鎖相環(huán)CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究

1、電子質(zhì)量 (2012第 01期 鎖相環(huán) CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究鎖相環(huán) CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究The Application Design and Study of Phase-Locked Loop CD4046曾素瓊 (嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院 , 廣東 梅州 514015Zeng Su-qiong (Schoolof Electronics and Information Engineer,Jiaying University,Guangdong M eizhou 514015摘 要:討論鎖相環(huán)的原理及應(yīng)用, 設(shè)計(jì)基于鎖相環(huán) CD4046的鎖相頻率合成器和鑒頻電路, 對(duì)電路作

2、了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析 。 該設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單實(shí)用, 能較好地說(shuō)明鎖相環(huán)的應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程及優(yōu)勢(shì), 利于對(duì)鎖相環(huán)應(yīng)用的研究 。關(guān)鍵詞:鎖相環(huán); 壓控振蕩器 (VCO; 鎖相頻率合成器; 鑒頻中圖分類號(hào):TP273;TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0107(201201-0072-04Abstract:In this paper,phase locked loop is discussed of the principle and application,PLL frequencysynthesizer and frequency discrimination circuit based on

3、PLL CD4046are designed.Finally,experimentalverification and analyzed of the system were made.The design has the advantades of simple construc-ture and practical circuit,to better illustrate the application of phase-locked loop design process and ad-vantage,conducive to the PLL application research.K

4、ey w ords:phase-locked loop (PLL;voltage-controlled oscillator(VCO;PLLfrequency synthesizer;fre-quency discriminationCLC num ber:TP273;TN915Docum ent code:AArticle ID :1003-0107(201201-0072-040引言相位鎖定環(huán)路簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)路, 英文的縮寫(xiě)是 PLL 。 在 鎖定狀態(tài)下,鎖相環(huán)輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確地等于輸入信 號(hào)的頻率, 所以利用鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)差的頻率跟蹤 。 利 用鎖相相位控制特性,可以把它用于各種各樣的反

5、饋控 制系統(tǒng)中, 例如, 鎖相頻率合成; 利用它的調(diào)制跟蹤和載 波跟蹤特性, 可以把它用于調(diào)制 、 解調(diào) 、 鎖相接收 、 載波恢 復(fù) 、 位同步提取等 1-3; 利用鎖相環(huán)的窄帶濾波特性, 可以 把淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)提取出來(lái),所以可以把它用于弱 信號(hào)檢測(cè) 。 當(dāng)今, 鎖相已被廣泛地應(yīng)用于通信 、 雷達(dá)導(dǎo)航 、 自動(dòng)控制 、 弱信號(hào)檢測(cè) 、 儀器儀表等各個(gè)方面 4。 文中對(duì)鎖 相環(huán) CD4046在數(shù)字鎖相頻率合成和調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)應(yīng) 用進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究 。1鎖相環(huán)路簡(jiǎn)介鎖相環(huán)路是相位反饋控制環(huán)路,基本鎖相環(huán)路由鑒 相器 (PD、 環(huán)路低通濾波器 (LPF和電壓控制振蕩器 (VCO三個(gè)部件組成,

6、 如圖 1所示 。環(huán)路的輸入信號(hào)為 u i (t , 其相位為 1(t ; 壓控振蕩 器的輸出信號(hào)為 uo(t , 其相位為 2(t 。 鑒相器的輸出 電壓 u d (t 是 u i (t 與 u o (t 的相位差 e (t =1(t -2(t 的函 數(shù) 。 u d (t 經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波取出直流和低頻信號(hào) u C (t 。 在電壓 u C (t 的控制下, 壓控振蕩器的頻率向輸入 信號(hào)的頻率靠攏, 直至達(dá)到相等, 鑒相器輸出電壓 u d (t 恒定不變 。u i (t =U im (t sin(i t +i =U im sin0t +(i -0 t +i =U im sin0t +1(t

7、 u 0(t =U om cos0t +2(t 鑒相器輸出電壓 u d (t 是兩個(gè)輸入電壓相位差 e (t 的函數(shù) 。 不同形式的鑒相器, 函數(shù)關(guān)系不同, 乘積型鑒 相器的輸出電壓為:u d (t =1k m U im U om sin1(t -2(t =U d sin e (t 2鎖相頻率合成頻率合成器, 是以一個(gè)精確度 、 穩(wěn)定度極好的石 英晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率, 并利用加 、 減 、 乘 、 除 、 混 頻等基本運(yùn)算技術(shù), 以獲得與石英晶體振蕩器同等精 確度和穩(wěn)定度的大量離散頻率信號(hào)的設(shè)備 。 目前, 頻 率合成器已成為電子技術(shù) 、 空間技術(shù)和通信技術(shù)中的作者簡(jiǎn)介:曾素瓊 (1967

