器82的输出然后与调制器核心80的输出合并到加法器84,并提供给如前面提到的分数分频器22。
[0027] 尽管本发明的具体特征在某些图中表示出来了,而没有在其它的图中表示出来,这仅仅是为了方便,因为根据本发明,每个特征可以与任何其它的特征相结合。于此使用的词汇“包含”,“包括”,“有”,和“带有”被广泛并全面地引用,并不局限于任何实体的相互联系。而且,本申请中任何公开的实施方案不仅仅被用做可能的实施方案。
[0028] 除此之外,在本专利申请的审查期间所上呈的任何修改都不是对所提交申请中任何权利要素的放弃声明:不能合理地期望本领域技术人员撰写字面上包括所有可能的等同物的权利要求,许多等同物在修改时是不可预见的,并且超出了所放弃(如果存在)的公平解释的范围,修改的理据也许只容忍对许多等同物的切向关系,和/或有许多其它原因不能期望本申请人描述对于任何修正的权利要求元素一定的非实质的替代物。
[0029] 对于本领域技术人员而言,其它实施方案会出现并包括在下列权利要求中。
[0030] 权利要求如下:
QQ群二维码
意见反馈