基於鎖相回路(PLL)的低頻正弦波產生器設計

關鍵字： 鎖相環  壓控振盪器  ICl8038  MC145151-2  PLL 

本文探討了用鎖相技術來產生高頻率穩定度的低頻訊號的方法，並介紹了由ICL8038和MC145151-2構成的低頻鎖相環函數產生器的設計。該正弦波輸出訊號的頻率穩定度可達到10^-8，輸出頻率由所選用的晶振頻率以及MC145151-2的分頻數決定。


正弦波產生器的應用很廣泛，但是適合於低頻範圍內的高穩定度正弦波電路比較少。下表是幾種主要的正弦波產生方法的比較。

從上表中可知，僅採用某一種正弦波產生方法很難實現頻率穩定的低頻正弦波產生器。本文嘗試採用鎖相環來實現頻率穩定的低頻正弦波產生器的設計方法，得到了一種基於MC145152－2和ICL8038晶片的低頻鎖相環函數產生器。這種低頻鎖相環函數產生器的穩定度和準確度與基準頻率相當，不產生額外的誤差。

壓控波形產生器與鎖相環電路

ICL8038是現在應用非常廣泛的一種單片整合壓控波形產生器，在0.01～300kHz的範圍裡可以同時產生正弦波、矩形波和三角波。使用時只需外接少量電阻、電容器元件就可以作為壓控振盪器、調頻訊號產生器或單片函數產生器。其輸出電平特性為:方波0.2V_supply(2mA)；三角波幅度為0.33V_supply，輸出阻抗為200Ω(5mA)；正弦波幅度為0.22V_supply，輸出阻抗典型值為1kΩ。

MC145151-2是MC145151-1的性能改進產品，功耗降低而ESD和鎖定性能則大有改進。MC145151-2分別用14條和3條平行輸入數據線實現N計數器和R計數器編程。本元件整合了參考振盪器、可選參考頻率分頻器、數位相位鑑相器和14位元可程式的除N計數器。

該晶片具有以下特點：由於採用CMOS製程而具有低功耗，電壓範圍為3～9V；具有片上或離片參考振盪器的作業條件；有兩路鑑相訊號輸出，其中PD_out是鑑相器(PFD)ALT="圖2：正弦波產生電路。"> A的輸出，？R、？V是鑑相器B的輸出，是鑑相誤差訊號，LD用來輸出相位鎖定訊號；除N的範圍為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RA2~RA0從000到111的8個狀態。








正弦波產生器設計

本文設計電路主要由一個基本鎖相環和產生參考頻率的電路兩部份組成，原理框圖如圖1所示。其基準頻率通常由相對頻率穩定度為10^-6的晶體振盪器產生，經R倍分頻後提供適當的基準頻率。虛線框中的電路是頻率合成器的核心部份即鎖相環，由鑑相器、低通濾波器和壓控振盪器等組成。系統輸出訊號的頻率為f_out=(N/R)f_in，改變分頻比N可以方便地獲得大量離散頻率的輸出訊號。

這裡的鎖相環與典型的高頻鎖相環電路相較有兩處改動：一是添加了鑑相器前的晶振整形和分頻電路，採用該電路是為了獲得低頻率的基準訊號；二是壓控振盪器選擇了工作在低頻範圍內的元件，這是低頻率的基準訊號要求的。

在如圖2所示的電路中，晶振選用2MHz的溫度補償晶體，它的頻率穩定度可達10^-8，選擇鑑相器A或鑑相器B均可。本文選用鑑相器A，PD_out輸出接一個RC濾波器。若選用鑑相器B，？_r和？_V輸出接主動低通濾波器。MC145151-2的LD用來指示迴路鎖定，外接一個LED，出現失鎖時該LED將閃爍。圖2中的振盪器部份採用了MC145151-2的片上振盪形式，兩個電容器分別為39P和27P。MC145151-2的固定分頻器分頻係數選擇為8192，2M訊號經分頻後是244.14Hz，將該訊號作為基準頻率輸入鑑相器。振盪器也可以選擇離片形式，還可以增加分頻係數以進一步降低基準頻率。具體電路如圖2所示，兩個電阻都是1kΩ，電容器為0.01μ的獨石電容器。基於鎖相環的低頻正弦波產生電路如圖3所示。

圖3：基於鎖相環的低頻正弦波產生器












  電路除錯

鎖相環電路除錯比較麻煩，很容易失鎖，在實現本電路的過程中應注意以下問題：

1. MC145151-2中的除R分頻器在片內已內接了上拉電阻，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電平相容，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，低點平不能低於+1.5V。

3. MC145151-2鑑相輸出電壓與ICL8038控制電平的匹配，這是整個電路實現中比較重要的問題。為解決這個問題，把ICL8038接成直流電源分壓控制的函數產生電路。ICL8038的電壓控制範圍是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，發現輸出訊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(相對於-VEE為8.6V)時輸出頻率是11.48kHZ；在控制電壓為+5.6V(相對於-VEE為11.6V)時輸出頻率是182HZ，電壓再高將出現波形失 真。








MC145151-2的鑑相輸出經過濾波後的直流電平為+2V至+3V之間，可以控制ICL8038，但是電壓變化範圍太小，能控的頻點有限，因此必須加放大器。而且，直接用濾波輸出電壓控制ICL8038將很難調整到MC145151-2能鎖定的幾個頻點。圖3中U2是放大器，U1是跟隨器，採用跟隨器是由於OP07的輸入阻抗不夠大，如果直接把濾波後的電壓接取放大器，電壓將跌為零，放大器沒有輸出，必須要加一級跟隨器進行阻抗匹配。

4. 放大器U2放大倍數的選擇。由於濾波輸出電壓已落在控制範圍內，只是變化範圍比較小，放大倍數選得太大將會超出ICL8038的最高控制電平，因而造成MC145151-2失鎖；但是太小的話，變化範圍又不夠，與直接用濾波電壓沒什麼區別。圖中所選3K和5K電阻是反覆試驗後的結果。

5. ICL8038振盪電容器的選擇。在RT=4.7K、CT=4700P的條件下，PLL電路的頻率變化範圍在8.301k～15.381k之間，低於8.301k仍有波形，但是這時已趨於失鎖的邊緣，穩定度不夠理想。若要產生頻率範圍更大訊號就需要更換電容器，改變頻段。圖3所示的電容器可以產生100Hz～100kHz的輸出訊號。

作者：王煜華、蔣傳紀