4、正弦波发生器设计

正弦波发生器主要是由参考频率、基本锁相环和匹配输出3 部分电路组成， 原理框图如图2 所示。图2 中虚线框中的电路是频率合成器的核心（ 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 获得大量离散频率的输出信号。

图2 正弦波发生器原理框图

本设计的锁相环与典型的高频锁相环电路相比有两个差别： 一是添加了鉴相器前晶体振荡器整形和分频电路； 二是压控振荡器选用工作在低频范围内的器件。

4.1、参考频率电路设计

一般函数发生器的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。本设计采用频率稳定度为10- 6的有源晶体振荡器结合Altera 公司的CPLDEPM3128 实现整形和M分频电路如图3 所示。该电路主要由复位电路、上载电路、晶体振荡器、频率预置电路组成。参考频率电路具有以下几点特性：

通过内部分频电路预置一系列M分频后的频率到I/O 端口通过拨码开关S2 灵活选择所需基准频率，扩展了一定频率范围内频率输出的频率点数；利用CPLD 内部资源做为整形电路， 在节省电路板面积的同时减少外部对输出波形及频率稳定度的干扰， 提高输出波形的质量；加强了硬件电路设计的灵活程度， 如当通过调整预置分频倍数M和外部可变分频比N 仍不能产生期望的输出频点时， 可灵活更改CPLD 内部分频电路， 改变分频比R 来产生所需输出频点的基准频率。此外， 如需要对产品升级增加其他功能时也可以利用CPLD 内部资源通过I/O 口与外部电路无缝连接加以实现。

4.2、锁相环电路设计

锁相环电路如图4 所示， 是以MC145151- 2 为核心构成的鉴相器， 通过拨码开关S4、S5 对应的N0~N13 来设定分频比N 的数值， N 的取值范围为3~16 383.此外， 还可通过CB1、CB2、CB3 三个跳线设定RA0、RA1、RA2.MC145151- 2 可为用户提供8个固定除R 分频数， 分别为8、128、256、512、1 024、2 048、4 096 和8 192, 分别对应RA2~RA0 从000到111 的8 个状态。MC145151- 2 提供的2 个鉴相器A 和B 均可以使用， 本设计选用鉴相器A。

MC145151- 2 的LD 用于指示回路锁定， 外接1 只LED, 失锁时LED 闪烁。MC145151- 2 的鉴相输出端为PDout, 该输出端需接一个由阻容网络构成的低通滤波器。若选用鉴相器B, ФR 和ФV 输出则接有源低通滤波器。滤波器的输出则接由两级运算放大器构成的信号放大调整电路， 增加控制电压的动态范围，实现多频点输出的设计要求， 这因为MC145151-2 的鉴相输出经滤波后的直流电平为+2 V~+3 V 之间， 可以控制ICL8038, 但电压变化范围小， 控制频点有限， 因此必须增加放大器。放大器的输出可以控制以ICL8038 为核心构成的压控振荡器电路， 该电路可以通过设置CB4、CB5、CB6 三个跳线来选择不同容值， 从而选择高、中、低3 段频率输出， 保证有足够宽的频率输出动态范围， 促使ICL8038 的性能得以充分发挥。

4.3、匹配输出电路

匹配输出电路如图5 所示。这部分电路主要功能： 进一步放大输出信号； 阻抗匹配， 提高信号源的带载能力， 经验证电路的带载能力不低于20 mA.

图5 匹配输出电路

5、电路PCB 设计及调试

5.1、PCB 设计应注意的问题

在PCB 版图设计过程中应该注意以下几点：

要慎重处理模拟地和数字地。要把模拟部分与数字部分分块布局， 数字部分最好能够大面积覆铜接地。PCB 板上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接， 再在某一点上将两地相连；信号线尽量布在焊接面上，器件面为地平面， 这样可减少信号间的干扰， 这一点对系统性能的稳定尤为重要；集成电路的电源输入端与地端最好接滤波电容器， 并且电容器与器件的电源引脚和地引脚两端围成的回路面积越小越好。

5.2、电路调试应注意的问题

（ 1） MC145151- 2 的除R 分频器已内接上拉电阻， RA0~RA1 置"1"时需悬空， 不可接高电平。

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

（ 3） MC145151- 2 鉴相输出电压与ICL8038 控制电平的匹配， 是整个电路实现比较重要的问题。

应将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： 2/3（|VCC|+|- VEE|）+2 V

（ 4） 关于信号放大电路的阻抗匹配问题。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， 电压将为零，放大器也没有输出， 需要加一级跟随器进行阻抗匹配。

（ 5） 关于信号放大电路的放大倍数问题。由于滤波输出电压跌落在控制范围内， 但变化范围小， 如果信号放大电路的放大倍数选择不当会导致控制电压太大， 超出ICL8038 的最高控制电平， 从而造成MC145151- 2 失锁。调试时应先用精密电位器将放大倍数调整后， 再分别测量电位器的阻值， 用相对应的色环电阻进行更换。

6、结束语

基于MC145151- 2和ICL8038 的低频锁相环函数发生器， 能产生低频段的正弦波、方波、三角多种波形， 电路结构简单， 其生成的波形平滑、无毛刺、波形稳定度高、频率稳定度和分辨率高， 具有广泛的应用前景。