基于频率比较的压控振荡器频率校准系统及方法

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，特别是一种采用频率比较方式的压控振荡器（VCO）频率校准系统及其校准方法，该系统及方法适用于任何带压控振荡器的芯片和模组，也适用于任何需要校准工作频率而该工作频率可以被模拟电压改变的应用场景。

背景技术

雷达传感器在测速和测距应用上有适用于不同气候条件的独特优势。得益于半导体技术的飞速发展，雷达系统的成本不断降低，因而得以广泛用于工业、医疗和消费领域。然而，由于广播电视、2G/3G/4G/5G公网无线通信使用不同频段，以及WiFi蓝牙等无线设备的大量使用，各国对无线设备工作频点的准确性的要求越来越严格，任何无线设备工作频率不能超出改类设备核准的工作频率范围。一般而言，各种无线通信设备都使用锁相环技术，有高精度的参考时钟，因而工作频点非常准确。除非恶意使用非许可频率，不会因为工艺一致性或者温漂等因素导致无线设备工作频率范围超出各国政府规定的核准频率范围。然后，对于应用在智慧照明和智能楼宇的使用多普勒测速方式的低成本运动感应雷达而言，使用锁相环技术成本过于高昂，市面上出现了简易的无锁相环的压控振荡器频率产生方式，来解决声控或者红外控制等低成本感应方式的其它问题。如果这种无锁相环的压控振荡器频率产生方式不能解决频率准确性问题，就会同更低成本的高频管配合PCB板载电感来起振的方式一样，不符合各国政府的频率管控要求。而且带压控振荡器但不带锁相环的运动感应雷达芯片的成本还不能跟分立方案竞争，这样会使这种无锁相环的雷达传感器芯片散失其竞争优势。因此急需寻求一种低成本方案解决雷达工作频率的校准问题。

一般情况下，频率校准需要使用频率计。民用雷达系统一般工作在5.8GHz，10.525GHz,24GHz,60GHz,77GHz等等频率。这种频率的频率计价格昂贵，大批量用于生产线会增加生产成本。如果使用出厂校准方式，校准系数必需被存储，因此这种雷达模块需要使用带非易失性存储器（EEPROM）的微控制器。而且，因为压控振荡器一般对温度很敏感，即使做了出厂校准，还需要考虑温漂，比如使用温度传感器检测芯片温度，在实际使用中根据实际温度做温度补偿。如果这样做，无锁相环的雷达传感器芯片的成本会上升到跟带锁相环的雷达传感器芯片相当，失去不集成锁相环的低成本优势。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于频率比较的压控振荡器频率校准系统及其校准方法，它利用频率差值来控制数模转换器（DAC）的输出电压，用这个输出电压做调谐电压来校准雷达芯片系统中的压控振荡器工作频率。该方案可以避免在芯片生产时使用频率计测量射频输出频率，大幅降低生产成本。

本发明通过如下技术方案实现：一种基于频率比较的压控振荡器频率校准系统它包括参考时钟源、参考时钟分频器、定时器、计数器、正负差值器、分频器、数模转换器、压控振荡器、倍频器、射频分频器、N倍分频器；

参考时钟源与参考时钟分频器连接，参考时钟分频器分别与定时器以及正负差值器连接，定时器与计数器连接，计数器与正负差值器连接；正负差值器与分频器连接，分频器与数模转换器连接，数模转换器和压控振荡器连接；压控振荡器分别与倍频器和射频分频器连接；射频分频器与N倍分频器连接，N倍分频器连接回计数器。

基于频率比较的压控振荡器频率校准系统的校准方法，它包括如下步骤：

步骤1：通过数模转换器预置调谐电压，且该调谐电压为中间偏低值，雷达系统对该处于该调谐电压下的压控振荡器工作频率进行判定，判定该工作频率是否高于或低于或等于阈值；如该工作频率满足误差要求，则判定工作频率等于阈值，雷达系统使用该工作频率并通过倍频器处理后，作为发射信号送到天线； 如该工作频率高于阈值，则进行步骤2；如该工作频率低于阈值，则进行步骤3；

步骤2：如果预置调谐电压下压控振荡器的工作频率高于阈值，则通过压控振荡器的频段控制选择低频段压控振荡器，或者控制倍频器降低倍频数，让最低调谐电压下的雷达系统工频频率低于工作频率；需要将参考时钟分频器对参考时钟源进行分频处理，形成频率比较的时钟；

步骤3：如果预置调谐电压下压控振荡器的工作频率低于阈值，则通过压控振荡器的频段控制选择高频段压控振荡器，或者控制倍频器对工作频率进行多倍频处理后，让最高调谐电压下雷达系统的工频频率高于工作频率；其中，雷达系统对压控振荡器工作频率的判定方式如以下流程：

流程1：将参考时钟分频器对参考时钟源进行分频处理，形成定时器的时钟；对定时器进行设定，设定合适的时间长度作为计数的时间长度，并根据该时间长度得知频率比较的目标值；

