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。
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PIC12C508烧写程序时,要关闭看门狗,启用内部振荡器。特别是编写配置数据时要注意RTAC中最后单元的配置数据在前,第个单元的在最后。
结语
前述所设计的锁相环最高频率可达50kHz,若采用快速乘法器,设计频率最高可达1MHz,更为重要的是频率稳定度好,线性区域宽。
TRAC系列可编程模拟器件利用独特的结构,使这计者利用描述电路行为和特性或数学运算,就可以实现各种各样的模拟电路,“所见即所得”,为低风险、高速度地获取可行的硅(电路)解决方案提供了集成化的途径;但也有其缺点,比如可重配置电路没有ispPAC系列方便,增加了外围电路的复杂性。