1 引言

電子系統中經常需要采用頻率和幅度可調的正弦波信號作為基準或載波信號。而正弦波信號主要是由模擬電路和DDS （Direct Digital Synthesis）兩種方式產生。基于DDS 技術的產品雖然功能齊全、性能指標高， 但是成本也高。本文介紹了一種基于MC145151- 2 和ICL8038 的低頻鎖相環函數發生器， 該函數發生器具有頻率穩定性高、結構簡單、成本低、體積小、便于攜帶等特點。

2 鎖相環的工作原理

鎖相環路實質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， 通過環路自身調整來實現頻率準確跟蹤， 該系統稱為鎖相環路（ 簡稱環路） , 通常用PLL 表示。鎖相環路是由鑒相器（PD）、環路濾波器（ LPF 或LF） 和壓控振蕩器（ 簡稱VCO） 3 部分組成的閉合系統。鎖相環組成的原理框圖如圖1 所示。

圖1 鎖相組成環原理框圖

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換成電壓信號UD（ t） 輸出， 該信號經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 條并行輸入數據線實現N 計數器和R計數器編程， 內部集成了參考振蕩器、可選參考頻率分頻器、數字相位鑒相器和14 位可編程的除N計數器。該器件具有以下特點： 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 值分別對應于RA2~RA0 組成的8 個狀態。

3.2 ICL8038 簡介

ICL8038 是一款可輸出多種波形的精密振蕩器， 只需調整個別的外部元件就能產生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， 由于該器件具有調頻信號輸入端， 因此可對低頻信號進行頻率調制。

ICL8038 主要特點：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 正弦波發生器設計

正弦波發生器主要是由參考頻率、基本鎖相環和匹配輸出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） , 由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器等組成。系統輸出信號的頻率為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 正弦波發生器原理框圖

本設計的鎖相環與典型的高頻鎖相環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的器件。

4.1 參考頻率電路設計

一般函數發生器的基準頻率通常由相對頻率穩定度為10- 6 的晶體振蕩器產生， 經R 倍分頻后提供適當的基準頻率。本設計采用頻率穩定度為10- 6的有源晶體振蕩器結合Altera 公司的CPLDEPM3128 實現整形和M分頻電路如圖3 所示。該電路主要由復位電路、上載電路、晶體振蕩器、頻率預置電路組成。參考頻率電路具有以下幾點特性：

通過內部分頻電路預置一系列M分頻后的頻率到I/O 端口通過撥碼開關S2 靈活選擇所需基準頻率，擴展了一定頻率范圍內頻率輸出的頻率點數；利用CPLD 內部資源做為整形電路， 在節省電路板面積的同時減少外部對輸出波形及頻率穩定度的干擾， 提高輸出波形的質量；加強了硬件電路設計的靈活程度， 如當通過調整預置分頻倍數M和外部可變分頻比N 仍不能產生期望的輸出頻點時， 可靈活更改CPLD 內部分頻電路， 改變分頻比R 來產生所需輸出頻點的基準頻率。此外， 如需要對產品升級增加其他功能時也可以利用CPLD 內部資源通過I/O 口與外部電路無縫連接加以實現。

4.2 鎖相環電路設計

鎖相環電路如圖4 所示， 是以MC145151- 2 為核心構成的鑒相器， 通過撥碼開關S4、S5 對應的N0~N13 來設定分頻比N 的數值， N 的取值范圍為3~16 383.此外， 還可通過CB1、CB2、CB3 三個跳線設定RA0、RA1、RA2.MC145151- 2 可為用戶提供8個固定除R 分頻數， 分別為8、128、256、512、1 024、2 048、4 096 和8 192, 分別對應RA2~RA0 從000到111 的8 個狀態。MC145151- 2 提供的2 個鑒相器A 和B 均可以使用， 本設計選用鑒相器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絡構成的低通濾波器。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算放大器構成的信號放大調整電路， 增加控制電壓的動態范圍，實現多頻點輸出的設計要求， 這因為MC145151-2 的鑒相輸出經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 為核心構成的壓控振蕩器電路， 該電路可以通過設置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， 保證有足夠寬的頻率輸出動態范圍， 促使ICL8038 的性能得以充分發揮。

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： 進一步放大輸出信號； 阻抗匹配， 提高信號源的帶載能力， 經驗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 設計及調試

5.1 PCB 設計應注意的問題

在PCB 版圖設計過程中應該注意以下幾點：

要慎重處理模擬地和數字地。要把模擬部分與數字部分分塊布局， 數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字地連接， 再在某一點上將兩地相連；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， 這一點對系統性能的穩定尤為重要；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 電路調試應注意的問題

（ 1） MC145151- 2 的除R 分頻器已內接上拉電阻， 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， 是整個電路實現比較重要的問題。

應將ICL8038 接成直流電源分壓控制的函數發生電路。ICL8038 的電壓控制范圍： 2/3（|VCC|+|- VEE|）+2 V

（ 4） 關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行阻抗匹配。

（ 5） 關于信號放大電路的放大倍數問題。由于濾波輸出電壓跌落在控制范圍內， 但變化范圍小， 如果信號放大電路的放大倍數選擇不當會導致控制電壓太大， 超出ICL8038 的最高控制電平， 從而造成MC145151- 2 失鎖。調試時應先用精密電位器將放大倍數調整后， 再分別測量電位器的阻值， 用相對應的色環電阻進行更換。

6 結束語

基于MC145151- 2 和ICL8038 的低頻鎖相環函數發生器， 能產生低頻段的正弦波、方波、三角多種波形， 電路結構簡單， 其生成的波形平滑、無毛刺、波形穩定度高、頻率穩定度和分辨率高， 具有廣泛的應用前景。