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1、第4章集成锁相环第1页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-272v锁锁相相技术可广泛用于广播电视、雷达通信、频率合成、信号自动跟踪、自动控制、FM解调、电机稳速、抑制电网干扰、时钟同步等领域。v本章首先介绍锁锁相相环环的基本概念，然后重点介绍CMOS集成锁相环CD4046的工作原理与使用技巧。第2页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2734.1 锁相环简介 v所谓锁锁相相，就是实现相相位位同同步步。能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁相环（Phase Locked Loop：PLL）。典型的锁相环主要包括三部分：相位比较器（PC，亦称鉴相器）；低 通 滤 波
2、 器（LPF）；压 控 振 荡 器（VCO）。第3页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2744.1 锁相环简介(续)v相位比较器一端接输入信号Vi(t),另一端接比较信号Vo(t)。Vo(t)即压控振荡器的输出信号。比较器将Vi(t)与Vo(t)的相位进行比较，产生一个与二者的相位差成正比的误差电压V(t)。第4页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2754.1 锁相环简介(续)vV(t)再经过低通滤波器滤除高频分量，得到平均值电压即控制电压Vd(t)加到VCO的控制端，使之振荡频率 f2向输入信号频率f1靠拢，二者频率差迅速减小，直至f=0，f2=f1。第5页，
3、共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2764.1 锁相环简介(续)v当f=0时，这两个信号的频率相同且相位差保持恒定（同步），称作相位锁定相位锁定。第6页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2774.1 锁相环简介(续)v这一过程称作“捕捉”过程。能够最终锁定的最大初始频差，叫锁相环的“捕捉范围”。一旦锁相环被锁定在输入频率f1上，它就能在一定的频率范围内自动跟踪f1的任何变化，此频率范围叫“锁定范围”。第7页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2784.1 锁相环简介(续)v显然锁相环总是先先捕捕捉捉信信号号，然后再锁定。由于对锁相环电路而言，完成捕捉
4、要比锁定更困难，因因此此锁锁相相环环的的捕捕捉捉范范围围一一般般要要小小于于锁锁定范围定范围。第8页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2794.1 锁相环简介(续)v需要说明，当 f2f1 时，V(t)代表的是频频率率差差，这对应于捕捉过程；v当 f2=f1 时，V(t)代表相相位位差差。对应于锁定过程。第9页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27104.1 锁相环简介(续)v锁相环属于负反馈系统，其信号流程为：负反馈输入Vi(t)V(t)Vd(t)输出Vo(t)第10页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27114.1 锁相环简介(续)v使用锁相
5、环时一般会在负反馈线路中插入一个运算器。若分别加除法器（N）、乘法器（N）、加法器（N）、减法器（N），锁相环的输出频率f2就依次为Nf1、f1N、f1N、f1N，如图所示。第11页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27124.2 集成锁相环的工作原理集成锁相环的工作原理vCD4046是目前国内外最常见的集成 锁 相 环，其 同 类 产 品 为MC14046、CC4046，均 属 于CMOS集成电路。74HC4046则属于高速CMOS电路。v锁 相 环 器 件 还 有 美 信 公 司 的MAX2395；第12页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27134.2 集
6、成锁相环的工作原理集成锁相环的工作原理(续续)vCD4046的特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。第13页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27144.2 集成锁相环的工作原理集成锁相环的工作原理(续续)vCD4046采用DIP16 封装，管脚排列如图所示。各管脚的功能如下：PHI1为输入信号端，PHI2为比较信号输入端。PHO1是相位比较器I的输出端，PHO2是相位比较器II的输出端。第14页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27154.2 集成锁相环的工作原理
7、集成锁相环的工作原理(续续)vPHO3为相位输出端，当环路入锁时呈高电平，环路失锁时为低电平，此端通过晶体管后去驱动发光二极管，可构成入锁状态指示电路，入锁时灯亮。第15页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27164.2 集成锁相环的工作原理集成锁相环的工作原理(续续)vVCOI、VCOO分别为压控振荡器的控制端、输出端。INH为禁止端，接高电平时禁止压控振荡器工作。DEMo是解调输出端，用于FM解调。Z为内部独立的齐纳稳压管的负端，其稳定电压Vz5V、在与TTL匹配时可作辅助电源。第16页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2717CD4046的工作原理的工作原
