基于TRAC器件的鎖相環(huán)設計研究

鎖相環(huán)

鎖相環(huán)

關(guān)鍵詞：可編程 模擬電路 鎖相環(huán) 單片機

完全可重配置模擬電路（Total Reconfigurable Analog Circuit，簡(jiǎn)稱(chēng)TRAC）是英國Fast Analog Solutions Ltd(簡(jiǎn)稱(chēng)FAS)出品的現場(chǎng)可編程模擬器件系列產(chǎn)品的總稱(chēng)，包括TRAC系列器件和TRAC開(kāi)發(fā)軟件。它們憑借獨有的函數級器件結構與簡(jiǎn)便易用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的共同支持，可以很好地貫徹和實(shí)施自頂向下的結構化設計準則。設計者可以用傳遞函數和數學(xué)表達式描述被研究的問(wèn)題，了解模擬電路的基本知識就可以完成硬件電路的設計。從設計描述、驗證到用戶(hù)獲得所需功能的芯片，數分鐘內就可完成。這對加速電路設計、降低設計風(fēng)險等發(fā)揮了重要作用，克服了模擬電路設計需要不斷改進(jìn)、調試困難的弊端，使模擬電路的設計向自動(dòng)化的發(fā)展方向邁出了一大步。

1 TRAC的基本結構和設計思想

TRAC020LH是TRAC系列的低功耗版本。和該系列其它芯片一樣，它利用獨特的基于數學(xué)運算的功能集，為模擬電路設計問(wèn)題提供了一個(gè)基于宏的解決方案?，F以它為例簡(jiǎn)要介紹如下。

其核心部分是20個(gè)首尾相接的可編程基本單元（Cell），每個(gè)基本單元均包含一個(gè)雙端輸入、單端輸出的可編程模擬單元和一個(gè)長(cháng)度為3位的移位寄存器；每個(gè)單元均具備8種數學(xué)運算功能，分別為ADD（加法）、NEGATE（取負）、LOG（對數）、ALOG（反對數）、RECTIFY（半波整流）、NON-INVERTING PASS（單位增益直通）、AUX（輔助運算，包括放大、微分和積分三種子功能）及OFF（斷路）。模擬單元具體實(shí)現何種數學(xué)運算功能，取決于移位寄存器中3位配置數。上面8種配置數據分別為：110、010、011、010、111、001、100、000。

圖5 AUX的三種子功能組態(tài)及外部連接

ADD功能組態(tài)用圖1所示的簡(jiǎn)單模擬表示。當三個(gè)電阻取一樣的數值時(shí)，則有

V0=-R(Va/R+Vb/R)=-(Va+Vb)

NEGATE(取負)功能組態(tài)只有一個(gè)輸入端，輸出與輸入信號反相。

LOG（對數）功能組態(tài)用圖2所示的電路表示。三極管的這種接法相當于兩支二極管反向并聯(lián)。由三極管的伏安特性可得

V0=-kT/qLog(V/RI0+1)

其中k為玻耳茲曼（Boltzmann）常數，T為絕對溫度，q為電子電量，Io為二極管的反向飽和電流。此處R=20kΩ,Io=10 -4A。代入上式中有

Vo=-0.0125Log(Va/RI0+1)

ALOG（反對數）功能組態(tài)如圖3所示。只要將對數運算功能組態(tài)中二極管和電阻的位置對換即可，輸出電壓為

V0=-RI0(expqVa/kT-1)

RECTIFY（半波整數）功能組態(tài)如圖4所示。當輸入交流信號時(shí)，上半軸信號二極管處于截止狀態(tài)，輸出為零；下半軸信號二極管處于導通狀態(tài)，輸出與輸入信號一致，因而實(shí)現了半波整流功能。

AUX（輔助運算）功能組態(tài)在可編程模擬單元中提供了一個(gè)同相端接地的開(kāi)環(huán)運算放大器。要實(shí)現包括Amplify(放大)、Differentiate（微分）和Integrate(積分)三種子功能，還必須在外部輸入信號Va和放大器反相端以及反相端和輸出端間接入所需的外部元件，各自的放大倍數（Rf/Rs）或RC時(shí)間常數在電路設計配置時(shí)輸入，仿真啟動(dòng)時(shí)就能采用，如圖5（a）、(b)、(c)所示。

OFF（斷路）功能組態(tài)是指信號不能通過(guò)，處于阻斷狀態(tài)。

圖7 鑒相器和一階低通濾波的TRAC設計及仿真結果

從TRAC的20個(gè)單元結構可知，OFF功能組態(tài)至少用于下列兩種情況：

①當需要將外部信號或外部連接線(xiàn)（link）引入單元時(shí)，該單元的左邊單元需要指定為OFF；

②使用AUX功能組態(tài)時(shí)，需要接入外部的R、C等元器件，則它左邊的單元需要指定為OFF。

正是由于TRAC的這種結構和數學(xué)功能集的靈活搭配，設計者只要根據設計目標所要求的電路功能，考慮目標相應的數學(xué)運算，再結合TRAC器件內的8種功能組態(tài)、內部連接形式和實(shí)際經(jīng)驗，就可初步畫(huà)出電路的框圖。在此過(guò)程中應遵循結構化的設計思想，自頂向下，按層次分解，最后將整個(gè)電路分解成若干個(gè)TRAC的功能組態(tài)，輸入并仿真，直到與要求相符。設計者可以用“一拖一放”的簡(jiǎn)單動(dòng)作完成各種復雜模擬電路的設計。在這一點(diǎn)上，TRAC比Lattice公司生產(chǎn)的ispPAC系列靈活得多。

