《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)
王煜華,、蔣傳紀(jì)
摘要: 本文探討了用鎖相技術(shù)來產(chǎn)生高頻率穩(wěn)定度的低頻信號的方法,并介紹了由ICL8038和MC145151-2構(gòu)成的低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì),。該正弦波輸出信號的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-8 ,,輸出頻率由所選用的晶振頻率以及MC145151-2的分頻數(shù)決定。
Abstract:
Key words :

  本文探討了用鎖相技術(shù)來產(chǎn)生高頻率穩(wěn)定度" title="穩(wěn)定度">穩(wěn)定度的低頻信號的方法,,并介紹了由ICL8038和MC145151-2構(gòu)成的低頻鎖相環(huán)" title="鎖相環(huán)">鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì),。該正弦波" title="正弦波">正弦波輸出信號的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-8 ,輸出頻率由所選用的晶振頻率以及MC145151-2的分頻" title="分頻">分頻數(shù)決定,。

  正弦波發(fā)生器的應(yīng)用很廣泛,,但是適合于低頻范圍內(nèi)的高穩(wěn)定度正弦波電路比較少。表1是幾種主要的正弦波產(chǎn)生方法的比較,。

  從表1中可知,,僅采用某一種正弦波產(chǎn)生方法很難實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定的低頻正弦波發(fā)生器。本文嘗試采用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定的低頻正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法,,給出了一種基于MC145151-2和ICL8038芯片的低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器,。這種低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率" title="基準(zhǔn)頻率">基準(zhǔn)頻率相當(dāng),不產(chǎn)生額外的誤差,。

圖1:鎖相環(huán)原理框圖,。

 

  壓控波形發(fā)生器與鎖相環(huán)電路

  ICL8038是現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的一種單片集成壓控波形發(fā)生器,在0.01~300kHz的范圍里可以同時產(chǎn)生正弦波,、矩形波和三角波,。使用時只需外接少量電阻、電容元件就可以作為壓控振蕩器、調(diào)頻信號發(fā)生器或單片函數(shù)發(fā)生器,。其輸出電平特性為:方波0.2Vsupply(2mA),;三角波幅度為0.33Vsupply,輸出阻抗為200Ω(5mA),;正弦波幅度為0.22Vsupply,,輸出阻抗典型值為1kΩ。

  MC145151-2是MC145151-1的性能改進(jìn)產(chǎn)品,,功耗降低而ESD和鎖定性能則大有改進(jìn),。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。本器件集成了參考振蕩器,、可選參考頻率分頻器,、數(shù)字相位鑒相器" title="鑒相器">鑒相器和14位可編程的除N計(jì)數(shù)器。

  該芯片具有以下特點(diǎn):由于采用 CMOS工藝而具有低功耗,,電壓范圍為3~9V,;具有片上或離片參考振蕩器的操作條件;有兩路鑒相信號輸出,,其中PDout是鑒相器A的輸出,,ФR、ФV是鑒相器B的輸出,,是鑒相誤差信號,,LD用來輸出相位鎖定信號;除N的范圍為3~16383,;8個用戶可選的除R值分別為8,、128、256,、512,、1024、2048,、4096和8192,,分別對應(yīng)RA2~RA0從000到111的8個狀態(tài)。

  正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)

 

  本文設(shè)計(jì)的電路主要由一個基本鎖相環(huán)和產(chǎn)生參考頻率的電路兩部分組成,,原理框圖如圖1所示,。其基準(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,。虛線框中的電路是頻率合成器的核心部分即鎖相環(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可以方便地獲得大量離散頻率的輸出信號。

圖2:正弦波發(fā)生電路,。

  這里的鎖相環(huán)與典型的高頻鎖相環(huán)電路相比有兩處改動:一是添加了鑒相器前的晶振整形和分頻電路,,采用該電路是為了獲得低頻率的基準(zhǔn)信號;二是壓控振蕩器選擇了工作在低頻范圍內(nèi)的器件,,這是低頻率的基準(zhǔn)信號要求的,。

