精確產生455kHz方波訊號的分頻器

作者 : Ariel G. Benvenuto

本文所示電路是一個搭載特殊分頻器的振盪器,這是我在開發一套射頻(RF)系統時所設計的。電路設計之初,我需要獲得一個元件盡可能精簡且能穩定、準確輸出455kHz頻率的數位訊號產生器...

本文所示電路是一個搭載特殊分頻器的振盪器,這是我在開發一套射頻(RF)系統時所設計的。電路設計之初,我需要獲得一個元件盡可能精簡且能穩定、準確輸出455kHz頻率的數位訊號產生器。同時,該訊號產生器的工作週期還必須達到或非常接近於50%,以消除或最大程度地減輕二次諧波含量。

起初,我分別研究了基於455kHz陶瓷諧振器和455kHz陶瓷濾波器的振盪器。然而,我在測試中分別獲得了頻率為448kHz和462kHz的訊號,該結果缺乏我所需要的準確度。但我手邊剛好還有一個頻率為4.096MHz的石英晶體振盪器。透過使其以4.095MHz左右的頻率穩定振盪,並在50%工作週期輸出條件下將該頻率除以9,終於得到了我想要的結果。

1所示,除了該晶體振盪器之外,該設計還使用了兩個IC以及一些電容器和電阻器,從而形成了一個以互斥或閘(XOR gate;IC1)作為主動元件的皮爾斯(Pierce)型振盪器。XOR邏輯閘作為反相器並不是此類振盪器所最常用的閘電路,但我的系統中有3個XOR閘未曾使用,於是用於進行嘗試。在該配置下,振盪器最終得以可靠且精確地工作。

該電路所用晶體為20pF負載的並聯類型。針對電容器C2和C3賦予100pF的電容值,我獲得了4.0954MHz的訊號頻率。該頻率除以9後得到了455.04kHz的頻率,該數值的準確度足以滿足我的設計需求。

1:該設計使用基於XOR閘的Pierce振盪器,並產生頻率為455kHz50%工作週期的訊號。

第二個IC (IC2)是74HC4017詹森計數器(Johnson counter) ,我將其進位輸出線(接腳12)用作電路輸出,並將其配置為由上升沿觸發。在將重設輸入(接腳15)保持在邏輯電平0的情況下,當計數器的狀態介於0和4之間時,進位輸出線(接腳12)表現為電平1,而當其狀態介於5和9之間時則表現為電平0。

你可能認為該電路還有一種方案是將Q9 (接腳11)連接到重設輸入。然而,在這種情況下,雖然頻率輸出將為4.0954MHz除以9,但輸出工作週期將為55.56% (如果反轉輸出則為44.44%)。這就無法滿足減少或消除輸出二次諧波的需要。

為了尋找接近50%的工作週期,我添加了XOR閘IC1B並將其連接到計數器的Q4 (接腳10)輸出。隨著這一改變,計數器將在Q4為電平0時於輸入的上升沿觸發,並於Q4為電平1時在下降沿觸發。因此,電路就會在4個時脈脈衝加上第5個脈衝輸入處於電平1的時間內輸出電平1。當第5個脈衝變為電平0時,輸出將會變為電平0,並在接下來的4個脈衝內保持不變。因此,輸入的頻率被9分頻,而如果輸入工作週期為50%,那麼輸出工作週期也將是50%。

如果輸入頻率並非50%,則輸出也會關閉,但不會乘那麼多。輸入和輸出工作週期的關係如以下公式所示:

DC%out = (400 + DC%in) / 9

其中,DC%out和DC%in分別是輸出和輸入的工作週期,以0%和100%之間的百分比表示。因此,如果DC%in介於0%和100%之間,則輸出工作週期將介於44.44%和55.56%之間,不會比上述的情況差。

對電路進行測試所得的示波器截圖如2所示。4.0954MHz振盪器訊號(底部)和455.04kHz輸出訊號(頂部)的工作週期均為50%。

2:該測試結果顯示輸入訊號和9分頻輸出都具有50%的工作週期。

也可以使用另一個XOR閘來製作7分頻電路,如3所示。如果輸入的工作週期為50%,則也會產生50%工作週期的輸出。

3:還可以添加另一個XOR閘,使電路提供50%工作週期的7分頻輸出。

經過採用各種晶體振盪器測試這個電路後,它都能夠正常地運作。

(參考原文:Divider generates accurate 455kHz square-wave signal,by Ariel G. Benvenuto)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年11月號雜誌

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