基于TRAC器件的锁相环设计研究

①当需要将外部信号或外部连接线（link）引入单元时，该单元的左边单元需要指定为OFF；

正是由于TRAC的这种结构和数学功能集的灵活搭配，设计者只要根据设计目标所要求的电路功能，考虑目标相应的数学运算，再结合TRAC器件内的8种功能组态、内部连接形式和实际经验，就可初步画出电路的框图。在此过程中应遵循结构化的设计思想，自顶向下，按层次分解，最后将整个电路分解成若干个TRAC的功能组态，输入并仿真，直到与要求相符。设计者可以用“一拖一放”的简单动作完成各种复杂模拟电路的设计。在这一点上，TRAC比Lattice公司生产的ispPAC系列灵活得多。

2 锁相环电路功能及设计

2.1 锁相环简介

锁相环（PLL）是一个相位负反馈控制系统，主要由鉴相器（PD）、环路低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三个基本部分组成，如图6所示。鉴相器是相位比较装置，用来检测输入信号和反馈信号之间低通滤波器用于将鉴相器的输出信号的高频成分滤掉，进行平均，获得直流误差输出，通常用有源低通滤波器来实现；压控振荡器是一个电压-频率变换装置，振荡频率应随输入电压线性变化，输出信号反馈到鉴相器的一个输入端，对鉴相器起作用的是其相位信号。从整体上来说，输入与输出信号频率差不断减小，直到差值为零，进入锁定状态，相差等于一个极小的数值，实现频率跟踪。下面分二个部分用TRAC实现锁相环，并给出各自的仿真结果。

    2.2 鉴相器和环路滤波器的设计

鉴相器用一个四象限乘法器来实现。用TRAC设计的页和仿真结果如图7所示。其中外部信号从第一页的I/O1和I/O11输入，从第二页的I/O27输出，完成相位检测功能；然后从第二页的3单元（I/O27）进入有源一阶低通滤波器，直流误差电压从I/O30输出。I/O2和I/O12的DC直流电压信号的输入，是为了保证乘法器可工作于正负极性信号。当然，所有输入信号不能超过它们的最大幅度限制。I/O18的DC直流电压信号用于补偿实际应用过程中失调电压和增益的误差，一般用电器分压实现。I/O31与I/O33、I/O33与I/O35间的外接R、C决定滤波器的截止频率，影响锁相环跟踪输入信号频率变化的速度，同时也限制捕捉范围。时间常数过长，会使环路跟踪较快变化的频率信号时，引起较长时间的延迟；时间常数过短，输出电压变化较快，将引起压控振荡器的变化无常。因此，要根据系统的要求和输入信号的情况合理调整。仿真结果为两输入信号相位差为36°时的输出电压。

2.3 压控振荡器的设计

压控振荡器可以用图8所示的框图表示。设计的页和仿真结构如图9所示。

其中输入电压从I/O1进入，从I/O13输入。I/O14的DC信号为起振信号，仿真时要一个直流电压，应用时可根据实际情况来定。例如，在感应加热中利用锁相环进行逆变器谐振频率跟踪，启动时需要一个它激的过程，完全可以在此端加上一定大小的电压来达到目的。

图9 压控振荡器TRAC设计及的仿真结果

    3 TRAC的配置

设计好的文件可通过简单的串行接口与微机、嵌入式微处理器、单片机或EPROM等相连接。在上电时，自动装入配置数据并存储在IRAC的移位寄存器中，自动配置成与配置数据相对应的功能组态。其中最典型的做法是利用TRAC-S2。图10是利用Microchip的PIC12C508A对TRAC020LH配置的应用电路。实际应用时，将上述的4页设计合理分配为3页，然后把前面每个芯片的DOUT引脚和后面芯片的DATA引脚相连，PD引脚连在一起。PIC12C508C是市面上体积最小的单片机，只有8个引脚，价格低廉，编程界面方便。在利用MPLAB对P