8、理 vCD4046的逻辑框图如图所示。主要包括相位比较器和、压控振荡器VCO、线性放大及整形电路A1，另需外接阻容元件构成低通滤波器低通滤波器。第17页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2718CD4046的工作原理的工作原理(续续)v输入信号VI从14脚输入后，经过A1进行放大和整形，加至相位比较器和的输入端。图中将开关S拨到第2脚，相位比较器就把从第3脚输入的比较信号与输入信号VI进行相位比较，由第2脚输出的误差电压V即反映出二者的相位差。第18页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2719CD4046的工作原理的工作原理(续续)vV经过由R3、R4、C2组成
9、的低通滤波器滤除高频之后，就获得控制电压Vd(电压的平均值)，加至VCO的输入端来调整其振荡频率，使f2迅速逼近于Nf1。VCO的输出再经除法器（N）进行N分频后，送至相位比较器，继续与VI，进行相位比较，最后使：第19页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2720CD4046的工作原理的工作原理(续续)v二者的相位差为一恒定值，实现了锁相。由：v容易推导出：第20页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2721CD4046的工作原理的工作原理(续续)v这表明，尽管从局部上看使用除法器完成的是N分频，但就锁相环整体而言则实现了N倍频。因此，利用锁相环可以构成N倍频器，
10、N是除法器的分频系数。第21页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2722CD4046 各单元电路的工作原理各单元电路的工作原理 1.相位比较器 相位比较器采用异异或或门门结构。其特点是当两个输入端信号VI、VI的电平相异时（一个为高电平，另一个是低电平），输出端信号V为高电平；反之为低电平。第22页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2723CD4046的工作原理的工作原理(续续)p因此，当VI与VI的相位差，在0180范围内变化时，V的脉冲宽度m和占空比D也在改变，经低通滤波器得到的平均值电压Vd随之而变。第23页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9
11、-2724CD4046的工作原理的工作原理(续续)vV、Vd与的变化关系如图所示。由图可见：vVVd,Vd与也呈正比。这就是相位比较器的工作原理。显见，相相位位比比较较器器要求VI和Vo的占空比都必须是50(即方波)，这样才能使锁定范围最大。第24页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2725CD4046的工作原理的工作原理(续续)v相位比较器是一个由信号上升沿控制的数字存储网络。其逻辑图如图所示。它由门电路、R-S触发器、三态P沟道和N沟道场效应管等组成。由于它仅在VI与Vo的上升沿起作用，与二者是否为方波无关，故可接受任意占空比的输入信号。第25页，共46页，编辑于2022年
12、，星期一2006-9-2726CD4046的工作原理的工作原理(续续)v相位比较器的输出状态有以下4种情况：当 f2 f1时，N沟道管导通，V=0；第26页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2727CD4046的工作原理的工作原理(续续)当 f2=f1时视二者相位差而定，当VI超前于Vo时V=1，VI滞后于Vo时V=0。当f2=f1且=0（相位锁定）时，P、N沟道管均截止，输出呈高阻态。第27页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2728CD4046的工作原理的工作原理(续续)v高阻态仅是动态平衡过程中的一个瞬间状态，只要f1又发生微小变化，就重复上述过程，实现新
13、的平衡。第28页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-27294.3 CD4046的典型应用的典型应用vCD4046的典型应用包括组成Vf 转换器、fV转换器、电机自动稳速电路等。第29页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2730一、电压频率（一、电压频率（V/f）转换器）转换器 v单独使用锁相环中的压控振荡器，可构成Vf 转换器。频率连续可调的音频振荡器电路如图所示。将第12脚悬空，使R2，fmin=0Hz。取R1=100k，C1=100pF，VDD10V时，fmax20kHz。第30页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2731一、电压频率（一、电