2 鎖相環(huán)電路功能及設計

2.1 鎖相環(huán)簡(jiǎn)介

鎖相環(huán)（PLL）是一個(gè)相位負反饋控制系統，主要由鑒相器（PD）、環(huán)路低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）三個(gè)基本部分組成，如圖6所示。鑒相器是相位比較裝置，用來(lái)檢測輸入信號和反饋信號之間低通濾波器用于將鑒相器的輸出信號的高頻成分濾掉，進(jìn)行平均，獲得直流誤差輸出，通常用有源低通濾波器來(lái)實(shí)現；壓控振蕩器是一個(gè)電壓-頻率變換裝置，振蕩頻率應隨輸入電壓線(xiàn)性變化，輸出信號反饋到鑒相器的一個(gè)輸入端，對鑒相器起作用的是其相位信號。從整體上來(lái)說(shuō)，輸入與輸出信號頻率差不斷減小，直到差值為零，進(jìn)入鎖定狀態(tài)，相差等于一個(gè)極小的數值，實(shí)現頻率跟蹤。下面分二個(gè)部分用TRAC實(shí)現鎖相環(huán)，并給出各自的仿真結果。

2.2 鑒相器和環(huán)路濾波器的設計

鑒相器用一個(gè)四象限乘法器來(lái)實(shí)現。用TRAC設計的頁(yè)和仿真結果如圖7所示。其中外部信號從第一頁(yè)的I/O1和I/O11輸入，從第二頁(yè)的I/O27輸出，完成相位檢測功能；然后從第二頁(yè)的3單元（I/O27）進(jìn)入有源一階低通濾波器，直流誤差電壓從I/O30輸出。I/O2和I/O12的DC直流電壓信號的輸入，是為了保證乘法器可工作于正負極性信號。當然，所有輸入信號不能超過(guò)它們的最大幅度限制。I/O18的DC直流電壓信號用于補償實(shí)際應用過(guò)程中失調電壓和增益的誤差，一般用電器分壓實(shí)現。I/O31與I/O33、I/O33與I/O35間的外接R、C決定濾波器的截止頻率，影響鎖相環(huán)跟蹤輸入信號頻率變化的速度，同時(shí)也限制捕捉范圍。時(shí)間常數過(guò)長(cháng)，會(huì )使環(huán)路跟蹤較快變化的頻率信號時(shí)，引起較長(cháng)時(shí)間的延遲；時(shí)間常數過(guò)短，輸出電壓變化較快，將引起壓控振蕩器的變化無(wú)常。因此，要根據系統的要求和輸入信號的情況合理調整。仿真結果為兩輸入信號相位差為36時(shí)的輸出電壓。

2.3 壓控振蕩器的設計

壓控振蕩器可以用圖8所示的框圖表示。設計的頁(yè)和仿真結構如圖9所示。

其中輸入電壓從I/O1進(jìn)入，從I/O13輸入。I/O14的DC信號為起振信號，仿真時(shí)要一個(gè)直流電壓，應用時(shí)可根據實(shí)際情況來(lái)定。例如，在感應加熱中利用鎖相環(huán)進(jìn)行逆變器諧振頻率跟蹤，啟動(dòng)時(shí)需要一個(gè)它激的過(guò)程，完全可以在此端加上一定大小的電壓來(lái)達到目的。

圖9 壓控振蕩器TRAC設計及的仿真結果

3 TRAC的配置

設計好的文件可通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與微機、嵌入式微處理器、單片機或EPROM等相連接。在上電時(shí)，自動(dòng)裝入配置數據并存儲在IRAC的移位寄存器中，自動(dòng)配置成與配置數據相對應的功能組態(tài)。其中最典型的做法是利用TRAC-S2。圖10是利用Microchip的PIC12C508A對TRAC020LH配置的應用電路。實(shí)際應用時(shí)，將上述的4頁(yè)設計合理分配為3頁(yè)，然后把前面每個(gè)芯片的DOUT引腳和后面芯片的DATA引腳相連，PD引腳連在一起。PIC12C508C是市面上體積最小的單片機，只有8個(gè)引腳，價(jià)格低廉，編程界面方便。在利用MPLAB對PIC12C508燒寫(xiě)程序時(shí)，要關(guān)閉看門(mén)狗，啟用內部振蕩器。特別是編寫(xiě)配置數據時(shí)要注意RTAC中最后單元的配置數據在前，第個(gè)單元的在最后。

圖10 RTAC020LH配置應用電路

結語(yǔ)

前述所設計的鎖相環(huán)最高頻率可達50kHz，若采用快速乘法器，設計頻率最高可達1MHz，更為重要的是頻率穩定度好，線(xiàn)性區域寬。

TRAC系列可編程模擬器件利用獨特的結構，使這計者利用描述電路行為和特性或數學(xué)運算，就可以實(shí)現各種各樣的模擬電路，“所見(jiàn)即所得”，為低風(fēng)險、高速度地獲取可行的硅（電路）解決方案提供了集成化的途徑；但也有其缺點(diǎn)，比如可重配置電路沒(méi)有ispPAC系列方便，增加了外圍電路的復雜性。