孫哲煜，章玉珠，朱英瑋，陸格格，芮濤

上海航天電子技術(shù)研究所，上海，201109

0 引言

鎖相環(huán)是一種閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其根據(jù)參考輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差調(diào)節(jié)內(nèi)部控制電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使得輸出信號(hào)與參考輸入信號(hào)的頻率和相位同步。

在宇航電子產(chǎn)品中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，而利用鎖相環(huán)的倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。許多有頻率變換和調(diào)制功能的單機(jī)都會(huì)使用到鎖相環(huán)的鎖相、倍頻、分頻功能。

作為宇航調(diào)制器單機(jī)編碼調(diào)制模塊的關(guān)鍵組成部分，由高可靠性PLL鎖相環(huán)組成的鎖相倍頻電路在整臺(tái)單機(jī)中起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)在航天領(lǐng)域，鎖相環(huán)往往對(duì)頻率范圍、功耗、可靠性、抗輻指標(biāo)有更嚴(yán)格的需求，需要在應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注。

1 宇航用鎖相環(huán)研制現(xiàn)狀

1.1 宇航用鎖相環(huán)研制情況

因進(jìn)出口管控政策等因素的不可控，目前已無(wú)法穩(wěn)定獲得進(jìn)口的宇航級(jí)鎖相環(huán)PE9702，對(duì)采用鎖相倍頻的宇航調(diào)制器的研制工作產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

根據(jù)航天器用元器件的自己開(kāi)發(fā)、自己制造、不受制于人的應(yīng)用需求以及鎖相環(huán)的使用需求，中電24所承接的航天器用鎖相環(huán)SB3336A系列產(chǎn)品已具有一定的研制基礎(chǔ)，形成了較為完善的產(chǎn)品線，質(zhì)量等級(jí)滿足宇航級(jí)需求。

1.2 鎖相環(huán)替代可行性分析

SB3336A型鎖相環(huán)的器件封裝形式為CQFJ44，與國(guó)外器件的引腳排序完全一致，可實(shí)現(xiàn)插拔替代。如表1所示，兩款器件的供電電壓VDD均為-0.3～4.0V，頻率范圍f均為50MHz～3.0GHz，靜電耐電壓VESD均為1000V，且均支持串行、并行或直接數(shù)據(jù)可編程輸入模式。

表1 SB3336A及PE9702鎖相環(huán)的主要指標(biāo)差異匯總

SB3336A產(chǎn)品內(nèi)部包含了10/11雙模前置分頻器、模數(shù)選擇電路、M計(jì)數(shù)器、R計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)控制邏輯、鑒相器和鎖相檢測(cè)電路，其功能框圖如圖1所示。

圖1 SB3336A功能框圖

R計(jì)數(shù)器和M計(jì)數(shù)器的控制字為串行、并行和直接三種接口輸入方式[1]。

參考振蕩器信號(hào)fr經(jīng)R計(jì)數(shù)器得到鑒相頻率信號(hào)fC＝fr/R＋1。當(dāng)環(huán)路被鎖定時(shí)fP＝fC，即fI/N＝fr/（R＋1）。由此，頻率合成器系統(tǒng)的輸出信號(hào)頻率為fI＝[10(M+1)+A]×[fr/(R＋1)]。

在本次驗(yàn)證載體——某宇航調(diào)制器單機(jī)中，鎖相環(huán)應(yīng)用于時(shí)鐘倍頻電路，應(yīng)用模型如圖2所示。

圖2 SB3336A在宇航調(diào)制器單機(jī)中應(yīng)用模型圖

時(shí)鐘倍頻電路通過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)FPGA輸出的有效時(shí)鐘進(jìn)行4倍頻，并保持環(huán)路對(duì)時(shí)鐘輸入信號(hào)頻率及相位的跟蹤。頻率綜合模塊由數(shù)字鑒相器SB3336A、有源環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和電平轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)環(huán)路鎖定后，壓控振蕩器輸出的信號(hào)送回FPGA中作為位寬變換和編碼處理時(shí)鐘。

2 鎖相環(huán)宇航應(yīng)用驗(yàn)證設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)前端接入宇航終端機(jī)，由宇航終端機(jī)發(fā)送時(shí)鐘數(shù)據(jù)信號(hào)輸出給宇航調(diào)制器，宇航調(diào)制器根據(jù)接收的數(shù)據(jù)設(shè)置不同工作模式，發(fā)送不同指令信息，通過(guò)遙測(cè)狀態(tài)檢查單機(jī)對(duì)指令響應(yīng)的正確性，通過(guò)多種地檢設(shè)備（如中頻接收機(jī)、頻譜儀等）檢查單機(jī)常規(guī)工作響應(yīng)的性能，電氣適應(yīng)性評(píng)估試驗(yàn)的總體示意如圖3所示[2]。

圖3 地面測(cè)試設(shè)備與系統(tǒng)聯(lián)試測(cè)試方案

2.2 驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)計(jì)

參考Q/QJA 20034-2012的要求，SB3336A型鎖相環(huán)的應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表2所示[3]。

表2 SB3336A型鎖相環(huán)應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目

測(cè)試過(guò)程中受試產(chǎn)品連續(xù)通電并監(jiān)測(cè)主要性能指標(biāo)，在首、末及中期進(jìn)行三次全面電性能指標(biāo)測(cè)試。試驗(yàn)中的最短連續(xù)通電測(cè)試時(shí)間不得少于72h，試驗(yàn)中最后100h應(yīng)保證受試產(chǎn)品無(wú)故障。

該測(cè)試主要是將被測(cè)器件放在熱環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，全程監(jiān)測(cè)主要性能指標(biāo)。根據(jù)鑒定試驗(yàn)中的熱循環(huán)試驗(yàn)條件來(lái)完成。試驗(yàn)參照Q/W 1223-2009執(zhí)行。

3 鎖相環(huán)可靠性驗(yàn)證情況

3.1 驗(yàn)證數(shù)據(jù)一致性分析

按照第2節(jié)的具體測(cè)試方法[5]和內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 鎖相環(huán)測(cè)試指標(biāo)一致性

3.2 器件可靠性驗(yàn)證小結(jié)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)適應(yīng)性測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與確認(rèn)，SB3336A型鎖相環(huán)在宇航譜調(diào)制器單機(jī)中經(jīng)過(guò)各項(xiàng)測(cè)試和多個(gè)試驗(yàn)均工作正常、性能穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測(cè)試結(jié)果截圖

4 結(jié)論

本文以宇航鎖相環(huán)產(chǎn)品的現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，介紹了SB3336A和PE9702型鎖相環(huán)的特性與性能，著重分析了其替代可行性。最終通過(guò)設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證方案，以宇航數(shù)傳調(diào)制器產(chǎn)品的單機(jī)指標(biāo)作為參考依據(jù)，從啟動(dòng)上電、信道參數(shù)測(cè)試、功率測(cè)試、功耗測(cè)試等方面對(duì)器件使用的全部流程進(jìn)行考核，最終得出SB3336A型鎖相環(huán)在單機(jī)級(jí)驗(yàn)證過(guò)程中均能正常工作，且技術(shù)指標(biāo)符合要求，可以替代進(jìn)口元器件的指標(biāo)性能。此次驗(yàn)證研究為SB3336A型鎖相環(huán)在宇航單機(jī)中的應(yīng)用提供了支撐，也奠定了同類型鎖相環(huán)產(chǎn)品在宇航測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)。