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基于TRAC器件的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)研究
摘要：以TRAC020LH完全可重配置模擬器件和TRAC開發(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。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(xiàn)場可編程模擬器件系列產(chǎn)品的總稱，包括TRAC系列器件和TRAC開發(fā)軟件。它們憑借獨(dú)有的函數(shù)級(jí)器件結(jié)構(gòu)與簡便易用的集成開發(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)證到用戶獲得所需功能的芯片，數(shù)分鐘內(nèi)就可完成。這對加速電路設(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)問題提供了一個(gè)基于宏的解決方案�，F(xiàn)以它為例簡要介紹如下。
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（對數(shù)）、ALOG（反對數(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(shù)）功能組態(tài)如圖3所示。只要將對數(shù)運(yùn)算功能組態(tài)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(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，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)，就可初步畫出電路的框圖。在此過程中應(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，用來檢測輸入信號(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，對鑒相器起作用的是其相位信號(hào)。從整體上來說，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
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