基于正交矢量放大的MRS信号采集模块设计---- 采集模块硬件设计(二)

4.3锁相环电路

4.3.1倍频电路设计思路

CPLD的FLASH中存储的正弦波的一个周期用256个点来输出，而正弦波的频率要求是在1300Hz～3000Hz范围内可调，步长为0.1Hz.这就要求FLASH模块的时钟频率在333KHz～768KHz范围内按步长25.6Hz可调。CPLD用的外部晶振为125MHz，如果这个时钟频率由CPLD分频产生，不能达到设计要求。但是CPLD可以实现频率在1300Hz～3000Hz范围内按步长0.1Hz可调，再把这个频率进行256倍频就可以达到设计要求了。

4.3.2锁相环电路芯片选择

利用锁相环可以实现非常稳定的倍频电路。锁相环是一个相位负反馈的闭合环路，其频率跟踪原理图如图4.10所示.

锁相环是由相位比较器（也称鉴相器）、低通滤波器LPF和压控振荡器VCO三个环路部件组成的一个反馈控制系统。相位比较器（也称鉴相器）对基准输入信号和压控振荡器引入的信号进行比较，当基准信号和压控振荡器信号频率与相位相同时，鉴相器的输出为零；当两信号的频率和相位不同时，鉴相器的输出就产生一个误差电压，这个误差电压经过滤波环节，控制压控振荡器，使其输出频率和相位与输入信号的频率和相位绝对匹配，锁相环路既实现了“锁相”。

将压控振荡器输出信号经过N分频后再输入到相位比较器中，那么锁相环锁定后压控振荡器输出的信号频率就是基准信号频率的N倍，这就是锁相环实现倍频电路的原理，如图4.11所示。

现在常使用集成电路锁相环74HC4046，它的内部电路框图如图4.12所示。

主要由相位比较器Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），U_Ψ输出为低电平。当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，U_Ψ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图4.13所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。对相位比较器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50%（即方波），这样才能使锁定范围为最大。本设计中要产生的时钟频率为占空比为50%的方波，所以使用相位比较器Ⅰ.

74HC4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2.由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。[page]

4.3.3 74HC4046电路实现

锁相环实际电路连接图如图4.14所示。CPLD分频产生1300Hz～3000Hz范围内同Lamor频率相等的信号，输入74HC4046的14脚输入端。4脚VCO输出频率经过CPLD中的256倍分频器，再输入4脚相位比较器输入端。相位比较器的输出2脚经过RC低通滤波器输入VCO输入端，组成锁相环路。

74HC4046的VCO频率范围由外接电阻、电容决定，公式如下：

根据74HC4046数据手册，确定外围电容、电阻参数为：C₁ = 47pF，R₁ = 200kΩ，R₂ = 220kΩ。最终测得VCO输入电压为0和VDD时，VCO输出波形如图4.15和图4.16所示。

4.4低通滤波器电路

4.4.1 LPF电路设计

要求锁定放大器改善信噪比的作用主要由低通滤波器来实现。低通滤波器的通带宽度越窄，抑制噪声的能力越强。即使LPF的截止频率很低，其频率特性仍然能够保持相当稳定，这是利用LPF实现窄带化的优点。为了适应不同的被测信号频率特性的需要，LPF的截止频率常做成可调的。

传统的滤波器一般采用分立器件来实现，电阻、电容的选取和匹配以及优化灵敏度等问题非常复杂，而且器件参数容易随时间和温度的变化而产生漂移。MAX260系列可编程开关电容滤波器，在一个芯片上集成了运算放大器、电阻和电容，设计时已经优化了灵敏度而且匹配好了元件，因而极大的简化了滤波器的设计，把需要的控制参数加载到芯片以后，几乎不需要外接元件，就可以方便的实现各种滤波器功能.

4.4.2 LPF电路芯片选择

综合考虑，选择MAX260实现低通滤波器。

MAX260系列芯片主要由放大器、积分器、电容切换网络（SCN）和工作模式选择器组成，积分器、电容切换网络和工作模式选择器分别由编程数据M0，M1、F0～F5和Q0～Q6控制。每个芯片内部都含有两个独立的可编程二阶开关电容滤波器，它们可以单独使用，也可以级联成一个四阶的滤波器，滤波器A和B可以采用内部时钟，也可以采用外部时钟，每个滤波器的独立时钟输人端可以连接晶振、RC网络或外部时钟产生器，芯片对外部时钟的占空比没有要求。可编程的参数有中心频率、品质因数和工作模式，输人时钟频率与6位编程代码F0～F5一起决定滤波器的中心频率或截止频率，其中，时钟频率和中心频率之比可实现64级程控调节，品质因数可实现128级程控调节，中心频率和品质因数以及工作模式都可独立编程，互不影响，片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器的中心频率和品质因数，内部电容的开关速率是影响这些参数精度的主要因素。MAX260可以实现中心频率或截止频率在0.01Hz～7.5kHz范围内可调，能够达到设计的要求。

对MAX260具体的编程方法，是先产生编程系数。首先确定滤波器使用的时钟频率和工作模式，然后计算时钟频率和中心频率之比，根据MAX260的数据手册确定工作模式、时钟频率和中心频率之比以及品质因数的二进制编程代码。[page]

再通过单片机对滤波器进行编程代码加载，如表4.1所示。需编程的参数有工作模式、时钟频率和中心频率之比、品质因数，编程控制和编程数据由单片机产生，D1、D0是编程数据，A3～A0为编程数据的存放地址，存储器共有16个存储单元，前8个单元存储滤波器A的工作参数，后8个单元存储滤波器B的工作参数，WR为数据写入控制端，低电平有效。通过单片机把编程控制参数加载到滤波器后，滤波器就可以按要求进行工作了。

锁定放大器的同相通道和正交通道都用到低通滤波器，需要用2片MAX260来实现。MAX260的时钟频率由CPLD产生。依次将16个控制字写入即可实现对每片MAX260截止频率和Q值的编程控制。

4.4.3 MAX260电路实现

MAX260的具体电路图如图4.17所示。C66等四个电容起滤波作用。由上位机控制CPLD产生时钟频率输入CLKA、CLKB脚，单片机与D0～D1、A0～A3脚相连写控制字，对f₀和Q编程控制。

单片机把控制字加载到MAX260上，使其实现截止频率为50Hz的低通滤波器，用网络分析仪对低通滤波器的传输特性进行测试，测试结果如图4.18所示。

由测试结果可以看出，低通滤波器对大于50Hz的信号有很强的衰减，达到了设计要求。