低失真、覆盖三个十倍频程的锁定同步正弦波发生器

作者：Alfredo H Saab和 Tina Alikahi, Maxim Integrated Products, Sunnyvale, CA

测试、校准、普通系统操作等模拟应用经常需要具有准确振幅和频率、THD（总谐波失真）很低的正弦波形。一些应用要求此类波形的发生器能用外部时序信号来使输出准确同步。简单的正弦波发生器能提供多个性能级别，但保持低THD和恒定振幅是个问题，特别是如果输出和同步信号必须在扩展的频率范围内保持锁定的话。

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图1中的电路能通过三个十倍频程（20Hz至20kHz）来使正弦波输出同步，并保持低THD和恒定振幅（表1）。同步IC是NXP Semiconductors公司的74HC4046，是一种带有VCO（压控振荡器）和相位/频率检测器的PLL（锁相环）。它有三个内部检相器，但本设计使用的这个检相器的频率捕获范围等于VCO频率范围（最大频率减去最小频率）。
　　电路的通用二进制分频器74HC4060连接VCO输出与74HC4046反馈（相位/频率比较器）输入，并且分频比为64。因此当PLL处于锁定状态时，74HC4060的Q6输出产生一个方波，等于VCO输出频率的1/64。74HC4046的中心频率是由C1和R1元件确定的，它们还确定VCO频率范围是从20×64至20,000×64，从VCO的输入电压范围的最低级别至最高级别。

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开关电容低通滤波器是Maxim公司的MAX297，根据设计，它的截止频率等于人们对其施加的时钟频率的1/50。对于信号输入，它的方波与它对PLL反馈使用的方波相同，并且它的时钟输入连接到VCO输出。由于时钟输入与信号输入始终具有64的频率比，因此输入信号始终落在滤波器带通范围内。输入谐波不在该带通范围内，这是因为对于所有输入谐波，时钟频率与频率之比均小于50。（对于最低二次谐波，该比率为32。）THD在第32谐波低于0.1%。
　　滤波器的输入信号是占空比为50%的方波，这有助于该应用，这是因为方波仅包含基波的奇次谐波，并且最低频率谐波是三次谐波，它显然在滤波器的深度衰减范围内。
　　你可以对同步信号做频率调制，但该任务必然会导致同步跟踪速度（或最大调制频率与深度）和锁频范围之间的折中，后者由PLL的低通滤波元件R2、R3、C2设定。调制速度被限制于图1展示的各个值，这是因为这些值是为扩展锁频范围而优化的。你可以下载更多信息，其中包括MAX297的完整数据表（参考文献1）。