SB3336A型锁相环宇航应用可靠性研究

孙哲煜，章玉珠，朱英玮，陆格格，芮涛

上海航天电子技术研究所，上海，201109

0 引言

锁相环是一种闭环负反馈控制系统，其根据参考输入信号和输出信号的相位差调节内部控制电压进行反馈调节，使得输出信号与参考输入信号的频率和相位同步。

在宇航电子产品中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，而利用锁相环的倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。许多有频率变换和调制功能的单机都会使用到锁相环的锁相、倍频、分频功能。

作为宇航调制器单机编码调制模块的关键组成部分，由高可靠性PLL锁相环组成的锁相倍频电路在整台单机中起到至关重要的作用。同时在航天领域，锁相环往往对频率范围、功耗、可靠性、抗辐指标有更严格的需求，需要在应用验证过程中重点关注。

1 宇航用锁相环研制现状

1.1 宇航用锁相环研制情况

因进出口管控政策等因素的不可控，目前已无法稳定获得进口的宇航级锁相环PE9702，对采用锁相倍频的宇航调制器的研制工作产生了严重影响。

根据航天器用元器件的自己开发、自己制造、不受制于人的应用需求以及锁相环的使用需求，中电24所承接的航天器用锁相环SB3336A系列产品已具有一定的研制基础，形成了较为完善的产品线，质量等级满足宇航级需求。

1.2 锁相环替代可行性分析

SB3336A型锁相环的器件封装形式为CQFJ44，与国外器件的引脚排序完全一致，可实现插拔替代。如表1所示，两款器件的供电电压VDD均为-0.3～4.0V，频率范围f均为50MHz～3.0GHz，静电耐电压VESD均为1000V，且均支持串行、并行或直接数据可编程输入模式。

表1 SB3336A及PE9702锁相环的主要指标差异汇总

SB3336A产品内部包含了10/11双模前置分频器、模数选择电路、M计数器、R计数器、数据控制逻辑、鉴相器和锁相检测电路，其功能框图如图1所示。

图1 SB3336A功能框图

R计数器和M计数器的控制字为串行、并行和直接三种接口输入方式[1]。

参考振荡器信号fr经R计数器得到鉴相频率信号fC＝fr/R＋1。当环路被锁定时fP＝fC，即fI/N＝fr/（R＋1）。由此，频率合成器系统的输出信号频率为fI＝[10(M+1)+A]×[fr/(R＋1)]。

在本次验证载体——某宇航调制器单机中，锁相环应用于时钟倍频电路，应用模型如图2所示。

图2 SB3336A在宇航调制器单机中应用模型图

时钟倍频电路通过数字锁相环对FPGA输出的有效时钟进行4倍频，并保持环路对时钟输入信号频率及相位的跟踪。频率综合模块由数字鉴相器SB3336A、有源环路滤波器、压控振荡器和电平转换器组成。当环路锁定后，压控振荡器输出的信号送回FPGA中作为位宽变换和编码处理时钟。

2 锁相环宇航应用验证设计

2.1 系统方案设计

整个验证测试系统通过前端接入宇航终端机，由宇航终端机发送时钟数据信号输出给宇航调制器，宇航调制器根据接收的数据设置不同工作模式，发送不同指令信息，通过遥测状态检查单机对指令响应的正确性，通过多种地检设备（如中频接收机、频谱仪等）检查单机常规工作响应的性能，电气适应性评估试验的总体示意如图3所示[2]。

图3 地面测试设备与系统联试测试方案

2.2 验证项目设计

参考Q/QJA 20034-2012的要求，SB3336A型锁相环的应用验证项目设计如表2所示[3]。

表2 SB3336A型锁相环应用验证项目

测试过程中受试产品连续通电并监测主要性能指标，在首、末及中期进行三次全面电性能指标测试。试验中的最短连续通电测试时间不得少于72h，试验中最后100h应保证受试产品无故障。

该测试主要是将被测器件放在热环境中进行测试，全程监测主要性能指标。根据鉴定试验中的热循环试验条件来完成。试验参照Q/W 1223-2009执行。

3 锁相环可靠性验证情况

3.1 验证数据一致性分析

按照第2节的具体测试方法[5]和内容进行验证测试，测试数据如表3所示。

表3 锁相环测试指标一致性

3.2 器件可靠性验证小结

通过对系统适应性测试数据的分析与确认，SB3336A型锁相环在宇航谱调制器单机中经过各项测试和多个试验均工作正常、性能稳定，测试结果如图4所示。

图4 测试结果截图

4 结论

本文以宇航锁相环产品的现状为切入点，介绍了SB3336A和PE9702型锁相环的特性与性能，着重分析了其替代可行性。最终通过设计可靠性验证方案，以宇航数传调制器产品的单机指标作为参考依据，从启动上电、信道参数测试、功率测试、功耗测试等方面对器件使用的全部流程进行考核，最终得出SB3336A型锁相环在单机级验证过程中均能正常工作，且技术指标符合要求，可以替代进口元器件的指标性能。此次验证研究为SB3336A型锁相环在宇航单机中的应用提供了支撑，也奠定了同类型锁相环产品在宇航测控数传系统中的应用基础。