鎖相環(huán)的應(yīng)用

鎖相環(huán)CD4046應(yīng)用

鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(VCO)。低通濾波器三部分組成，如圖1所示。

圖1

壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和Uo兩個(gè)信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud。這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號的頻率相同，兩相位差保持恒定(即同步)稱作相位鎖定。

圖2

當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率，并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于VCO輸出信號頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器，以滿足不同工作的需要。過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，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-18V)，輸入阻抗高(約100MΩ)，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。圖2是CD4046的引腳排列，采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如下：

1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳相位比較器Ⅰ的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。

圖3

圖3是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器(VCO)、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)(即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平)，輸出端信號UΨ為高電平;反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)(即兩個(gè)均為高，或均為低電平)，UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形(如圖4所示)可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50%(即方波)，這樣才能使鎖定范圍為最大。

圖4

相位比較器Ⅱ是一個(gè)由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號(相位脈沖)兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器Ⅱ的兩個(gè)輸人信號之間保持0°相移。

對相位比較器Ⅱ而言，當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時(shí)，輸出為邏輯“0”;反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時(shí)，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器Ⅱ輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差。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Ⅱ的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見，從1腳輸出信號是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號的情況了。

圖5

CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低;當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1。2MHz(VDD=15V)，若VDD<15V，則fmax要降低一些。

CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。齊納二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。

綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號 Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號Uo與輸入信號Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器Ⅰ，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2=f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同，不再贅述。