8、- , 女, 副教授, 碩士, 研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)應(yīng)用研究 。 圖 1基本鎖相環(huán)路的組成方框圖72電子質(zhì)量 (2012第 01期 一個(gè)重要的組成部分 。 例如, 在現(xiàn)在無(wú)線電收 、 發(fā)信機(jī) 中, 廣泛采用頻率合成器作為收 、 發(fā)信機(jī)的振蕩頻率源; 在雷達(dá)及電子對(duì)抗中, 利用頻率合成器可以迅速而又準(zhǔn) 確地改變頻率, 以避開(kāi)敵機(jī)的偵察和干擾; 在各種精密 儀表中, 頻率合成器能提供高分辨力 、 低噪聲 (相位噪聲 的信號(hào), 以適應(yīng)各種精密測(cè)量的需要 。頻率合成器和常規(guī)的振蕩式正弦信號(hào)頻率源相比, 其主要優(yōu)點(diǎn)是:(1具有較高的頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度, 相位噪聲小 。 若頻 率合成器用恒溫控制的高穩(wěn)定度的石

9、英晶體振蕩器作 為基準(zhǔn)頻率源 (或稱主晶振 的話, 則 f /f可達(dá) 10-10 10-8/日, 而常規(guī)的振蕩式正弦信號(hào)頻率源, 其穩(wěn)定度一般的只能達(dá)到 f /f=10-810-5/日;(2電路簡(jiǎn)單易集成 、 易編程, 從而易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字置 定和顯示頻率, 可提高頻率的分辨能力和頻率置定的重 復(fù)性 5-6;(3輸出頻率范圍大, 頻率源豐富 。利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法是間接頻率合 成法, 這種方法是目前頻率合成中應(yīng)用最廣泛的方法之 一 。 用于頻率合成中的鎖相環(huán)有倍頻鎖相環(huán) 、 分頻鎖相 環(huán)和混頻鎖相環(huán) 。 倍頻鎖相環(huán)如圖 2所示 。 鎖相環(huán)是一 種相位負(fù)反饋系統(tǒng), 它利用環(huán)路的窄帶跟蹤與同

10、步特性 將鑒相器一端 VCO 的輸出相位與另一端晶振參考的相 位保持同步, 實(shí)現(xiàn)鎖定輸出頻率的功能, 同時(shí)可以得到 和參考源相同的頻率穩(wěn)定度 。 當(dāng) PLL 處于鎖定狀態(tài)時(shí), PD 兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率一定精確相等,否則 LPF 會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)控制電壓去改變 VCO 的振蕩頻率,最終使兩頻 率精確相等 。 設(shè)晶振的輸出頻率為 f r (輸入信號(hào)的參考頻 率 , VCO 輸出頻率為 f o , 鎖定狀態(tài)下, 則環(huán)路輸出信號(hào)的頻率 fo=Nf r 。2.2基于鎖相環(huán) CD4046頻率合成器設(shè)計(jì)2.2.1鎖相環(huán) CD4046介紹CD4046常使用集成電路的鎖相環(huán) 。 它是通用的 CM OS 鎖相環(huán)集成電

11、路,其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬 (為 318V , 輸入阻抗高 (約 100M , 動(dòng)態(tài)功耗小, 在中心頻率 fo為 10kHz 下功耗僅為 600W ,屬微功耗器件 。 CD4046內(nèi)部電原理框圖如圖 3所示,它主要由相位比 較 、 、 壓控振蕩器 (VCO、 線性放大器 、 源跟隨器 、 整 形電路等構(gòu)成 。 比較器 采用異或門結(jié)構(gòu), 當(dāng)兩個(gè)輸入 端信號(hào) U i 、 U o 的電平狀態(tài)相異時(shí) (即一個(gè)為高電平, 一個(gè) 為低電平 , 輸出端信號(hào) U d 為高電平; 反之, 當(dāng) U i 、 U o 電 平狀態(tài)相同時(shí) (即兩個(gè)均為高, 或均為低電平 , U d 輸出 為低電平 。 當(dāng) U i 、 U

12、 o 的相位差 在 0°180°范圍 內(nèi)變化時(shí), U d 的脈沖寬度 m 亦隨之改變, 即占空比亦在 改變 。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(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻 R 2。 由于 VCO 是一個(gè)電流控制振蕩器, 對(duì)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), 輸出頻率則線性增大到最高輸出頻率 。 VCO 振蕩頻率的范

13、圍由 R1、 R 2和 C 1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(duì)稱方波 。 一般規(guī) 定 CD4046的 最 高 頻 率 為 1.2M Hz (V D D =15V , 若 V D D <15V, 則 f m ax 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(hào)變成方波或脈沖 信號(hào)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 。2

