1 自適應式時鐘源內(nèi)外頻標的切換原理
    圖1給出的鎖相時鐘源是單片機通過串行數(shù)字接口對鎖相芯片內(nèi)部的分頻器進行設置，將需要的頻率N次分頻作為一路鑒相輸入；將參考信號進行R次分頻，作為另一路鑒相輸入，通過鑒相器后得到反映兩路鑒相信號誤差的控制電壓，經(jīng)過低通濾波器后，取出其中緩慢變化的直流電壓分量，用來控制壓控元件電容量的變化，將VCO的輸出頻率拉回到穩(wěn)定值上來，環(huán)路鎖定。

    時鐘源的內(nèi)外頻標切換主要由軟件來實現(xiàn)。圖2中單片機的P1．1口用來控制內(nèi)部晶振加電，P0．2口用來檢測環(huán)路鎖定指示。當外加頻標時，單片機通過串行數(shù)據(jù)口，給鎖相環(huán)芯片送入5 MHz參考的頻率控制字，延時等待，檢測鎖定指示電平為高，則環(huán)路鎖定在5 MHz頻標上，單片機停止送數(shù)，降單片機的內(nèi)部時鐘，來避免單片機帶給環(huán)路的干擾；如果鎖定指示為低，單片機繼續(xù)送10 MHz參考的頻率控制字，延時等待，如果檢測鎖定指示電平為高，則環(huán)路鎖定在10 MHz頻標上，單片機停止送數(shù)，降單片機的內(nèi)部時鐘；如果鎖定指示為低，單片機將通過P1．1口的高電平，控制穩(wěn)壓塊LT1762，給內(nèi)部的20 MHz晶振加電，然后單片機送20 MHz參考的頻率控制字，最終環(huán)路鎖定。如果內(nèi)外頻標同時外加，鎖定指示電平高低發(fā)生跳變，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，單片機隨即切斷內(nèi)頻標電源，環(huán)路重新鎖定在外頻標上。

    傳統(tǒng)的內(nèi)外頻標切換時鐘源的內(nèi)外頻標頻率是相同的，而自適應式時鐘源內(nèi)外頻標頻率不同，外頻標還可以有幾種不同頻率的選擇。因此，該時鐘源在整機使用中對外部頻標的要求大大降低，內(nèi)部的恒溫晶振也保證了在沒有外頻標情況下，時鐘源仍然能正常工作，增加了在整機系統(tǒng)使用中的兼容性。軟件的實時監(jiān)測又可以保證在內(nèi)外頻標同時存在的情況下，及時切斷內(nèi)部晶振的電源，避免兩種不同的參考頻率，對環(huán)路帶來不必要的干擾。所以改進后的自適應時鐘源從產(chǎn)品的適應性和使用的方便性都大大增強。
    在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，若外頻標為方波，上升沿比較陡，對頻標的電平要求不高，大于0 dBm即可；若外頻標為正弦波，上升沿不夠陡，因此如果環(huán)路預先鎖定在內(nèi)頻標上，再加外頻標，外頻標的信號需強于內(nèi)頻標，環(huán)路才能重新鎖在外頻標上。所以，外頻標為正弦波的時侯，電平必須大于5 dBm，環(huán)路才能在內(nèi)外頻標間自適應切換。

2 自適應內(nèi)外頻標切換時鐘源的設計與實現(xiàn)
2．1 自適應式時鐘源的內(nèi)外頻標切換軟件的設計
    該時鐘源軟件的流程如圖3所示。

2．2 自適應式時鐘源的環(huán)路濾波器的設計
    環(huán)路濾波器的設計在整個時鐘源中很關鍵，既要兼顧5 MHz，10 MHz外頻標，又要兼顧20 MHz內(nèi)頻標。因此，環(huán)路的設計必須同時考慮到各個頻標的因素。鑒于這種情況，設計環(huán)路時，對參考頻率分別進行1，2，4分頻，使得環(huán)路在多個頻標下，均以5 MHz鑒相頻率，相同的N分頻次數(shù)，滿足鎖相環(huán)的要求。所以，對環(huán)路帶寬必須合理選擇。一般情況下，選擇在參考源噪聲源和VCO噪聲源譜密度線的交叉點。
    在設計中采用無源三階濾波器，環(huán)路帶寬大致設為45 kHz，相位裕量為65°。環(huán)路帶內(nèi)的相位噪聲取決于晶振相位噪聲，環(huán)路帶外的噪聲取決于壓控振蕩器的相位噪聲。時鐘源輸出信號的相位噪聲是所有噪聲同時作用的結(jié)果。圖4為鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖。

    數(shù)字鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下可以認為是線性系統(tǒng)，應用線性疊加原理，將各噪聲源反映到時鐘源輸出端的相位噪聲功率譜密度相加，則可得到總的相位噪聲功率譜密度(單位：dBc／Hz)：

   
其中：Sr(f)，SPD(f)，SLP(f)，SVCO(f)，So。(f)分別為參考頻標、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO、時鐘源輸出的相位噪聲，單位均為dBc／Hz，H(j2πF)為環(huán)路的有效傳輸函數(shù)。上式右邊第一項為環(huán)路的低通輸出相位噪聲譜，第二項為環(huán)路的高通輸出相位噪聲譜。
    參考信號的相位噪聲對輸出信號相噪的貢獻L1(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(1)計算：

   
式中：Lr(f)為晶振的相位噪聲(單位：dBc／Hz)；鑒相器的基底相噪對輸出信號相噪的貢獻L2(f)(單位：dBc／Hz)，可用式(2)來計算：

   
式中：LpD(f)為鑒相器的基底相噪(單位：dBc／Hz)；Fc為鑒相頻率(單位：Hz)。
    由式(1)和式(2)得，在環(huán)路帶內(nèi)輸出信號的相位噪聲L(f)(單位：dBc／Hz)，可由式(3)得到：

   
    利用式(3)可估算出輸出信號的相位噪聲為-120 dBc／Hz@1 kHz。
    由于參考頻率的不同，R分頻的次數(shù)不同，相位噪聲改善的不同，加之N倍頻相位噪聲惡化的差異性，最終環(huán)路在各頻標作用下，表現(xiàn)出來的相位噪聲也各有差異，不盡相同。

3 實驗結(jié)果及其分析
    實驗結(jié)果證明，三種參考頻率在相同的相位噪聲基準下，20 MHz頻標倍頻次數(shù)最少，相位噪聲曲線最好；5 MHz頻標倍頻次數(shù)最多，相位噪聲也能滿足要求。圖5給出了E4440A測試的時鐘源輸出相位噪聲曲線(其橫坐標表示頻率，縱坐標表示相位噪聲)。
    從圖5可以看出，時鐘源實際輸出相位噪聲與根據(jù)上述公式估算的結(jié)果比較接近，滿足系統(tǒng)對時鐘源相位噪聲的要求，這說明本文提出的內(nèi)外頻標自適應式時鐘源的環(huán)路帶寬設計合理，電路布局優(yōu)化，設計方法是完全可行的。

4 結(jié) 語
    新設計的內(nèi)外頻標自適應式時鐘源具有電路硬件結(jié)構簡單，成本低，相位噪聲低，雜散小的特點。內(nèi)外頻標的切換不用外部控制，完全自適應多個不同頻率的內(nèi)外頻標，而且產(chǎn)品的適應性和使用的方便性都大大增強。目前該時鐘源已在數(shù)字基帶系統(tǒng)中得到廣泛應用。