基于鎖相環(huán)的正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

陳帥鋒，侯曉偉

（1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 中南礦用產(chǎn)品檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司，河南 平頂山 467000；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

正弦信號(hào)發(fā)生器是電子實(shí)驗(yàn)室常用的設(shè)備，其頻率和振幅穩(wěn)定性是關(guān)鍵的性能指標(biāo)，其中尤以頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性最為重要[1-2]。

目前，廣泛使用的是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但能夠用數(shù)控方式進(jìn)行頻率設(shè)定、間隔步進(jìn)和穩(wěn)頻輸出的很少，且價(jià)格昂貴。所以，研究低成本、小體積、便攜式的正弦信號(hào)發(fā)生器具有一定的實(shí)際意義，可廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室研究、通信等領(lǐng)域[3]。

信號(hào)發(fā)生器的核心技術(shù)是頻率合成技術(shù)，主要方法有:直接模擬頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成（PLL）、直接數(shù)字合成（DDS）[3-4]。 模擬頻率直接合成的信號(hào)發(fā)生器電路復(fù)雜，缺乏靈活性、穩(wěn)定性較低[5-6]；PLL技術(shù)比較成熟，具有頻率穩(wěn)定度高、準(zhǔn)確性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，但輸出信號(hào)頻率只能以間隔步進(jìn)調(diào)整[7-9]；DDS是開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)反饋環(huán)節(jié)，其合成頻率的時(shí)間快，頻率穩(wěn)定度高，但電路復(fù)雜、成本高[4]?；诖?，文中設(shè)計(jì)了一種基于鎖相環(huán)的正弦信號(hào)發(fā)生器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該正弦信號(hào)發(fā)生器主要有以下幾個(gè)模塊組成：RC正弦波振蕩器、整形電路、R分頻電路、鎖相環(huán)（包括鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器）和輸出匹配電路?？傮w圖如圖1所示。

圖1 正弦信號(hào)發(fā)生器組成框圖Fig.1 Schematic of sine-wave generator

該設(shè)計(jì)是用較為簡(jiǎn)單的RC正弦波振蕩器產(chǎn)生所要求的正弦波，用整形電路進(jìn)行適當(dāng)整形，再用R分頻電路給出符合要求的一定頻率的信號(hào)送入鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是用ADI公司生產(chǎn)的ADF4106芯片及外圍電路組成的。從鎖相環(huán)出來(lái)的信號(hào)再經(jīng)過(guò)匹配輸出電路的整形、濾波等操作，實(shí)現(xiàn)最終的信號(hào)要求。

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 RC正弦波振蕩器

如圖2所示，采用的RC正弦波振蕩器是線性電子電路課程中使用的較為普遍的一個(gè)電路。它由LM741放大器、滑動(dòng)變阻器、電阻、電容等基本元件構(gòu)成。

2.2 整形電路

該設(shè)計(jì)是用兩個(gè)運(yùn)放TLV2272和TLV2772和一些電阻所構(gòu)成的單電源施密特觸發(fā)器整形電路，如圖3所示。

圖2 RC正弦波振蕩器Fig.2 Oscillator of RC sine-wave

圖3 單電源施密特觸發(fā)器整形電路Fig.3 Schmitt toggle shaping circuit of single powe

2.3 R分頻電路

如圖4所示，R分頻電路使是用555定時(shí)器構(gòu)成的的任意分頻電路，分頻系數(shù)R可以達(dá)到10以上。這里555定時(shí)器以一個(gè)單穩(wěn)電路，單穩(wěn)延遲時(shí)間為：

Td≈1.1R2C2。假設(shè)輸入頻率 fin的周期為 T，要求作R分頻的話，那么 Td應(yīng)滿足：（R-1）T＜Td＜RT。 要獲得所需要的頻率，可以選擇合適的Td、R2、C2值，實(shí)現(xiàn)所需要的輸出頻率。

圖4 555定時(shí)器構(gòu)成的任意R分頻電路Fig.4 Arbitrary R frequency dividing circuit consist of 555 timer

2.4 鎖相環(huán)電路

鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PD）、低通濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）3部分組成，如圖5所示。

壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)Ui與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和Uo兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud。這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）稱作相位相定。

圖5 鎖相環(huán)組成框圖Fig.5 Schematic of phase-loop lock

當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號(hào)的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化，如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號(hào)頻率，并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號(hào)頻率f1不等于VCO輸出信號(hào)頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器，以滿足不同工作的需要。 過(guò)去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)。

