多波形数字频率合成器

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多波形数字频率合成器

摘要介绍频率合成器的结构和工作原理，并给出一种由单片机控制、采用大规模数字频率合成器集成电路MC145151和波形产生电路MAX038实现的多波形数字频率合成器的设计方案。

关键词频率合成器数字锁相环波形产生器控制方法

1频率合成器简介

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在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。尤其是随着通信事业的发展，频道的分布日趋密集，要求有高精度、高稳定度的通信频率。用常规的信号发生器无法满足要求。为解决这个难题，人们提出频率合成器的方案。

1.1频率合成的原理

频率合成是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率，经过一系列算术运算，产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。虽然只要求对频率进行算术运算，但是由于需要大量有源和无源器件，使频率合成系统相当复杂，这项技术一直发展缓慢。直至电子技术高度发展的今天，微处理器和大规模集成电路大量使用，频率合成技术才有迅速发展，并得到广泛应用。

1.2锁相频率合成器

频率合成器有多种方法实现，其中利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路，称为锁相频率合成器。由于锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。这些优点使其成为当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频率合成器实现更方便，性能更好。

锁相频率合成器的原理框图如图1所示。其基准频率通常由相对频稳度为
10^-6的晶体振荡器产生，经M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--锁相环，它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为f_o=(N/M)f_i。改变分频比N或M，可方便地获得大量离散频率的输出信号。

图1锁相频率合成器原理框图

1.3锁相环的基本原理

  锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们都包括三个基本的组成部分：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。它们可和÷N电路构成一个闭合的相位反馈控制电路，这里以模拟锁相环例，简要介绍其工作原理。
  鉴相器是一个相位比较电路，其核心是一个乘法器，它把输入信号u_i(t)与输出信号u_o(t)的相位进行比较，产生与两信号的相位差对应的误差电压u_d(t)，实现相位－电压的转换。为了分析方便，设压控振荡器的自由振荡角频率ω_o’为参考频率，则输入信号角频率ω_i和压控振荡器的实际振荡频率ω_o可分别表示为：
  ω_i=ω_o＇+dθ_i(t)/dt (1)
  ω_o=ω_o＇+dθ_o(t)/dt (2)
式中θ_i(t)、θ_o(t)分别是输入信号和输出信号的瞬时相位。设输入信号u_i(t)=U_icos[ω_o＇t+θ_i(t)]，输出信号u_o(t)=U_ocos[ω_o＇t+θ_o(t)+φ_o]，其中φ_o为输出信号的初始相位，为分析方便设φ_o=90°。将u_i(t)和u_o(t)相乘并滤掉高频分量后，误差电压与相位差的关系可表示为：
  u_d(t)=K_dsinθ_e(t)  (3)
式中K_d为鉴相器的鉴相灵敏度，由鉴相器的增益和输入输出信号的幅度决定K_d=K_mU_iU_o/2，θ_e(t)=θ_i(t)–θ_o(t)为输入信号与输出信号的瞬时相位差。
  由于鉴相特性呈正弦函数,在±90°之间θ_e(t)为单值对应关系。而实际上要求θ_e(t)的范围小于±30°，这时，sinθ_e(t)≈θ_e(t)，则鉴相特性近似为线性函数：
  u_d(t)=K_dθ_e(t)
  环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除误差电压中的高频分量和噪声，通常采用有源比例积分滤波器。在运放的开环增益很高时，这种滤波器的性能是非常理想的。

