3.2.1 高频正弦电压信号源设计

图3-4所示为高频正弦电压信号源的原理框图，其核心是锁相环（PLL，图中点划线框内部分）和压控振荡器（VCO）。

因为P-TDR的时间测量精度与测试信号的频率稳定性有较大关系，所以这里采用了高精度高稳定的温补晶振作为频率基准。温补晶振输出频率为f_R=20MHz的方波信号，经R计数器分频后频率变为f₁输入到鉴频鉴相器。R计数器的分频系数由拨码开关设定为8192，所以有：

压控振荡器产生频率为f_V的信号经过预分频器变为f_P=f_V/P，再经N计数器分频后频率变为f₂，也输入到鉴频鉴相器。其中预分频器的分频系数是一个固定值P=64，N计数器是一个14位计数器，其高4位由拨码开关设定为0010（二进制数），低10位可由微处理器任意设置，所以N计数器的分频系数取值范围为N=2048～3071。f₂与f_V的关系为

鉴频鉴相器对两个输入信号的频率f₁和f₂进行比较，根据它们的大小关系输出不同的电压脉冲，而电荷泵对电压脉冲进行积分得到直流电压V_c，该电压经过低通滤波电路滤波后输入到压控振荡器控制其输出频率f_V的大小。

当f₁＞f₂时，鉴频器输出正的电压脉冲，电荷泵对正电压脉冲积分使得其输出电压V_c升高，压控振荡器的输出f_V变大，导致f₂也变大；当f₁＜f₂时，鉴频器输出负的电压脉冲，电荷泵对负电压脉冲积分使得其输出电压V_c降低，压控振荡器的输出f_V变小，导致f₂也变小。这样的反馈过程经过反复调整直到f₁=f₂。

图3-4 高频正弦电压信号源的原理框图

当f₁=f₂时，鉴频器的输出为零，电荷泵电压不再变化，压控振荡器的输出f_V不再变化，f₂也就不再变化，整个闭合环路达到“锁定”状态。每次微处理器改变N计数器的分频系数后，都要经过一个重新锁定的过程。

在“锁定”状态时有f₁=f₂，根据式（3-8）和式（3-9）可得式（3-10）：

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由式（3-10）可得式（3-11）

式（3-11）中各物理量的取值（或取值范围）为：f_V的变化范围为320到480MHz，P-TDR土壤水分和电导率测试仪使用的频率约为400MHz。分频系数N的最小变化量为1，所以f_V的最小变化步长为0.15625MHz。

一般压控振荡器的输出信号含有较多的谐波成分，且信号幅度较小，所以还需要通过400MHz带通滤波电路将其谐波滤掉，使信号变为单一频率的正弦信号，再通过高频放大电路将其幅度变为合适的大小。Agilent公司的Infiniium 54853A型高频数字示波器采集的电路上各点信号波形如图3-5～图3-8所示。

图3-5 压控振荡器输出信号波形

图3-6 预分频器输出信号波形

图3-7 400MHz带通滤波器输出信号波形

图3-8 高频放大器输出信号波形

压控振荡器的谐波抑制比是一个很重要的参数。如果谐波抑制比较小，则测试信号从探头末端反射回来时，由于基波和谐波的衰减量不一样，可能会使得谐波与基波的幅度之比增大，导致反射信号畸变，影响相位差测量的精度。P-TDR系统设计的早期曾出现过这样的问题，后来通过更换谐波抑制比较大的压控振荡器解决了这一问题。更换压控振荡器之前和之后，使用高频数字示波器采集的入射信号和反射信号的波形如图3-9和图3-10所示。从图中可以看出，在入射信号波形相同的情况下，更换压控振荡器之前的反射信号有明显的畸变，而更换压控振荡器之后得到了很好的改善。