基于锁相环的低频正弦波发生器设计

本文探讨了用锁相技术来产生高频率稳定度的低频信号的方法，并介绍了由ICL8038和MC145151-2构成的低频锁相环函数发生器的设计。该正弦波输出信号的频率稳定度可达到10-8 ，输出频率由所选用的晶振频率以及MC145151-2的分频数决定。

正弦波发生器的应用很广泛，但是适合于低频范围内的高稳定度正弦波电路比较少。表1是几种主要的正弦波产生方法的比较。

从表1中可知，仅采用某一种正弦波产生方法很难实现频率稳定的低频正弦波发生器。本文尝试采用锁相环来实现频率稳定的低频正弦波发生器的设计方法，给出了一种基于MC145151-2和ICL8038芯片的低频锁相环函数发生器。这种低频锁相环函数发生器的稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差。



压控波形发生器与锁相环电路

ICL8038是现在应用非常广泛的一种单片集成压控波形发生器，在0.01～300kHz的范围里可以同时产生正弦波、矩形波和三角波。使用时只需外接少量电阻、电容元件就可以作为压控振荡器、调频信号发生器或单片函数发生器。其输出电平特性为:方波0.2Vsupply(2mA)；三角波幅度为0.33Vsupply，输出阻抗为200Ω(5mA)；正弦波幅度为0.22Vsupply，输出阻抗典型值为1kΩ。

MC145151-2是MC145151-1的性能改进产品，功耗降低而ESD和锁定性能则大有改进。MC145151-2分别用14条和3条并行输入数据线实现N计数器和R计数器编程。本器件集成了参考振荡器、可选参考频率分频器、数字相位鉴相器和14位可编程的除N计数器。

该芯片具有以下特点：由于采用 CMOS工艺而具有低功耗，电压范围为3～9V；具有片上或离片参考振荡器的操作条件；有两路鉴相信号输出，其中PDout是鉴相器A的输出，ФR、ФV是鉴相器B的输出，是鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号；除N的范围为3～16383；8个用户可选的除R值分别为8、128、256、512、1024、2048、4096和8192，分别对应RA2"RA0从000到111的8个状态。

正弦波发生器设计

本文设计的电路主要由一个基本锁相环和产生参考频率的电路两部分组成，原理框图如图1所示。其基准频率通常由相对频率稳定度为10-6的晶体振荡器产生，经R倍分频后提供适当的基准频率。虚线框中的电路是频率合成器的核心部分即锁相环，由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为fout=(N/R)fin，改变分频比N可以方便地获得大量离散频率的输出信号。



这里的锁相环与典型的高频锁相环电路相比有两处改动：一是添加了鉴相器前的晶振整形和分频电路，采用该电路是为了获得低频率的基准信号；二是压控振荡器选择了工作在低频范围内的器件，这是低频率的基准信号要求的。

在如图2所示的电路中，晶振选用2MHz的温度补偿晶体，它的频率稳定度可达10-8,选择鉴相器A或鉴相器B均可。本文选用鉴相器A，PDout输出接一个RC滤波器。若选用鉴相器B，Фr和ФV输出接有源低通滤波器。MC145151-2的LD用来指示回路锁定，外接一个LED，出现失锁时该LED将闪烁。图2中的振荡器部分采用了MC145151-2的片上振荡形式，两个电容分别为39P和27P。MC145151-2的固定分频器分频系数选择为8192，2M信号经分频后是244.14Hz，将该信号作为基准频率输入鉴相器。振荡器也可以选择离片形式，还可以增加分频系数以进一步降低基准频率。具体电路如图2所示,两个电阻都是1kΩ，电容为0.01μF的独石电容。基于锁相环的低频正弦波发生电路如图3所示。

电路调试

锁相环电路调试比较麻烦，很容易失锁，在实现本电路的过程中应注意以下问题：

MC145151-2中的除R分频器在片内已内接了上拉电阻，所以RA0～RA1置“1”时只需悬空，不可接高电平。

ICL8038的方波输出要加上拉电阻，若要与TTL电平兼容，必须接+5V。MC145151-2对输入的电平有要求，在+5V电源条件下，输入方波的高电平不能超过+5V，低电平不能低于+1.5V。



MC145151-2鉴相输出电压与ICL8038控制电平的匹配，这是整个电路实现中比较重要的问题。为解决这个问题，把ICL8038接成直流电源分压控制的函数发生电路。ICL8038的电压控制范围是2/3("VCC|+|-VEE|)+2V＜V＜|VCC|+|-VEE|。用一个可变电阻改变分压比，观察ICL8038的输出频率，发现输出信号的频率随控制电压的升高而降低。在±6V电源、CT=4700P、RT=4.7K的条件下，控制电压为+2.6V(相对于-VEE为8.6V)时输出频率是11.48kHz；在控制电压为+5.6V(相对于-VEE 为11.6V)时输出频率是182Hz，电压再高将出现波形失真。

MC145151-2的鉴相输出经过滤波后的直流电平为+2V至+3V之间，可以控制ICL8038，但是电压变化范围太小，能控的频点有限，因此必须加放大器。而且，直接用滤波输出电压控制ICL8038将很难调整到MC145151-2能锁定的几个频点。图3中U2是放大器，U1是跟随器，采用跟随器是由于OP07的输入阻抗不够大，如果直接把滤波后的电压接入放大器，电压将跌为零,放大器没有输出，必须要加一级跟随器进行阻抗匹配。



放大器U2放大倍数的选择。由于滤波输出电压已落在控制范围内，只是变化范围比较小，放大倍数选得太大将会超出ICL8038的最高控制电平，从而造成MC145151-2失锁；但是太小的话，变化范围又不够，与直接用滤波电压没什么区别。图中所选3K和5K电阻是反复试验后的结果。

ICL8038振荡电容的选择。在RT=4.7K、CT=4700P的条件下， PLL电路的频率变化范围在8.301K～15.381K之间，低于8.301K仍有波形，但是这时已趋于失锁的边缘，稳定度不够理想。若要产生频率范围更大信号就需要更换电容，改变频段。图3所示的电容可以产生100Hz～100kHz的输出信号。