2.4.1 鑒相器的選擇

鑒相器是這一種電路，它的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差成比例。很多種結(jié)構(gòu)的電路都可以完成這種功能。在混合信號(hào)鎖相環(huán)系統(tǒng)中，主要使用4種鑒相器：乘法鑒相器、EXOR鑒相器、JK觸發(fā)型鑒相器和鑒頻/鑒相器。

乘法鑒相器廣泛應(yīng)用于線性鎖相環(huán)（LPLL）中。在鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鑒相器可以表示為一個(gè)增益為Kd的零階模塊。EXOR鑒相器的工作原理與線性乘法器類似。DPLL數(shù)字鎖相環(huán)的信號(hào)都是二進(jìn)制信號(hào)，例如方波，宜于采用EXOR鑒相器。JK觸發(fā)型鑒相器：這種類型的JK觸發(fā)器不同于傳統(tǒng)的JK觸發(fā)器，因?yàn)樗沁呇赜|發(fā)的。鑒頻/鑒相器（PFD）：PFD與前面所述的鑒相器有很大不同，它的輸出信號(hào)不僅與相位誤差有關(guān)，而且在未達(dá)到捕獲狀態(tài)時(shí)還與頻率誤差有關(guān)。由于PFD的輸出信號(hào)在鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)與相位誤差有關(guān)，在未鎖定狀態(tài)時(shí)與頻率誤差有關(guān)，因此，帶有PFD的鎖相環(huán)在任何條件下都能夠獲得鎖定，不管使用什么類型的環(huán)路濾波器。基于這個(gè)原因，在該設(shè)計(jì)中，采用PFD作為鑒相器。

2.4.2 環(huán)路濾波器的選擇

鑒相器的輸出信號(hào)包含很多分量，在鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，這些分量的第一項(xiàng)為“直流”分量，而且近似與相位誤差成比例，這是所需要的信號(hào)分量；剩下的分量都是些高頻分量，是多余分量，必須被環(huán)路濾波器濾除。由于環(huán)路濾波器必須讓低頻分量通過(guò)而抑制高頻分量，因此它必須是一個(gè)低通濾波器，因此鎖相環(huán)的濾波器又稱為環(huán)路低通濾波器。

無(wú)源與有源的選擇：有源濾波器因?yàn)椴捎梅糯笃鞫朐肼?，所以采用有源濾波器的PLL產(chǎn)生的相位噪聲性能會(huì)比采用無(wú)源濾波器的PLL輸出差，因此在設(shè)計(jì)中盡量采用無(wú)源濾波器。另外，所設(shè)計(jì)的環(huán)路濾波器的帶寬不能很大（例如200 Hz），否則構(gòu)成濾波器的電容會(huì)很大，電阻會(huì)很小。通常情況下，環(huán)路的帶寬設(shè)置為鑒相頻率的1/10或1/20。本設(shè)計(jì)采用三階無(wú)源濾波器。

2.4.3 受控振蕩器的選擇

受控振蕩器有兩種類型：電壓控制振蕩器（VCO）和電流控制振蕩器（CCO）。它們的不同在于，前者輸入（控制）信號(hào)為電壓信號(hào)，后者輸入（控制）信號(hào)為電流。該設(shè)計(jì)選擇VCO。在選擇VCO時(shí)，盡量選擇VCO的輸出頻率對(duì)應(yīng)的控制電壓在可用調(diào)諧電壓范圍的中點(diǎn)。選用低控制電壓的VCO可簡(jiǎn)化PLL設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)鎖相環(huán)系統(tǒng)時(shí)，必須確定VCO的兩個(gè)參數(shù)：中心頻率和VCO增益，在實(shí)際的VCO電路中，這些參數(shù)通過(guò)外部元件，如電阻、電容來(lái)設(shè)置。

2.4.4 分頻器的設(shè)置

該設(shè)計(jì)中需要使用分頻器來(lái)進(jìn)行分頻，以實(shí)現(xiàn)所需要的頻率。分頻器通常由觸發(fā)器（如RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或是T觸發(fā)器）級(jí)聯(lián)而成。一個(gè)JK觸發(fā)器可以將加到它的時(shí)鐘輸入端的信號(hào)2分頻，兩個(gè)就是4分頻，等等。任意值的分頻因子（例如分頻因子不是2的冪函數(shù)）可以通過(guò)在計(jì)數(shù)電路中增加門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 匹配輸出電路