14、.2.2基于 74LS90分頻器的頻率合成器74LS90是異步二 -五 -十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,其管腳圖 如圖 4所示, 功能表如表 1所示, 它的內(nèi)部由 3個(gè)計(jì)數(shù) 電路組成, 一個(gè)為二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路, 計(jì)數(shù)脈沖輸入端為圖 2倍頻鎖相環(huán)頻率合成原理方框圖 圖 3CD4046內(nèi)部電原理框圖鎖相環(huán) CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究73電子質(zhì)量 (2012第 01期 CKA , 輸出端為 QA ; 另一個(gè)為五進(jìn)制計(jì)數(shù)電路, 計(jì)數(shù)脈 沖輸入端為 CKB , 輸出端為 QB , QC , QD , 這兩個(gè)計(jì)數(shù)器可獨(dú)立使用;當(dāng)將 QA 連到 CKB ;R 01、 R 02、 R 92、 R 91接地 , 當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖輸入

15、 CKA 時(shí), 可構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 7。 表 174LS90功能表 普通計(jì)數(shù)器作為分頻時(shí), 從計(jì)數(shù)器輸出引腳可以得 到輸入信號(hào)的 2、 4、 8 分頻的信號(hào) 。 依此原理當(dāng) 74LS90作十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以方便得到 2、 4、 8分頻信號(hào) 。 將 74LS90輸出端 QA , QB , QC 分別與 CD4046的 3腳 (比較 信號(hào)輸入端 相連時(shí), 構(gòu)成的頻率合成器如圖 5所示 。 在 CD4046的 14腳上輸入已經(jīng)調(diào)好的 1.00kHz 正 弦波信號(hào), 如圖 6所示 。 把 CD4046的 3腳與 QA 相連, 即 74LS90為 2分頻時(shí),用示波器測(cè) CD4046的 4腳得 到頻率輸出為

16、 1.99kHz (理論值為 2kHz 的正弦波形, 如圖 7所示;把 CD4046的 3腳與 QB 相連, 即 74LS90為 4分頻時(shí),用示波器測(cè) CD4046的 4腳得到頻率輸出為 3.96kHz (理論值為 4.0kHz 的正弦波形, 如圖 8所示; 把 CD4046的 3腳與 QC 相連,用示波器測(cè) CD4046的 4腳 得到頻率輸出為 7.94kHz (理論值為 8.0kHz 的正弦波形, 如圖 9所示 。從實(shí)驗(yàn)得出的波形圖及數(shù)據(jù)可以看出,上面用 74LS90和 CD4046組成的頻率合成器方法是可行的, 合 成器輸出的波形及數(shù)據(jù)與理論計(jì)算基本符合, 輸出頻率 重復(fù)性好, 穩(wěn)定度高

17、, f /f 0可達(dá) 10-8/日 。 要設(shè)計(jì)輸出頻 率范圍更大, 頻率源更豐富的頻率合成系統(tǒng), 只要把系 統(tǒng)中的 N 作變化, 例如:N =M P , M 、 P 為可控整數(shù), 即可 實(shí)現(xiàn) 4-5。圖 474LS90芯片管腳圖R0(1R0(2R9(1R9(2QD QC QB QA 110X 000011X 00000XX 111001X 0X 0計(jì)數(shù) 0X 0X 計(jì)數(shù) 0X X 0計(jì)數(shù) X 0X計(jì)數(shù)圖 574LS90與 CD4046組成的頻率合成器圖 61.00kHz 正弦波信號(hào)波形鎖相環(huán) CD4046的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究74電子質(zhì)量 (2012第 01期 3基于 CD4046的調(diào)頻信號(hào)解調(diào) (

18、鑒頻 圖 10所示是 CD4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 電 路 簡(jiǎn) 圖 。 調(diào) 頻 信 號(hào) 經(jīng) 放 大 器 放 大 后 交 流 耦 合 到 CD4046鎖相環(huán)的 14腳, 輸入端環(huán)路的相位比較器采用 比較器 。 鎖相環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率 f 0等于調(diào)頻信號(hào)頻 率 f S , 這樣會(huì)引起壓控振蕩器輸出與輸入信號(hào)輸入間產(chǎn) 生不同的相位差, 從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入 信號(hào)頻率變化相應(yīng)的電壓變化, 這個(gè)電壓變化經(jīng)源極跟 隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端 10腳輸出解調(diào) 信號(hào) 。 電路中輸入調(diào)頻信號(hào) u FM (載波信號(hào):f c =400.179kHz正弦波; U cm =2.5V;調(diào)制信號(hào) u 為:F =400.167Hz, U m =1V的方波 。 u FM 的波形圖如圖 11所示 。 在 電 路 的 輸 出 端 得 到 解 調(diào) 信 號(hào) 是 :頻 率 f =400.021Hz ,幅度 U m =1.70V的方波如圖 12所示, 圖 13所示是 FM 信號(hào)解調(diào)后波形與解調(diào)前信號(hào)對(duì)照?qǐng)D 。從上面的波形及數(shù)據(jù)可以證明:圖 10所 示 的 CD4046鎖相環(huán)對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)電路是可行的,解調(diào) 失真小 。 鎖相環(huán)用于解調(diào) FM 信號(hào), 具有電路簡(jiǎn)單, 解調(diào)效果好的特點(diǎn) 。 注意: