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基于TRAC器件的鎖相環設計研究
摘要：以TRAC020LH完全可重配置模擬器件和TRAC開發軟件為基礎，設計模擬鎖相環；給出仿真結果和利用PIC單片機對器件進行配置的應用電路。該鎖相環成功應用于逆變器的頻率跟蹤，性能優良。關鍵詞：可編程 模擬電路 鎖相環 單片機
完全可重配置模擬電路（Total Reconfigurable Analog Circuit，簡稱TRAC）是英國Fast Analog Solutions Ltd(簡稱FAS)出品的現場可編程模擬器件系列產品的總稱，包括TRAC系列器件和TRAC開發軟件。它們憑借獨有的函數級器件結構與簡便易用的集成開發環境的共同支持，可以很好地貫徹和實施自頂向下的結構化設計準則。設計者可以用傳遞函數和數學表達式描述被研究的問題，了解模擬電路的基本知識就可以完成硬件電路的設計。從設計描述、驗證到用戶獲得所需功能的芯片，數分鐘內就可完成。這對加速電路設計、降低設計風險等發揮了重要作用，克服了模擬電路設計需要不斷改進、調試困難的弊端，使模擬電路的設計向自動化的發展方向邁出了一大步。
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1 TRAC的基本結構和設計思想
TRAC020LH是TRAC系列的低功耗版本。和該系列其它芯片一樣，它利用獨特的基于數學運算的功能集，為模擬電路設計問題提供了一個基于宏的解決方案。現以它為例簡要介紹如下。
其核心部分是20個首尾相接的可編程基本單元（Cell），每個基本單元均包含一個雙端輸入、單端輸出的可編程模擬單元和一個長度為3位的移位寄存器；每個單元均具備8種數學運算功能，分別為ADD（加法）、NEGATE（取負）、LOG（對數）、ALOG（反對數）、RECTIFY（半波整流）、NON-INVERTING PASS（單位增益直通）、AUX（輔助運算，包括放大、微分和積分三種子功能）及OFF（斷路）。模擬單元具體實現何種數學運算功能，取決于移位寄存器中3位配置數。上面8種配置數據分別為：110、010、011、010、111、001、100、000。
圖5 AUX的三種子功能組態及外部連接
ADD功能組態用圖1所示的簡單模擬表示。當三個電阻取一樣的數值時，則有
V0=-R(Va/R+Vb/R)=-(Va+Vb)
NEGATE(取負)功能組態只有一個輸入端，輸出與輸入信號反相。
LOG（對數）功能組態用圖2所示的電路表示。三極管的這種接法相當于兩支二極管反向并聯。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，T為絕對溫度，q為電子電量，Io為二極管的反向飽和電流。此處R=20kΩ,Io=10 -4A。代入上式中有
Vo=-0.0125Log(Va/RI0+1)
ALOG（反對數）功能組態如圖3所示。只要將對數運算功能組態中二極管和電阻的位置對換即可，輸出電壓為
V0=-RI0(expqVa/kT-1)
RECTIFY（半波整數）功能組態如圖4所示。當輸入交流信號時，上半軸信號二極管處于截止狀態，輸出為零；下半軸信號二極管處于導通狀態，輸出與輸入信號一致，因而實現了半波整流功能。
AUX（輔助運算）功能組態在可編程模擬單元中提供了一個同相端接地的開環運算放大器。要實現包括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（Rf/Rs）或RC時間常數在電路設計配置時輸入，仿真啟動時就能采用，如圖5（a）、(b)、(c)所示。
OFF（斷路）功能組態是指信號不能通過，處于阻斷狀態。
圖7 鑒相器和一階低通濾波的TRAC設計及仿真結果
從TRAC的20個單元結構可知，OFF功能組態至少用于下列兩種情況：
①當需要將外部信號或外部連接線（link）引入單元時，該單元的左邊單元需要指定為OFF；
②使用AUX功能組態時，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的這種結構和數學功能集的靈活搭配，設計者只要根據設計目標所要求的電路功能，考慮目標相應的數學運算，再結合TRAC器件內的8種功能組態、內部連接形式和實際經驗，就可初步畫出電路的框圖。在此過程中應遵循結構化的設計思想，自頂向下，按層次分解，最后將整個電路分解成若干個TRAC的功能組態，輸入并仿真，直到與要求相符。設計者可以用“一拖一放”的簡單動作完成各種復雜模擬電路的設計。在這一點上，TRAC比Lattice公司生產的ispPAC系列靈活得多。
2 鎖相環電路功能及設計
2.1 鎖相環簡介
鎖相環（PLL）是一個相位負反饋控制系統，主要由鑒相器（PD）、環路低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）三個基本部分組成，如圖6所示。鑒相器是相位比較裝置，用來檢測輸入信號和反饋信號之間低通濾波器用于將鑒相器的輸出信號的高頻成分濾掉，進行平均，獲得直流誤差輸出，通常用有源低通濾波器來實現；壓控振蕩器是一個電壓-頻率變換裝置，振蕩頻率應隨輸入電壓線性變化，輸出信號反饋到鑒相器的一個輸入端，對鑒相器起作用的是其相位信號。從整體上來說，輸入與輸出信號頻率差不斷減小，直到差值為零，進入鎖定狀態，相差等于一個極小的數值，實現頻率跟蹤。下面分二個部分用TRAC實現鎖相環，并給出各自的仿真結果。
2.2 鑒相器和環路濾波器的設計
鑒相器用一個四象限乘法器來實現。用TRAC設計的頁和仿真結果如圖7所示。其中外部信號從第一頁的I/O1和I/O11輸入，從第二頁的I/O27輸出，完成相位檢測功能；然后從第二頁的3單元（I/O27）進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直流電壓信號的輸入，是為了保證乘法器可工作于正負極性信號。當然，所有輸入信號不能超過它們的最大幅度限制。I/O18的DC直流電壓信號用于補償實際應用過程中失調電壓和增益的誤差，一般用電器分壓實現。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，影響鎖相環跟蹤輸入信號頻率變化的速度，同時也限制捕捉范圍。時間常數過長，會使環路跟蹤較快變化的頻率信號時，引起較長時間的延遲；時間常數過短，輸出電壓變化較快，將引起壓控振蕩器的變化無常。因此，要根據系統的要求和輸入信號的情況合理調整。仿真結果為兩輸入信號相位差為36°時的輸出電壓。
2.3 壓控振蕩器的設計
壓控振蕩器可以用圖8所示的框圖表示。設計的頁和仿真結構如圖9所示。
其中輸入電壓從I/O1進入，從I/O13輸入。I/O14的DC信號為起振信號，仿真時要一個直流電壓，應用時可根據實際情況來定。例如，在感應加熱中利用鎖相環進行逆變器諧振頻率跟蹤，啟動時需要一個它激的過程，完全可以在此端加上一定大小的電壓來達到目的。
圖9 壓控振蕩器TRAC設計及的仿真結果
3 TRAC的配置
設計好的文件可通過簡單的串行接口與微機、嵌入式微處理器、單片機或EPROM等相連接。在上電時，自動裝入配置數據并存儲在IRAC的移位寄存器中，自動配置成與配置數據相對應的功能組態。其中最典型的做法是利用TRAC-S2。圖10是利用Microchip的PIC12C508A對TRAC020LH配置的應用電路。實際應用時，將上述的4頁設計合理分配為3頁，然后把前面每個芯片的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，只有8個引腳，價格低廉，編程界面方便。在利用MPLAB對PIC12C508燒寫程序時，要關閉看門狗，啟用內部振蕩器。特別是編寫配置數據時要注意RTAC中最后單元的配置數據在前，第個單元的在最后。
圖10 RTAC020LH配置應用電路
結語
前述所設計的鎖相環最高頻率可達50kHz，若采用快速乘法器，設計頻率最高可達1MHz，更為重要的是頻率穩定度好，線性區域寬。
TRAC系列可編程模擬器件利用獨特的結構，使這計者利用描述電路行為和特性或數學運算，就可以實現各種各樣的模擬電路，“所見即所得”，為低風險、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，比如可重配置電路沒有ispPAC系列方便，增加了外圍電路的復雜性。
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