14、压频率（V/f）转换器）转换器 v改变电位器RP1的滑臂位置，使VCO的控制电压Vd从0V连续升到VDD，从第4脚可得到0Hz20kHz的输出信号。第31页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2732vVMOS管V20AT作功率输出级，监听扬声器BL与RP2组成漏极负载，RP2兼作音量调节。将RP1的频率刻度盘用标准频率计校准后，即可作为音频信号发生器使用。一、电压频率（一、电压频率（V/f）转换器）转换器 第32页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2733v该电路若去掉RP1，改用敏感元件（如热敏、力敏、气敏元件）和电压比较放大器构成输入级，即为多用途越限报警器
15、。一、电压频率（一、电压频率（V/f）转换器）转换器 第33页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2734v由图可见，控制电压Vd除接VCOI之外，还 经 过 源 跟 随 器 A2从 第 10脚（DEMo）上获得与输入频率成正比的平均值电压。由此可构成fV转换器。A2的作用是提高带负载能力，推动灵敏表头。二、频率电压（二、频率电压（fV）转换器）转换器 第34页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2735v模拟式频率计电路如图所示，它用表针指示被测频率的高低。R1由4.7k固定电阻与51k电位器串联而成。R4、R5和C4构成低通滤波器。二、频率电压（二、频率电压（f
16、V）转换器）转换器 第35页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2736vR3与表头M串联后作为源跟随器的负载，R3还用于调节表头的满度电流。表头上并联了100F大电容，用以消除低频时表针的抖动现象。二、频率电压（二、频率电压（fV）转换器）转换器 第36页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2737v国外设计的一种金属探测仪电路如图所示。VT与C1、C2、探头L一起组成振荡器，振荡频率约300kHz。探头采用440mm的线圈（亦可用磁棒线圈代替）。当探头接近埋在地下的金属物体时，金属物体相当于短路环，使L的电感量减小，振荡频率随之升高，表针偏转角度改变。二、频率电
17、压（二、频率电压（fV）转换器）转换器 第37页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2738v表头宜采用零位指示器，零点位于刻度盘中央。该电路仍用于fV转换器，因使用相位比较器II，故可接受任意占空比的波形。二、频率电压（二、频率电压（fV）转换器）转换器 第38页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2739v利用锁相环可以精确地控制直流电机的转速，使之在最佳转速值上长期稳定地工作。电机自动稳速电路框图如图所示。三、电机自动稳速电路三、电机自动稳速电路第39页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2740v图中M表示直流电动机。由磁电（或光电）式传感器发
18、出的转速信号经过放大后，作为输入频率信号f1接相位比较器II的第14脚。三、电机自动稳速电路三、电机自动稳速电路第40页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2741v由晶振分频电路获得的基准频率信号f2作比较信号，接第3脚。经过相位比较、滤波和功率放大后得到电压E，作为直流电机的电源电压。E的高低就决定了电机转速的快慢。该电路有两个特点：三、电机自动稳速电路三、电机自动稳速电路第41页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2742v第一，用电机来代替压控振荡器，Vd不是控制VCO的振荡频率，而是控制电机转动频率f1，亦即控制电机转速。电路仍属闭环系统。根据锁相原理，当
19、f1=f2时环路入锁，此时电机转速的稳定性与基准频率的稳定性相同。v第二，如果连续改变f2值，即可实现电机调速。三、电机自动稳速电路三、电机自动稳速电路第42页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2743v锁相环的一个重要用途就是进行频率合成。所谓频率合成是指将任一给定的基准频率（通常是由石英晶体振荡器产生的高稳定度基准频率）变换成一系列新的频率信号f1，f2，fn；而这些新频率的稳定度与基准频率相当。4.4 频率合成器频率合成器第43页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2744v例如，基准频率的稳定度为10-8，那么所产生的一系列新频率的稳定度也是10-8。尤其
20、对于倍倍频频，这是用其他方法所难以实现的。把计数器插在VCO的输出端与相位比较器II之间作分频器使用（N）可对输入频率进行准确的倍频。4.4 频率合成器频率合成器第44页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2745v可编程倍频原理如图所示。设晶振频率为fo，经过固定分频电路得到基准频率f1。设分频系数为M，f1foM。f1送到相位比较器II的一个输入端。VCO产生的频率f2经过一个可编程分频器得到f2（f2=f2N，N为分频系数），再送至相位比较器II的另一输入端。当相位锁定后，f1=f2，即foM=f2N，由此得到：4.4 频率合成器频率合成器第45页，共46页，编辑于2022年，星期一2006-9-2746v这就是倍频原理。若分频系数N从1连续变化到 999，利用一个石英晶体就可得到 999个不同的f2输出。假如不用锁相环而按常规设计，所需要的石英晶体数量将十分可观。4.4 频率合成器频率合成器第46页，共46页，编辑于2022年，星期一