本文探討了用鎖相技術來產生高頻率穩定度" title="穩定度">穩定度的低頻信號的方法，并介紹了由ICL8038和MC145151-2構成的低頻鎖相環" title="鎖相環">鎖相環函數發生器的設計。該正弦波" title="正弦波">正弦波輸出信號的頻率穩定度可達到10-8 ，輸出頻率由所選用的晶振頻率以及MC145151-2的分頻" title="分頻">分頻數決定。
正弦波發生器的應用很廣泛，但是適合于低頻范圍內的高穩定度正弦波電路比較少。表1是幾種主要的正弦波產生方法的比較。
從表1中可知，僅采用某一種正弦波產生方法很難實現頻率穩定的低頻正弦波發生器。本文嘗試采用鎖相環來實現頻率穩定的低頻正弦波發生器的設計方法，給出了一種基于MC145151-2和ICL8038芯片的低頻鎖相環函數發生器。這種低頻鎖相環函數發生器的穩定度和準確度與基準頻率" title="基準頻率">基準頻率相當，不產生額外的誤差。
壓控波形發生器與鎖相環電路
ICL8038是現在應用非常廣泛的一種單片集成壓控波形發生器，在0.01～300kHz的范圍里可以同時產生正弦波、矩形波和三角波。使用時只需外接少量電阻、電容元件就可以作為壓控振蕩器、調頻信號發生器或單片函數發生器。其輸出電平特性為:方波0.2Vsupply(2mA)；三角波幅度為0.33Vsupply，輸出阻抗為200Ω(5mA)；正弦波幅度為0.22Vsupply，輸出阻抗典型值為1kΩ。
MC145151-2是MC145151-1的性能改進產品，功耗降低而ESD和鎖定性能則大有改進。MC145151-2分別用14條和3條并行輸入數據線實現N計數器和R計數器編程。本器件集成了參考振蕩器、可選參考頻率分頻器、數字相位鑒相器" title="鑒相器">鑒相器和14位可編程的除N計數器。
該芯片具有以下特點：由于采用 CMOS工藝而具有低功耗，電壓范圍為3～9V；具有片上或離片參考振蕩器的操作條件；有兩路鑒相信號輸出，其中PDout是鑒相器A的輸出，ФR、ФV是鑒相器B的輸出，是鑒相誤差信號，LD用來輸出相位鎖定信號；除N的范圍為3～16383；8個用戶可選的除R值分別為8、128、256、512、1024、2048、4096和8192，分別對應RA2~RA0從000到111的8個狀態。
正弦波發生器設計
本文設計的電路主要由一個基本鎖相環和產生參考頻率的電路兩部分組成，原理框圖如圖1所示。其基準頻率通常由相對頻率穩定度為10-6的晶體振蕩器產生，經R倍分頻后提供適當的基準頻率。虛線框中的電路是頻率合成器的核心部分即鎖相環，由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器等組成。系統輸出信號的頻率為fout=(N/R)fin，改變分頻比N可以方便地獲得大量離散頻率的輸出信號。
這里的鎖相環與典型的高頻鎖相環電路相比有兩處改動：一是添加了鑒相器前的晶振整形和分頻電路，采用該電路是為了獲得低頻率的基準信號；二是壓控振蕩器選擇了工作在低頻范圍內的器件，這是低頻率的基準信號要求的。
在如圖2所示的電路中，晶振選用2MHz的溫度補償晶體，它的頻率穩定度可達10-8,選擇鑒相器A或鑒相器B均可。本文選用鑒相器A，PDout輸出接一個RC濾波器。若選用鑒相器B，Фr和ФV輸出接有源低通濾波器。MC145151-2的LD用來指示回路鎖定，外接一個LED，出現失鎖時該LED將閃爍。圖2中的振蕩器部分采用了MC145151-2的片上振蕩形式，兩個電容分別為39P和27P。MC145151-2的固定分頻器分頻系數選擇為8192，2M信號經分頻后是244.14Hz，將該信號作為基準頻率輸入鑒相器。振蕩器也可以選擇離片形式，還可以增加分頻系數以進一步降低基準頻率。具體電路如圖2所示,兩個電阻都是1kΩ，電容為0.01μF的獨石電容。基于鎖相環的低頻正弦波發生電路如圖3所示。
電路調試
鎖相環電路調試比較麻煩，很容易失鎖，在實現本電路的過程中應注意以下問題：
- MC145151-2中的除R分頻器在片內已內接了上拉電阻，所以RA0～RA1置“1”時只需懸空，不可接高電平。
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ICL8038的方波輸出要加上拉電阻，若要與TTL電平兼容，必須接+5V。MC145151-2對輸入的電平有要求，在+5V電源條件下，輸入方波的高電平不能超過+5V，低電平不能低于+1.5V。
- MC145151-2鑒相輸出電壓與ICL8038控制電平的匹配，這是整個電路實現中比較重要的問題。為解決這個問題，把ICL8038接成直流電源分壓控制的函數發生電路。ICL8038的電壓控制范圍是2/3(|VCC|+|-VEE|)+2V＜V＜|VCC|+|-VEE|。用一個可變電阻改變分壓比，觀察ICL8038的輸出頻率，發現輸出信號的頻率隨控制電壓的升高而降低。在±6V電源、CT=4700P、RT=4.7K的條件下，控制電壓為+2.6V(相對于-VEE為8.6V)時輸出頻率是11.48kHz；在控制電壓為+5.6V(相對于-VEE 為11.6V)時輸出頻率是182Hz，電壓再高將出現波形失真。
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MC145151-2的鑒相輸出經過濾波后的直流電平為+2V至+3V之間，可以控制ICL8038，但是電壓變化范圍太小，能控的頻點有限，因此必須加放大器。而且，直接用濾波輸出電壓控制ICL8038將很難調整到MC145151-2能鎖定的幾個頻點。圖3中U2是放大器，U1是跟隨器，采用跟隨器是由于OP07的輸入阻抗不夠大，如果直接把濾波后的電壓接入放大器，電壓將跌為零,放大器沒有輸出，必須要加一級跟隨器進行阻抗匹配。
- 放大器U2放大倍數的選擇。由于濾波輸出電壓已落在控制范圍內，只是變化范圍比較小，放大倍數選得太大將會超出ICL8038的最高控制電平，從而造成MC145151-2失鎖；但是太小的話，變化范圍又不夠，與直接用濾波電壓沒什么區別。圖中所選3K和5K電阻是反復試驗后的結果。
- ICL8038振蕩電容的選擇。在RT=4.7K、CT=4700P的條件下， PLL電路的頻率變化范圍在8.301K～15.381K之間，低于8.301K仍有波形，但是這時已趨于失鎖的邊緣，穩定度不夠理想。若要產生頻率范圍更大信號就需要更換電容，改變頻段。圖3所示的電容可以產生100Hz～100kHz的輸出信號。