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精确产生455kHz方波信号的分频器

2021-11-12 Ariel G. Benvenuto 阅读:
本文所示电路是一个搭载特殊分频器的振荡器,这是我在开发一套射频系统时所设计的。电路设计之初,我需要获得一个元器件尽可能精简且能稳定精确输出455kHz频率的数字信号发生器。同时,该信号发生器的占空比还必须达到或非常接近于50%,以消除或最大程度减轻二次谐波含量。

本文所示电路是一个搭载特殊分频器的振荡器,这是我在开发一套射频系统时所设计的。电路设计之初,我需要获得一个元器件尽可能精简且能稳定精确输出455kHz频率的数字信号发生器。同时,该信号发生器的占空比还必须达到或非常接近于50%,以消除或最大程度减轻二次谐波含量。DRAednc

起初,我分别研究了基于455kHz陶瓷谐振器和455kHz陶瓷滤波器的振荡器。然而,我在测试中分别获得了频率为448kHz和462kHz的信号,该结果缺乏我所需要的精度。但我手头还有一个频率为4.096MHz的石英晶振。通过使其以4.095MHz左右的频率稳定振荡,并在50%占空比输出条件下,将该频率除以9,我得到了我想要的结果。DRAednc

图1所示,除晶振之外,该设计还使用了两个IC以及一些电容器和电阻器,从而形成了一个以异或门(IC1)作为有源器件的皮尔斯型振荡器。异或门作为反相器并不是此类振荡器所最常用的门电路,但我的系统中有3个异或门未曾使用,于是我进行了尝试。在该配置下,振荡器最终得以可靠且精确地工作。DRAednc

该电路所用晶振为20pF负载的并联类型。通过对电容器C2和C3赋以100pF电容值,我获得了4.0954MHz的信号频率。该频率除以9后得到了455.04kHz的频率,该数值的精度足以满足我的设计需求。DRAednc

DRAednc

图1:该设计使用基于异或门的皮尔斯振荡器,产生了频率为455kHz、占空比为50%的信号。DRAednc

第二个IC(IC2)是74HC4017约翰逊计数器,我将其进位输出线(引脚12)用作电路输出,并将其配置为由上升沿触发。在将复位输入(引脚15)保持在逻辑电平0的情况下,当计数器的状态介于0和4之间时,进位输出线(引脚12)表现为电平1,而当其状态介于5和9之间时则表现为电平0。DRAednc

你可能认为该电路还有一种方案是将Q9(引脚11)连接到复位输入。然而,在这种情况下,虽然频率输出将为4.0954MHz除以9,但输出占空比将为55.56%(如果反转输出则为44.44%)。这就无法满足减少或消除输出二次谐波的需要。DRAednc

为了寻找接近50%的占空比,我添加了异或门IC1B并将其连接到计数器的Q4(引脚10)输出。随着这一改变,计数器现在就将在Q4为电平0时在输入的上升沿受到触发,而当Q4为电平1时则在下降沿受到触发。因此,电路就会在4个时钟脉冲加上第5个脉冲输入处于电平1的时间内输出电平1。当第5个脉冲变为电平0时,输出就将变为电平0,并在接下来的4个脉冲内保持不变。因此,输入的频率被9分频,而如果输入占空比为50%,那么输出占空比就也将是50%。DRAednc

如果输入频率不是正好50%,则输出也会关闭,但不会乘那么多。输入和输出占空比的关系如以下公式所示:DRAednc

DC%out = (400 + DC%in)/9DRAednc

其中,DC%out和DC%in分别是输出和输入的占空比,以0%和100%之间的百分比表示。因此,如果DC%in介于0%和100%之间,则输出占空比将介于44.44%和55.56%之间,不会比上述的情况差。DRAednc

对电路进行测试所得的示波器捕获图像,如2所示。4.0954MHz振荡器信号(底部)和455.04kHz输出信号(顶部)的占空比均为50%。DRAednc

DRAednc

图2:该测试结果显示输入信号和9分频输出都具有50%的占空比。DRAednc

也可以使用另一个异或门来制作7分频电路,如图3所示。如果输入的占空比为50%,则这也会产生50%占空比的输出。DRAednc

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图3:还可以添加另一个异或门,使电路提供50%占空比的7分频输出。DRAednc

我已经用各种晶振测试了这个电路,它能够正常工作。DRAednc

(本文编译自EDN美国版,参考链接:Divider generates accurate 455kHz square-wave signal。由赵明灿编译。)DRAednc

本文为《电子技术设计》2021年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里DRAednc

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