基于鎖相環(huán)的低頻函數(shù)發(fā)生器

摘要： 介紹了鎖相環(huán)的原理以及Freescale 公司的鎖相環(huán)頻率合成器件MC145151- 2 的主要特點(diǎn)，給出了MC145151- 2 和ICL8038 低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器的工作原理、設(shè)計(jì)思想、電路結(jié)構(gòu)、模塊設(shè)計(jì)方法及其電路原理圖。

1 引言

電子系統(tǒng)中經(jīng)常需要采用頻率和幅度可調(diào)的正弦波信號作為基準(zhǔn)或載波信號。而正弦波信號主要是由模擬電路和DDS (Direct Digital Synthesis)兩種方式產(chǎn)生。基于DDS 技術(shù)的產(chǎn)品雖然功能齊全、性能指標(biāo)高， 但是成本也高。本文介紹了一種基于MC145151- 2 和ICL8038 的低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器， 該函數(shù)發(fā)生器具有頻率穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)。

2 鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)路實(shí)質(zhì)上就是自動相位控制電路(APC) , 它是利用2 個電信號的相位誤差， 通過環(huán)路自身調(diào)整來實(shí)現(xiàn)頻率準(zhǔn)確跟蹤， 該系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)路( 簡稱環(huán)路) , 通常用PLL 表示。鎖相環(huán)路是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器( LPF 或LF) 和壓控振蕩器( 簡稱VCO) 3 部分組成的閉合系統(tǒng)。鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖1 所示。

圖1 鎖相組成環(huán)原理框圖

圖1 中的鑒相器( PD) 又稱相位比較器， 是由模擬乘法器組成， 用于檢測輸入信號和輸出信號的相位差， 并將檢測到的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號UD( t) 輸出， 該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓UC( t) 來控制振蕩器輸出信號頻率。

3 MC145151- 2 和ICL8038 簡介

3.1 MC145151- 2 簡介

MC145151- 2 是MC145151- 1 的升級產(chǎn)品， 降低了功耗， 提高了ESD 和鎖定性能。MC145151- 2 分別用14 條和3 條并行輸入數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)N 計(jì)數(shù)器和R計(jì)數(shù)器編程， 內(nèi)部集成了參考振蕩器、可選參考頻率分頻器、數(shù)字相位鑒相器和14 位可編程的除N計(jì)數(shù)器。該器件具有以下特點(diǎn)： 采用CMOS 工藝， 功耗低， 電壓范圍為3 V~9 V; 具有片上或片外參考振蕩器; 2 路鑒相信號輸出， 其中PDout 是鑒相器A 的輸出， ФR 和ФV 是鑒相器B 輸出， 為鑒相誤差信號，LD 用于輸出相位鎖定信號; 除N 范圍為3~16 383;8 個用戶可選的除R 值分別對應(yīng)于RA2~RA0 組成的8 個狀態(tài)。

3.2 ICL8038 簡介

ICL8038 是一款可輸出多種波形的精密振蕩器， 只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生0.001 Hz~300 kHz 低失真的正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號，其輸出電平為： 方波為0.2 V(2 mA)， 三角波為0.33 V, 輸出阻抗為200 Ω(5 mA)， 正弦波為0.22 V,輸出阻抗為1 kΩ。輸出波形的頻率和占空比由電流或電阻控制。此外， 由于該器件具有調(diào)頻信號輸入端， 因此可對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。

ICL8038 主要特點(diǎn)：頻率范圍為0.001 Hz ~300 kHz; 占空比范圍為2%~98%; 低失真正弦波為1%; 低溫度漂移為250 ppm/℃; 三角波輸出線性為0.1%; 工作電源電壓5 V~28 V; 可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等。

4 正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)

正弦波發(fā)生器主要是由參考頻率、基本鎖相環(huán)和匹配輸出3 部分電路組成， 原理框圖如圖2 所示。圖2 中虛線框中的電路是頻率合成器的核心( 即鎖相環(huán)) , 由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器等組成。系統(tǒng)輸出信號的頻率為fout=(N/R)fin, 改變分頻比N 獲得大量離散頻率的輸出信號。

圖2 正弦波發(fā)生器原理框圖

本設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)與典型的高頻鎖相環(huán)電路相比有兩個差別： 一是添加了鑒相器前晶體振蕩器整形和分頻電路; 二是壓控振蕩器選用工作在低頻范圍內(nèi)的器件。

4.1 參考頻率電路設(shè)計(jì)

一般函數(shù)發(fā)生器的基準(zhǔn)頻率通常由相對頻率穩(wěn)定度為10- 6 的晶體振蕩器產(chǎn)生， 經(jīng)R 倍分頻后提供適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)頻率。本設(shè)計(jì)采用頻率穩(wěn)定度為10- 6的有源晶體振蕩器結(jié)合Altera 公司的CPLDEPM3128 實(shí)現(xiàn)整形和M分頻電路如圖3 所示。該電路主要由復(fù)位電路、上載電路、晶體振蕩器、頻率預(yù)置電路組成。參考頻率電路具有以下幾點(diǎn)特性：

