0 引言
鎖相環(huán)簡(jiǎn)稱PLL" target="_blank">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(wèn)題而開發(fā)的,，后來(lái)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(jiǎn)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?cè)跀?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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái),。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(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)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：
即：
則瞬時(shí)相位差θd為：
對(duì)兩邊求微分,，可得頻差的關(guān)系式為
上式等于零，說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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),。可變分頻器對(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(lái)完成,。這里采用4片74LS161通過(guò)預(yù)置數(shù)的方法來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(yǔ)
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(lái)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,。