基于鎖相環(huán)的頻率合成電路設(shè)計(jì)

0 引言

鎖相環(huán)簡稱PLL,是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門技術(shù)，早期是為了解決接收機(jī)的同步接收問題而開發(fā)的，后來應(yīng)用在電視機(jī)的掃描電路中。由于鎖相技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)到家用電器的各個(gè)領(lǐng)域。自從20世紀(jì)70年代起，隨著集成電路的發(fā)展，開始出現(xiàn)集成的鎖相環(huán)器件、通用和專用集成單片鎖相環(huán)，使鎖相環(huán)逐漸變成一個(gè)低成本、使用簡便的多功能器件。如今，PLL技術(shù)主要應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、彩電色幅載波提取、雷達(dá)、FM立體聲解碼等各個(gè)領(lǐng)域。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了各種數(shù)字PLL器件，它們在數(shù)字通信中的載波同步、位同步、相干解調(diào)等方面起著重要的作用。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛快發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的頻率源已經(jīng)成為科研生產(chǎn)的重要組成部分。高性能的頻率源可通過頻率合成技術(shù)獲得。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，鎖相式頻率合成技術(shù)占有越來越重要的地位。由一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度的參考頻率源通過數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)可獲得高品質(zhì)的離散頻率源。

1 鎖相環(huán)及頻率合成器的原理

1.1 鎖相環(huán)原理

PLL是一種反饋控制電路，其特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因PLL可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以PLL通常用于閉環(huán)跟蹤電路。PLL在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱的由來。PLL通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，PLL組成的原理框圖如圖1所示。

PLL中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD（t）電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC（t），對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖2所示。

鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為：

式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：

用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC（t）。即uC（t）為：

式中的ωi為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，θ i（t）和θ 0（t）分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為：

上式等于零，說明PLL進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc（t）為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說明PLL的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，uc（t）隨時(shí)間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖3所示，

該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號(hào)電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達(dá)式為

上式說明，當(dāng)uc（t）隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時(shí)間而變，Pll進(jìn)入“頻率牽引”,自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使PLL進(jìn)入鎖定狀態(tài)，并保持ω0=ω。

1.2 頻率合成器原理

如圖4所示，PLL頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對(duì)參考頻率源進(jìn)行分頻，輸出信號(hào)作為相位比較器參考信號(hào)?？勺兎诸l器對(duì)壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時(shí)，有f1=f2,因?yàn)閒1=fr/M,f2=f0/N,所以有f0=Nfr/M.只要改變可變分頻器的分頻系數(shù)N,就可以輸出不同頻率的信號(hào)。

2 集成鎖相環(huán)CD4046電路介紹

CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V~8V），輸入阻抗高（約100M Ω），動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下，功耗僅為600μW,屬微功耗器件。在電源電壓VDD=15V時(shí)最高頻率可達(dá)1.2MHz,常用在中、低頻段。CD4046內(nèi)部集成了相位比較器1、相位比較器2、壓控振蕩器以及線性放大器、源跟隨器、整形電路等。各引腳功能如下：

1腳是相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳是相位比較器I的輸出端。3腳是比較信號(hào)輸入端。4腳是壓控振蕩器輸出端。5腳是禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。6、7腳是外接振蕩電容端。8、16腳是電源的負(fù)端和正端。9腳是壓控振蕩器的控制端。10腳是解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳是外接振蕩電阻。13腳是相位比較器2的輸出端。14腳是信號(hào)輸入端。15腳是內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。圖5是CD4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖6是外圍電路連線圖。

相位比較器1采用異或門結(jié)構(gòu)，使用時(shí)要求輸入信號(hào)占空比為50%.當(dāng)兩路輸入信號(hào)的高低電平相異時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，反之，輸出信號(hào)為低電平。相位比較器1的捕捉能力和濾波器有關(guān)，選擇合適的濾波器可以得到較寬的捕捉范圍。相位比較器2由一個(gè)信號(hào)的上升沿控制，它對(duì)輸入信號(hào)的占空比要求不高，允許輸入非對(duì)稱波形，具有很寬的捕捉范圍。相位比較器2的輸出和兩路輸入信號(hào)的頻率高低有關(guān)，當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí)，輸出為邏輯“0”,反之則輸出邏輯“1”.如果兩信號(hào)的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號(hào)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器2輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí)，相位比較器2的輸出為高阻態(tài)。壓控振蕩器需要外接電阻R1、R2和電容C1.R1、C1是充放電元件，電阻R2起頻率補(bǔ)償作用。VCO的振蕩頻率不僅和R1、R以及C1的取值有關(guān)，還和電源電壓有關(guān)，電源電壓越高振蕩頻率越高。

3 頻率合成器外圍電路設(shè)計(jì)

3.1 參考頻率源

本設(shè)計(jì)中參考頻率源選用CMOS石英晶體多諧振蕩器-產(chǎn)生2MHz的矩形脈沖信號(hào)，電路如圖7所示。

3.2 可變分頻器

可變分頻器由集成四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161來完成。這里采用4片74LS161通過預(yù)置數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)可變分頻。為提高工作速度，可采用圖8所示接法。利用同步方案最高可實(shí)現(xiàn)65536分頻。預(yù)制值=65536-N.經(jīng)過可變分頻后獲得的信號(hào)是窄脈沖信號(hào)，在輸出端可利用74LS74對(duì)該信號(hào)進(jìn)行二分頻，以便獲得方波信號(hào)，從而滿足相位比較器1的占空比要求。此時(shí)實(shí)際分頻系數(shù)變?yōu)?N.電路如圖8所示。

參考分頻器與可變分頻器采用同樣的電路，目的在于通過設(shè)置不同的分頻系數(shù)M,以實(shí)現(xiàn)不同的頻率間隔的需求。

3.3 環(huán)路濾波

本設(shè)計(jì)選取無源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器，其時(shí)間常數(shù)T=（R7+R8）C5電路如圖9所示。

4 電路的調(diào)試

在調(diào)試的過程中需注意R1、R以及C1的選取，選取不同的R1、R、C1并合理設(shè)置可變分頻系數(shù)N就可獲得不同頻率范圍的輸出信號(hào)，同時(shí)根據(jù)所需情況選取合適的濾波器，設(shè)置不同的參考分頻系數(shù)即可改變頻率間隔。

5 結(jié)束語

本電路由于頻率范圍和頻率間隔可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，且輸出信號(hào)頻率具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，可廣泛作為離散信號(hào)源來使用，也可用于集成。此外，如用單片機(jī)對(duì)分頻器的置數(shù)端進(jìn)行控制，可更加方便地實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。