在匹配輸出電路端，需連接上一個(gè)放大器和一個(gè)阻抗匹配電路，這樣輸出信號(hào)可以被有效地放大、匹配，易于觀察。

3 仿真及輸出結(jié)果

3.1 RC正弦波振蕩器仿真

如圖6所示，它使用基于Hspice CMOS電路模擬與設(shè)計(jì)軟件Hspice2003，通過(guò)設(shè)置RC正弦濾波器電路的電阻電容等參數(shù)，所得到的其中的一組仿真波形。

3.2 鎖相環(huán)仿真

圖6 Hspice所產(chǎn)生的兩組RC正弦波振蕩器仿真波形Fig.6 Two groups of RC sine-wave simulation waveform produced by Hspice

鎖相環(huán)仿真是采用ADI公司開發(fā)的ADIsimPLL軟件進(jìn)行的。ADI所開發(fā)的ADF系列鎖相環(huán)產(chǎn)品所能綜合的頻率可達(dá)8 GHz，幾乎可以涵蓋目前所有無(wú)線通信系統(tǒng)的頻段。仿真所采用的芯片為ADF4106/ADF4107，它集鑒相器及分頻器雙重功能于一身。整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)仿真框圖還包括參考頻率源、三階無(wú)源環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和鎖定檢測(cè)輸出等部分組成，如圖7所示。

仿真條件：1）系統(tǒng)級(jí)：最大最小頻率分別為 10 MHz和20 MHz，通道間隔為 25 kHz，鑒相器頻率為 25 kHz，設(shè)計(jì)頻率為 14.142 14 MHz；2）參考頻率為 10 MHz；3）VCO:調(diào)整規(guī)則（tuning law）為兩點(diǎn)法，它是壓控振蕩器控制電壓與輸出頻率的關(guān)系規(guī)律，兩點(diǎn)法是良好的線性關(guān)系規(guī)則；4）采用芯片為ADF4106，主要分頻器分頻系數(shù)為8，最大頻率為6 GHz；參考分頻器最大頻率為300 MHz，鑒相器工作形式為電荷泵方式，重置頻率為5.1 kHz（最小頻率為3 kHz，最大頻率為11 kHz）；5）環(huán)路濾波器：采用的是三階無(wú)源環(huán)路濾波器，特殊性能為相位裕度，環(huán)路帶寬為2.5 kHz，相位裕度為45degree，C1、C2、C3值 分 別 為 26.5 nF、361 nF、12.1 nF，R1、R2分別為 494 Ω、1.01 kΩ；6）鎖定檢測(cè)電路：R20、R21分別為 3 kΩ、480 kΩ，C20為 3.33 nF，Vcc 為 3 V；7）頻域：最小與最大頻率10 Hz與 1 MHz，分析點(diǎn)頻率是 14.15 MHz；8）時(shí)域：采用的分析方法為頻率改變法（前提是環(huán)路鎖定在開始頻率，且t=0，結(jié)束在截止頻率上），開始頻率為10 MHz，截止時(shí)間為2.30 ms，最大時(shí)間步長(zhǎng)為2 μs。以下分別為頻域、時(shí)域的仿真結(jié)果。

3.2.1 頻域仿真

圖8～圖11分別表示在頻域仿真條件下，該鎖相環(huán)在14.1 MHz時(shí)的開環(huán)增益、閉環(huán)增益、相位噪聲和頻率調(diào)制響應(yīng)。

3.2.2 時(shí)域仿真

圖7 芯片ADF4106及外圍電路組成的鎖相環(huán)仿真框圖Fig.7 simulation schematic consist of chip ADF4160 and peripheral circuits

圖8 在14.1 MHz時(shí)的開環(huán)增益Fig.8 Open-loop gain at 14.1 MHz

圖9 在14.1 MHz時(shí)的閉環(huán)增Fig.9 Closed-loop gain at 14.1 MHz

圖12～圖15分別表示在時(shí)域仿真條件下，該鎖相環(huán)隨時(shí)間變化的頻率變化、輸出相位誤差、頻率誤差的絕對(duì)值以及鎖定檢測(cè)輸出電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖10 在14.1 MHz時(shí)的相位噪聲Fig.10 Phase noise at 14.1 MHz