流程2：将压控振荡器输出的正弦波信号经过射频分频器分频处理后，形成低频被测方波信号送至N倍分频器；

流程3：步骤2中的低频被测方波信号经N倍分频器分频处理后形成的方波信号，该方波信号发送至计数器进行计数获得计数值，其中计数的时间长度为流程1中定时器设定的时间长度；

流程4：将流程3的计数值和流程1的目标值均发送至正负差值器中进行比较，得到有正有负的计数偏差值；

流程5：将步骤4得到的计数偏差值通过分频器进行分频处理；

流程6：将步骤5分频处理的计数偏差值与数模转换器内的初始数据相加或相减，根据相加或相减得到的数值，输出用于控制压控振荡器的调谐电压；同时，该相加或相减得到的数值将记录在数模转换器内，作为下次校准时数模转换器内的初始数据；其中，如果定时长度与N分频值不符合一定比例关系导致流程5进行分频处理的数据不能直接跟数模转换器原值相加，则需要使用对分搜索法逐位搜索数模转换器的设置值；

流程7：流程6中调谐电压输入至压控振荡器，压控振荡器在调谐电压产生工作频率，并返回步骤1，通过雷达系统的对该处于该调谐电压下的压控振荡器工作频率进行判定。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1、本发明能够以极低的成本，将压控振荡器的工作频率进行校准，确保该工作频率的误差是在可以接受的范围内。

2、本发明可以应用于所有使用压控振荡器产生参考频率的芯片、模组或者设备。

附图说明

图1为采样频率比较方式的频率校准技术的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1所示：一种采用频率比较方式的压控振荡器（VCO）频率校准系统，它包括参考时钟源、参考时钟分频器、定时器、计数器、正负差值器、分频器、数模转换器、压控振荡器、倍频器、射频分频器以及N倍分频器；

参考时钟源与参考时钟分频器连接，参考时钟分频器分别与定时器以及正负差值器连接，定时器与计数器连接，计数器与正负差值器连接；正负差值器与分频器连接，分频器与数模转换器连接，数模转换器和压控振荡器连接；压控振荡器分别与倍频器和射频分频器连接；射频分频器与N倍频分频器连接，N倍频分频器连接回计数器。

这里的参考时钟源为有源晶振或无源晶振的振荡电路。

射频分频器和N倍频分频器为固定分频数的分频器。射频分频器和N倍频分频器也可以为可编程分频数的分频器。

步骤1：通过数模转换器预置调谐电压，且该调谐电压为中间偏低值，雷达系统对该处于该调谐电压下的压控振荡器工作频率进行判定，判定该工作频率是否高于或低于或等于阈值；如该工作频率满足误差要求，则判定工作频率等于阈值，雷达系统使用该工作频率并通过倍频器处理后，作为发射信号送到天线； 如该工作频率高于阈值，则进行步骤2；如该工作频率低于阈值，则进行步骤3；

这里首先先固定倍频值，预选压控振荡器的最高工作频段，通过数模转换器（DAC）预设偏低的调谐电压，适当等待后，雷达系统（雷达芯片系统）按照流程1到步骤6判定压控振荡器的工作频率与设定的频率比较频点（阈值）的高低（频率比较结果是偏高，偏低和相等，比较方法参考各个流程）；如该工作频率满足要求（偏高标志和偏低标志都没有置位，就是计数值相等，也就是在工作频率在一定的误差容限内），则雷达芯片系统使用该工作频率进行倍频和功率放大处理后，作为发射信号送到天线。

需要说明的是，这里的雷达系统使用压控振荡器（VCO）产生工作频率，经过功率放大作为发射信号送到天线，天线发出发射信号并且在发射信号接触物体时形成反射信号由天线重新接收；根据多普勒测速雷达原理，发射信号在运动物体上产生的反射信号用天线接收，反射信号跟发射信号混频得到多普勒频差信号，这个多普勒频差信号经过中频放大后转换为数字信号，用来判断是否有运动物体（人）经过雷达探测范围，从而产生合适的控制信号来完成自动开灯或者开门操作。

因为压控振荡器的工作频率精度不高，为了保证大批量生产的产品的工作频率都在各国政府核定的工作频率范围内，需要做工作频率的校准。

步骤2：如果预置调谐电压下压控振荡器的工作频率高于阈值，则通过压控振荡器的频段控制选择低频段压控振荡器，或者控制倍频器降低倍频数，让最低调谐电压下的雷达系统工频频率低于工作频率；需要将参考时钟分频器对参考时钟源进行分频处理，形成频率比较的时钟；

步骤2中，压控振荡器输出后通过倍频器可以实现更高的雷达工作频率，雷达系统使用倍频后的射频信号进行功率放大处理后，作为发射信号送到天线；

也就是说，如果压控振荡器的工作频率不够高，可以使用倍频器，如2倍频或者多倍频将工作频率进行处理后再做功率放大。

步骤3：如果预置调谐电压下压控振荡器的工作频率低于阈值，则通过压控振荡器的频段控制选择高频段压控振荡器，或者控制倍频器对工作频率进行多倍频处理后，让最高调谐电压下雷达系统的工频频率高于工作频率；