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图2模拟乘法器作为鉴相器

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图3环路滤波器

  压控振荡器VCO是一个电压－频率（或相位）变换电路。其振荡频率f_o受u_c(t)的控制。集成锁相环中的VCO通常为RC弛张振荡器。振荡器的瞬时振荡频率为
  ω_o(t)=ω_o’+S_fu_c(t)(4)
式中ω_o’为压控振荡器的自由振荡角频率，S_f为压控灵敏度，u_c(t)是环路滤波器的输出，设滤波器的冲击响应为f(t)，则u_c(t)为u_d(t)和f(t)的卷积，即u_c(t)=u_d(t)*f(t)
  将（2）式和（4）式比较，可得
  dθ_o(t)/dt=S_fu_c(t)(5)
  以上说明了锁相环中各部件的特性，根据这些特性，可得到环路的基本方程
  dθ_e(t)/dt=Δω_o–S_fK_dsinθ_e(t)*f(t)(6)
式中Δω_o=dθ_i(t)/dt=ω_{i -}ω_o＇
  式（6）是一个非线性微分方程，它完整地描述了环路闭合后所发生的控制过程。方程右边的第一项Δω_o表示输入信号的角频率ω_i偏离VCO自由振荡角频率ω_o＇的数值，称为固有角频差。而方程右边的第二项表示VCO在控制电压u_c(t)的作用下产生振荡角频率偏离ω_o＇的数值，称为控制角频差。dθ_e(t)/dt则表示环路闭合后，VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值，称为剩余角频差。因此方程表明，环路闭合后的任一瞬间，剩余角频差等于固有角频差与控制角频差之差。若输入信号为一固定频率，则固有角频差为一常数，那么在环路进入锁定的过程中，控制角频差会不断增大，当增大到等于固有角频差Δω_o时，即dθ_e(t)=0，θ_e(t)=θ_i(t)-θ_o(t)为一固定值，误差电压u_d(t)=K_dsinθ_e(t)也保持不变，则VCO的振荡频率ω_o等于输入信号频率ω_i，环路便进入锁定状态，压控振荡器输出稳定而准确的信号频率。

2多波形数字频率合成器设计方案

这里给出一设计实例，是用频率合成技术实现的多波形信号发生器。设计要求能输出方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形；要求采用数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当；要求使用单片机进行控制，用键盘设置波形和频率，并用LED显示。输出信号的频率分成两档：高档频率范围为25kHz～16383kHz，按基准频率1kHz为单位设置；低档频率范围为100Hz～16380Hz，按基准频率10Hz为单位设置。以下简单介绍电路的结构和特点。

2.1电路结构

本设计中采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用单片机80C31和27128、8155、8279和MAX7541等外围芯片以及键盘显示电路。图4和图5所示分别为频率与波形产生电路和控制管理电路的简化功能框图。

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图4一种数字频率合成器波形产生部分的功能框图

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图5控制和管理电路框图

  MAX038是一个精密高频波形产生器。它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率f_o=Nf_r锁定。这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件极少，使用很方便。
  MC145151是一个标准的CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件为数字鉴相器、锁定检测器、14位÷N计数器等，它们可完成频率合成的基本功能。此外，芯片还有晶体振荡器和14位基准分频器（÷R计数器）电路，由一个3位译码器从八种分频比中选择出恰当的值,产生锁相环的基准频率，即f_r=f_i/R。鉴相器输出的差分信号经过由MAX427构成的低通滤波器后，对MAX038的压控振荡器进行锁定。
  控制和管理电路由80C31单片机及外围电路组成。其主要功能是：对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应的控制参数，控制频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。电路中的27128EPROM用于储存程序，8279和一些附属电路用于对键盘和显示电路的管理，可编程I/O接口电路8155提供14路接口对MC145151进行控制。另外还利用8155的可编程计数器和MC145151的÷R计数器，两次对晶体振荡器产生的4096kHz振荡信号分频，这样可以更灵活地提供基准频率。在本设计中，对应高频档和低频档8155的计数器分别设置为4和400次分频，÷R计数器均设置为1024次分频，由此获得1kHz和10Hz基准频率。

2.2特点

本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。数字频率合成技术使输出频率准确和稳定，频率分辨率为基准频率10Hz或1kHz；由于晶体振荡器具有很好的长期时间稳定性，锁相环具有很好的短期时间稳定性，两者相结合可在设计要求的频率范围100Hz～16383kHz内获得近似于晶体振荡器的频率稳定度，这是本方案最重要的特点。另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为0.75％。对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。