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基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計

發(fā)布日期:2022-07-15 點(diǎn)擊率:39

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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。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。

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)頻率相當(dāng),不產(chǎn)生額外的誤差。基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計 - 1

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~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supply(2mA);三角波幅度為supply,輸出阻抗為200Ω(5mA);正弦波幅度為supply,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計數(shù)器和R計數(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)字相位鑒相器和14位可編程的除N計數(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)計基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計 - 2

本文設(shè)計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。

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,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μF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.基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計 - 3 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+。

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

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。基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計 - 4

4. 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)試驗后的結(jié)果。

5. ICL8038振蕩電容的選擇。在RT=、CT=4700P的條件下,PLL電路的頻率變化范圍在~之間,低于仍有波形,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。

作者:王煜華、蔣傳紀(jì)


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華東師范大學(xué)電子系

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