  在如圖2所示的電路中,晶振選用2MHz的溫度補(bǔ)償晶體,,它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-8,選擇鑒相器A或鑒相器B均可,。本文選用鑒相器A,PDout輸出接一個RC濾波器,。若選用鑒相器B,,Фr和ФV輸出接有源低通濾波器。MC145151-2的LD用來指示回路鎖定,,外接一個LED,,出現(xiàn)失鎖時該LED將閃爍。圖2中的振蕩器部分采用了MC145151-2的片上振蕩形式,,兩個電容分別為39P和27P,。MC145151-2的固定分頻器分頻系數(shù)選擇為8192,2M信號經(jīng)分頻后是244.14Hz,,將該信號作為基準(zhǔn)頻率輸入鑒相器,。振蕩器也可以選擇離片形式,還可以增加分頻系數(shù)以進(jìn)一步降低基準(zhǔn)頻率,。具體電路如圖2所示,兩個電阻都是1kΩ,,電容為0.01μF的獨(dú)石電容?;阪i相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生電路如圖3所示,。

  電路調(diào)試

  鎖相環(huán)電路調(diào)試比較麻煩,很容易失鎖,,在實(shí)現(xiàn)本電路的過程中應(yīng)注意以下問題:

  1. MC145151-2中的除R分頻器在片內(nèi)已內(nèi)接了上拉電阻,,所以RA0~RA1置“1”時只需懸空,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+5V,。MC145151-2對輸入的電平有要求,,在+5V電源條件下,輸入方波的高電平不能超過+5V,,低電平不能低于+1.5V,。

    圖3:基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器,。
  3. MC145151-2鑒相輸出電壓與ICL8038控制電平的匹配,這是整個電路實(shí)現(xiàn)中比較重要的問題,。為解決這個問題,,把ICL8038接成直流電源分壓控制的函數(shù)發(fā)生電路。ICL8038的電壓控制范圍是2/3(|VCC|+|-VEE|)+2V<V<|VCC|+|-VEE|,。用一個可變電阻改變分壓比,,觀察ICL8038的輸出頻率,發(fā)現(xiàn)輸出信號的頻率隨控制電壓的升高而降低,。在±6V電源,、CT=4700P、RT=4.7K的條件下,,控制電壓為+2.6V(相對于-VEE為8.6V)時輸出頻率是11.48kHz,;在控制電壓為+5.6V(相對于-VEE 為11.6V)時輸出頻率是182Hz,電壓再高將出現(xiàn)波形失真,。
  4. MC145151-2的鑒相輸出經(jīng)過濾波后的直流電平為+2V至+3V之間,,可以控制ICL8038,但是電壓變化范圍太小,,能控的頻點(diǎn)有限,,因此必須加放大器。而且,,直接用濾波輸出電壓控制ICL8038將很難調(diào)整到MC145151-2能鎖定的幾個頻點(diǎn),。圖3中U2是放大器,U1是跟隨器,,采用跟隨器是由于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,電壓將跌為零,放大器沒有輸出,,必須要加一級跟隨器進(jìn)行阻抗匹配,。表1:幾種主要的正弦波產(chǎn)生方法的性能比較。
  5. 放大器U2放大倍數(shù)的選擇,。由于濾波輸出電壓已落在控制范圍內(nèi),,只是變化范圍比較小,放大倍數(shù)選得太大將會超出ICL8038的最高控制電平,,從而造成MC145151-2失鎖,;但是太小的話,變化范圍又不夠,,與直接用濾波電壓沒什么區(qū)別,。圖中所選3K和5K電阻是反復(fù)試驗(yàn)后的結(jié)果。
  6. ICL8038振蕩電容的選擇,。在RT=4.7K,、CT=4700P的條件下,, PLL電路的頻率變化范圍在8.301K~15.381K之間,,低于8.301K仍有波形,,但是這時已趨于失鎖的邊緣,穩(wěn)定度不夠理想,。若要產(chǎn)生頻率范圍更大信號就需要更換電容,,改變頻段。圖3所示的電容可以產(chǎn)生100Hz~100kHz的輸出信號,。
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