通過內(nèi)部分頻電路預(yù)置一系列M分頻后的頻率到I/O 端口通過撥碼開關(guān)S2 靈活選擇所需基準(zhǔn)頻率，擴(kuò)展了一定頻率范圍內(nèi)頻率輸出的頻率點(diǎn)數(shù);利用CPLD 內(nèi)部資源做為整形電路， 在節(jié)省電路板面積的同時減少外部對輸出波形及頻率穩(wěn)定度的干擾， 提高輸出波形的質(zhì)量;加強(qiáng)了硬件電路設(shè)計(jì)的靈活程度， 如當(dāng)通過調(diào)整預(yù)置分頻倍數(shù)M和外部可變分頻比N 仍不能產(chǎn)生期望的輸出頻點(diǎn)時， 可靈活更改CPLD 內(nèi)部分頻電路， 改變分頻比R 來產(chǎn)生所需輸出頻點(diǎn)的基準(zhǔn)頻率。此外， 如需要對產(chǎn)品升級增加其他功能時也可以利用CPLD 內(nèi)部資源通過I/O 口與外部電路無縫連接加以實(shí)現(xiàn)。

4.2 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)電路如圖4 所示， 是以MC145151- 2 為核心構(gòu)成的鑒相器， 通過撥碼開關(guān)S4、S5 對應(yīng)的N0~N13 來設(shè)定分頻比N 的數(shù)值， N 的取值范圍為3~16 383.此外， 還可通過CB1、CB2、CB3 三個跳線設(shè)定RA0、RA1、RA2.MC145151- 2 可為用戶提供8個固定除R 分頻數(shù)， 分別為8、128、256、512、1 024、2 048、4 096 和8 192, 分別對應(yīng)RA2~RA0 從000到111 的8 個狀態(tài)。MC145151- 2 提供的2 個鑒相器A 和B 均可以使用， 本設(shè)計(jì)選用鑒相器A。

MC145151- 2 的LD 用于指示回路鎖定， 外接1 只LED, 失鎖時LED 閃爍。MC145151- 2 的鑒相輸出端為PDout, 該輸出端需接一個由阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波器。若選用鑒相器B, ФR 和ФV 輸出則接有源低通濾波器。濾波器的輸出則接由兩級運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號放大調(diào)整電路， 增加控制電壓的動態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)輸出的設(shè)計(jì)要求， 這因?yàn)镸C145151-2 的鑒相輸出經(jīng)濾波后的直流電平為+2 V~+3 V 之間， 可以控制ICL8038, 但電壓變化范圍小， 控制頻點(diǎn)有限， 因此必須增加放大器。放大器的輸出可以控制以ICL8038 為核心構(gòu)成的壓控振蕩器電路， 該電路可以通過設(shè)置CB4、CB5、CB6 三個跳線來選擇不同容值， 從而選擇高、中、低3 段頻率輸出， 保證有足夠?qū)挼念l率輸出動態(tài)范圍， 促使ICL8038 的性能得以充分發(fā)揮。

4.3 匹配輸出電路

匹配輸出電路如圖5 所示。這部分電路主要功能： 進(jìn)一步放大輸出信號; 阻抗匹配， 提高信號源的帶載能力， 經(jīng)驗(yàn)證電路的帶載能力不低于20 mA.

圖5 匹配輸出電路

5 電路PCB 設(shè)計(jì)及調(diào)試

5.1 PCB 設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

在PCB 版圖設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

要慎重處理模擬地和數(shù)字地。要把模擬部分與數(shù)字部分分塊布局， 數(shù)字部分最好能夠大面積覆銅接地。PCB 板上要用低阻地平面分別將模擬地和數(shù)字地連接， 再在某一點(diǎn)上將兩地相連;信號線盡量布在焊接面上，器件面為地平面， 這樣可減少信號間的干擾， 這一點(diǎn)對系統(tǒng)性能的穩(wěn)定尤為重要;集成電路的電源輸入端與地端最好接濾波電容器， 并且電容器與器件的電源引腳和地引腳兩端圍成的回路面積越小越好。

5.2 電路調(diào)試應(yīng)注意的問題

( 1) MC145151- 2 的除R 分頻器已內(nèi)接上拉電阻， RA0~RA1 置1時需懸空， 不可接高電平。

( 2) ICL8038 的方波輸出要加上拉電阻， 若要與TTL 電平兼容， 必須接+5 V 電源。MC145151- 2 對輸入電平有要求， 在+5 V 電源下， 輸入方波的高電平不能超過+5 V, 低電平不能低于+1.5 V.

( 3) MC145151- 2 鑒相輸出電壓與ICL8038 控制電平的匹配， 是整個電路實(shí)現(xiàn)比較重要的問題。

應(yīng)將ICL8038 接成直流電源分壓控制的函數(shù)發(fā)生電路。ICL8038 的電壓控制范圍： 2/3(|VCC|+|- VEE|)+2 V

( 4) 關(guān)于信號放大電路的阻抗匹配問題。由于OP07 的輸入阻抗不夠大， 如果直接把濾波后的電壓接入放大器， 電壓將為零，放大器也沒有輸出， 需要加一級跟隨器進(jìn)行阻抗匹配。

( 5) 關(guān)于信號放大電路的放大倍數(shù)問題。由于濾波輸出電壓跌落在控制范圍內(nèi)， 但變化范圍小， 如果信號放大電路的放大倍數(shù)選擇不當(dāng)會導(dǎo)致控制電壓太大， 超出ICL8038 的最高控制電平， 從而造成MC145151- 2 失鎖。調(diào)試時應(yīng)先用精密電位器將放大倍數(shù)調(diào)整后， 再分別測量電位器的阻值， 用相對應(yīng)的色環(huán)電阻進(jìn)行更換。

6 結(jié)束語

基于MC145151- 2 和ICL8038 的低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器， 能產(chǎn)生低頻段的正弦波、方波、三角多種波形， 電路結(jié)構(gòu)簡單， 其生成的波形平滑、無毛刺、波形穩(wěn)定度高、頻率穩(wěn)定度和分辨率高， 具有廣泛的應(yīng)用前景。