圖11 在14.1MHz的頻率調(diào)制響應(yīng)Fig.11 Frequency modulation response at 14.1 MHz

由RC正弦波振蕩器輸出的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形后可以滿足該設(shè)計(jì)的要求，再經(jīng)過(guò)R分頻器分頻電路進(jìn)行分頻（分頻系數(shù)可達(dá)10以上），可獲得一定范圍內(nèi)的符合要求的信號(hào)。鎖相環(huán)中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)前提是：VCO的頻率為14.142 MHz，Kv為4.00 MHz/V；鎖相環(huán)的頻域仿真是在輸出頻率為14.15 MHz的條件下進(jìn)行的；對(duì)于相位抖動(dòng)可采用10～100 kHz的矩形濾波器進(jìn)行濾波，其相位抖動(dòng)為0.00degree rms；通道中心頻率為 25 kHz，載波頻率為 15.0 kHz，功率為-91.4 dBc；鎖相環(huán)的瞬態(tài)分析：頻率變化范圍為10～20 MHz，仿真時(shí)間為2.30 ms；頻率鎖定：鎖定到1 kHz的時(shí)間是1.32 ms，鎖定到10 Hz的時(shí)間是2.06 ms，；相位鎖定 （VCO輸出相位）：鎖定到10.0degree的時(shí)間是 1.57 ms，鎖定到 1degree的時(shí)間為1.92 ms，這些說(shuō)明了該鎖相環(huán)可以迅速的鎖定信號(hào)的頻率和相位，滿足信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定性的要求。

圖12 隨時(shí)間變化的頻率變化Fig.12 Frequency varying with the time

圖13 隨時(shí)間變化的輸出相位誤差Fig.13 Output phase error varying with the time

圖14 隨時(shí)間變化的頻率誤差的絕對(duì)值Fig.14 Absolute value of frequenc error varying with the time

圖15 隨時(shí)間變化的鎖定檢測(cè)輸出電壓Fig.15 Output voltage of lock detector varying with the time

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于鎖相環(huán)的正弦信號(hào)發(fā)生器，包括RC正弦波振蕩器、整形電路、分頻電路、鎖相環(huán)、匹配輸出電路等部分，給出了較為具體的各模塊框圖以及仿真結(jié)果，并進(jìn)行了分析。證明了所設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生器在適用范圍、靈敏度、穩(wěn)定性等指標(biāo)方面，可以較好的滿足要求，擴(kuò)展了鎖相環(huán)的應(yīng)用領(lǐng)域，是一種積極的探索。

[1]Roland E.Best.鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].李永明，等譯.5版.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[2]Floyd M.Gardner.鎖相環(huán)技術(shù) [M].姚劍清，等譯.3版.北京:人民郵電出版社，2007.

[3]劉平，來(lái)新泉，樓順天，等.基于鎖相環(huán)的低頻函數(shù)發(fā)生器[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007（12）:36-39.

LIU Ping，LAI Xin-quan，LOU Shun-tian，et al.Low frequency function generator based on phase-locked loop[J].Electronic Design Engineering，2007（12）:36-39.

[4]陳鵬.基于DDS的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（9）:103-105.CHEN Peng.Design of waveform generator based on the DDS[J].Modern Electronics Technique，2009（9）:103-105.

[5]樂(lè)翔，秦士，錢強(qiáng).基于鎖相環(huán)的調(diào)頻脈沖發(fā)生器[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997，37（10）:34-36.

LE Xiang，QIN Shi，QIAN Qiang.Frequency modulation pulse generatorbasedonthephase-lockedloop[J].JournalofTsinghua University：Science and Technology，1997，37（10）:34-36.

[6]李偉，高志紅.基于鎖相環(huán)的高穩(wěn)定高頻正弦信號(hào)發(fā)生器[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，19（1）:75-78.

LI Wei，GAO Zhi-hong.High stability of high frequency sine-wave generator based on phase-locked loop[J].Journal

of Test and Measurement Technology，2005，19（1）:75-78.

[7]陳蜀勇.基于PLL的信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（11）:98-99.

CHEN Shu-yong.An realization for signal generator based on PLL[J].Control and Automation Publication Group，2004， 20（11）:98-99.

[8]彭進(jìn)忠，王軍成，莫亭亭，等.基于小數(shù)分頻的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J].電子與封裝，2008，8（9）:15-18.

PENG Jin-zhong，WANG Jun-cheng，MO Ting-ting，et al.Fraction-Nphase-locked loop design[J].Electronics&Packaging，2008，8（9）:15-18.

[9]張坤，陳義，張子才.基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（19）:110-112.

ZHANG Kun，CHEN Yi，ZHANG Zi-cai.Design of frequency synthesizer based on PLL[J].Modern Electronics Technique，2009（19）:110-112.