摘要： 以TRAC020LH完全可重配置模擬器件和TRAC開(kāi)發(fā)軟件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)模擬鎖相環(huán)；給出仿真結(jié)果和利用PIC單片機(jī)對(duì)器件進(jìn)行配置的應(yīng)用電路。該鎖相環(huán)成功應(yīng)用于逆變器的頻率跟蹤，性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞： 可編程 模擬電路 鎖相環(huán) 單片機(jī)

完全可重配置模擬電路（Total Reconfigurable Analog Circuit，簡(jiǎn)稱(chēng)TRAC）是英國(guó)Fast Analog Solutions Ltd(簡(jiǎn)稱(chēng)FAS)出品的現(xiàn)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(dú)有的函數(shù)級(jí)器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)者可以用傳遞函數(shù)和數(shù)學(xué)表達(dá)式描述被研究的問(wèn)題，了解模擬電路的基本知識(shí)就可以完成硬件電路的設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)描述、驗(yàn)證到用戶(hù)獲得所需功能的芯片，數(shù)分鐘內(nèi)就可完成。這對(duì)加速電路設(shè)計(jì)、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等發(fā)揮了重要作用，克服了模擬電路設(shè)計(jì)需要不斷改進(jìn)、調(diào)試?yán)щy的弊端，使模擬電路的設(shè)計(jì)向自動(dòng)化的發(fā)展方向邁出了一大步。

1 TRAC的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(dú)特的基于數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能集，為模擬電路設(shè)計(jì)問(wèn)題提供了一個(gè)基于宏的解決方案。現(xiàn)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(zhǎng)度為3位的移位寄存器；每個(gè)單元均具備8種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，分別為ADD（加法）、NEGATE（取負(fù)）、LOG（對(duì)數(shù)）、ALOG（反對(duì)數(shù)）、RECTIFY（半波整流）、NON-INVERTING PASS（單位增益直通）、AUX（輔助運(yùn)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(xiàn)何種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，取決于移位寄存器中3位配置數(shù)。上面8種配置數(shù)據(jù)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(dāng)三個(gè)電阻取一樣的數(shù)值時(shí)，則有

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

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

LOG（對(duì)數(shù)）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(dāng)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(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量，Io為二極管的反向飽和電流。此處R=20k Ω,Io=10 -4A 。代入上式中有

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

ALOG（反對(duì)數(shù)）功能組態(tài)如圖3所示。只要將對(duì)數(shù)運(yùn)算功能組態(tài)中二極管和電阻的位置對(duì)換即可，輸出電壓為

V0=-RI0(expqVa/kT-1)

RECTIFY（半波整數(shù)）功能組態(tài)如圖4所示。當(dāng)輸入交流信號(hào)時(shí)，上半軸信號(hào)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出為零；下半軸信號(hào)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出與輸入信號(hào)一致，因而實(shí)現(xiàn)了半波整流功能。

AUX（輔助運(yùn)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(yùn)算放大器。要實(shí)現(xiàn)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(hào)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(shù)（Rf/Rs）或RC時(shí)間常數(shù)在電路設(shè)計(jì)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(hào)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(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

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

①當(dāng)需要將外部信號(hào)或外部連接線（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(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)功能集的靈活搭配，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)所要求的電路功能，考慮目標(biāo)相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，再結(jié)合TRAC器件內(nèi)的8種功能組態(tài)、內(nèi)部連接形式和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，就可初步畫(huà)出電路的框圖。在此過(guò)程中應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者可以用“一拖一放”的簡(jiǎn)單動(dòng)作完成各種復(fù)雜模擬電路的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)

2.1 鎖相環(huán)簡(jiǎn)介

鎖相環(huán)（PLL）是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，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(cè)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間低通濾波器用于將鑒相器的輸出信號(hào)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(xiàn)；壓控振蕩器是一個(gè)電壓-頻率變換裝置，振蕩頻率應(yīng)隨輸入電壓線性變化，輸出信號(hào)反饋到鑒相器的一個(gè)輸入端，對(duì)鑒相器起作用的是其相位信號(hào)。從整體上來(lái)說(shuō)，輸入與輸出信號(hào)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(shù)值，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。下面分二個(gè)部分用TRAC實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)，并給出各自的仿真結(jié)果。

2.2 鑒相器和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

鑒相器用一個(gè)四象限乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。用TRAC設(shè)計(jì)的頁(yè)和仿真結(jié)果如圖7所示。其中外部信號(hào)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(cè)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(hào)的輸入，是為了保證乘法器可工作于正負(fù)極性信號(hào)。當(dāng)然，所有輸入信號(hào)不能超過(guò)它們的最大幅度限制。I/O18的DC直流電壓信號(hào)用于補(bǔ)償實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中失調(diào)電壓和增益的誤差，一般用電器分壓實(shí)現(xiàn)。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(hào)頻率變化的速度，同時(shí)也限制捕捉范圍。時(shí)間常數(shù)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使環(huán)路跟蹤較快變化的頻率信號(hào)時(shí)，引起較長(zhǎng)時(shí)間的延遲；時(shí)間常數(shù)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(jù)系統(tǒng)的要求和輸入信號(hào)的情況合理調(diào)整。仿真結(jié)果為兩輸入信號(hào)相位差為36°時(shí)的輸出電壓。

2.3 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

壓控振蕩器可以用圖8所示的框圖表示。設(shè)計(jì)的頁(yè)和仿真結(jié)構(gòu)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(hào)為起振信號(hào)，仿真時(shí)要一個(gè)直流電壓，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。例如，在感應(yīng)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(dá)到目的。

圖9 壓控振蕩器TRAC設(shè)計(jì)及的仿真結(jié)果

3 TRAC的配置

設(shè)計(jì)好的文件可通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與微機(jī)、嵌入式微處理器、單片機(jī)或EPROM等相連接。在上電時(shí)，自動(dòng)裝入配置數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在IRAC的移位寄存器中，自動(dòng)配置成與配置數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)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(duì)TRAC020LH配置的應(yīng)用電路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將上述的4頁(yè)設(shè)計(jì)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(jī)，只有8個(gè)引腳，價(jià)格低廉，編程界面方便。在利用MPLAB對(duì)PIC12C508燒寫(xiě)程序時(shí)，要關(guān)閉看門(mén)狗，啟用內(nèi)部振蕩器。特別是編寫(xiě)配置數(shù)據(jù)時(shí)要注意RTAC中最后單元的配置數(shù)據(jù)在前，第個(gè)單元的在最后。

圖10 RTAC020LH配置應(yīng)用電路

結(jié)語(yǔ)

前述所設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)最高頻率可達(dá)50kHz，若采用快速乘法器，設(shè)計(jì)頻率最高可達(dá)1MHz，更為重要的是頻率穩(wěn)定度好，線性區(qū)域?qū)挕?/p>

TRAC系列可編程模擬器件利用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使這計(jì)者利用描述電路行為和特性或數(shù)學(xué)運(yùn)算，就可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的模擬電路，“所見(jiàn)即所得”，為低風(fēng)險(xiǎn)、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(fù)雜性。

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