如果高频段压控振荡器在较低的调谐电压下的工作频率低于阈值，说明高频段压控振荡器频率有可能通过调高调谐电压来提高频率（这里默认压控振荡器的调谐电压越高则输出频率越高，如果压控振荡器的调谐电压跟输出频率负相关，则改变实现方法的方向）。将数模转换器的数值改成合适的初值（一般是中间值让调谐电压处于其输出范围正中央），进行下一步的频率比较；

其中，雷达系统对压控振荡器工作频率的判定方式如以下流程：

流程1：将参考时钟分频器对参考时钟源进行分频处理，形成定时器的时钟；对定时器进行设定，设定合适的时间长度作为计数的时间长度，并根据该时间长度得知频率比较的目标值；

校准时使用一个精度比较高的参考时钟源，这里一般采用有源晶振或者微处理常用的无源晶振加芯片内部的振荡电路，通过参考时钟分频器分频处理后，作为后续频率比较用的定时器的时钟。将参考时钟分频是为了方便根据计数长度和；流程2的N倍分频器互相配合，让流程5有合适的分频数；

流程2：将压控振荡器输出的正弦波信号经过射频分频器分频处理后，形成低频被测方波信号送至N倍分频器；

这里的射频分频器和N倍分频器可以是固定分频数的分频器，也可以是可编程分频数的分频器。

流程3：步骤2中的低频被测方波信号经N倍分频器分频处理后形成的方波信号，该方波信号发送至计数器进行计数获得计数值，其中计数的时间长度为流程1中定时器设定的时间长度；

流程4：将流程3的计数值和流程1的目标值均发送至正负差值器中进行比较，得到有正有负的计数偏差值；

这里的该计数偏差跟压控振荡器的频率偏差正比例相关。

流程5：将步骤4得到的计数偏差值通过分频器进行分频处理；

这里的分频处理等效为二进制除法；

需要注意的是，流程4和流程5的正负差值器一般使用偏大和偏小2个标志进行（该标志也用于步骤1到步骤3的压控振荡器波段选择的判据），选择大数减去小数的方式，得到差值的绝对值。如果使用补码做减法，不需要单独使用偏大和偏小标志，但需要考虑补码与数模转换器的码制转换。一般N分频数越高设置的阈值越精确，但需要的计时时间越长。如果定时长度与N分频值不符合一定比例关系导致流程5的分频后的数据不能直接跟数模转换器（DAC）原值相加，则需要使用对分搜索法逐位搜索数模转换器（DAC）的设置值，这样做会需要长一些的总频率比较时间，但不要求各分频值之间有严格的比例关系。本发明不限定数模转换器（DAC）取值的实现方式。另外，步骤1-3也可以在开始时选择低频段压控振荡器，选择接近最高调谐电压作为初始值来寻找合适的压控振荡器频段，也不作为本发明的限定。

流程6：将步骤5分频处理的计数偏差值与数模转换器内的初始数据相加或相减，根据相加或相减得到的数值，输出用于控制压控振荡器的调谐电压；同时，该相加或相减得到的数值将记录在数模转换器内，作为下次校准时数模转换器内的初始数据；其中，如果定时长度与N分频值不符合一定比例关系导致流程5进行分频处理的数据不能直接跟数模转换器原值相加，则需要使用对分搜索法逐位搜索数模转换器的设置值；

这里的初始数据是指在进行压控振荡器前一次校准时的数据；如果是第一个校准，需要选择一个合适的压控振荡器振荡频率作为校准频点(初始数据)。

校准频点是压控振荡器最后所工作的频率，但初始数据是压控振荡器刚刚开始校准时所对应的数模转换器的输入值，参见步骤1，其对应压控振荡器的输出频率不是最终的工作频率。

这个校准频点需要在压控振荡器（VCO）的工作频率范围内，而且高频段和低频段均留有一定的余量。另外这个校准频点对应的调谐电压需要在数模转换器（DAC）的输出电压范围内，而且调谐电压的升高或者降低都有一定的控制余量。所以，选择数模转换器输出中间值作为初始数据一般是一个比较好的选择。实际上由于压控振荡器的非线性，调谐电压在中值并不是该频段压控振荡器最高工作频点和最低工作频点的中间值。

流程7：流程6中调谐电压输入至压控振荡器，压控振荡器在调谐电压产生工作频率，并返回步骤1，通过雷达系统的对该处于该调谐电压下的压控振荡器工作频率进行判定。

一般比较3次即可。如果多次比较后，数模转换器（DAC）的值变成接近全0（选择了低频段压控振荡器时，最低调谐电压还是频率偏高）或者接近全1（选择了高频段压控振荡器时，最高调谐电压时频率还是偏低），表示该芯片不能达到需要校准的频点，需要选择新的校准频点作为阈值来做频率比较，或者判定芯片不合格。

应用案例：无需锁相环，将5.8GHz多普勒运动感应雷达经本方案校准后，保证雷达工作频率在5.725GHz到5.875GHz ISM工作频段；将X波段多普勒动感雷达校准后，保证雷达工作频率在9.35GHz +/-25MHz 的50MHz工作频率范围内（德国等可认证频率范围）或者10.525GHz +/-25MHz的50MHz工作频率范围内（美国等可认证频率范围）。