锁 相 环 CD4046 应 用 介 绍

锁锁 相相 环环 CD4046CD4046 应应 用用 介介 绍绍 锁相的意义是相位同步的自动控制 能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫 做锁相环 简称 PLL 它广泛应用于广播通信 频率合成 自动控制及时钟同步等技术领域 锁 相环主要由相位比较器 PC 压控振荡器 VCO 低通滤波器三部分组成 如图 1 所示 图 1 压控振荡器的输出 Uo 接至相位比较器的一个输入端 其输出频率的高低由低通滤波器上建 立起来的平均电压 Ud 大小决定 施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号 Ui 与来自压控振荡 器的输出信号 Uo 相比较 比较结果产生的误差输出电压 U 正比于 Ui 和 Uo 两个信号的相位差 经 过低通滤波器滤除高频量后 得到一个平均值电压 Ud 这个平均值电压 Ud 朝着减小 VCO 输出频率和 输入频率之差的方向变化 直至 VCO 输出频率和输入信号频率获得一致 这时两个信号的频率相同 两相位差保持恒定 即同步 称作相位锁定 图 2 当锁相环入锁时 它还具有 捕捉 信号的能力 VCO 可在某一范围内自动跟踪输入信号的 变化 如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化 锁相环能捕捉到输人信号频率 并强迫 VCO 锁定在这个频率上 锁相环应用非常灵活 如果输入信号频率 f1 不等于 VCO 输出信号频率 f2 而要求两者保持一定的关系 例如比例关系或差值关系 则可以在外部加入一个运算器 以满足不同 工作的需要 过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成 现在常使用集成电路的锁相环 CD4046 是通用的 CMOS 锁相环集成电路 其特点是电源电压范围宽 为 3V 18V 输入阻抗高 约 100M 动态功耗小 在中心频率 f0 10kHz 下功耗仅为 600 W 属微功耗器件 图 2 是 CD4046 的引脚排列 采用 16 脚双列直插式 各引脚功能如下 1 脚相位输出端 环路人锁时为高电平 环路失锁时为低电平 2 脚相位比较器 的输出端 3 脚比较信号输入端 4 脚压控振荡器输出端 5 脚禁止端 高电平时禁止 低电平时允许压控振荡器工作 6 7 脚外接振荡电容 8 16 脚电源的负端和正端 9 脚压控振荡器的控制端 10 脚解调输出端 用于 FM 解调 11 12 脚外接振荡电阻 13 脚相位比较器 的输出端 14 脚信号输入端 15 脚内部独立的齐纳稳压管负极 图 3 图 3 是 CD4046 内部电原理框图 主要由相位比较 压控振荡器 VCO 线性放大器 源跟随器 整形电路等部分构成 比较器 采用异或门结构 当两个输人端信号 Ui Uo 的电平状态 相异时 即一个高电平 一个为低电平 输出端信号 U 为高电平 反之 Ui Uo 电平状态相同 时 即两个均为高 或均为低电平 U 输出为低电平 当 Ui Uo 的相位差 在 0 180 范 围内变化时 U 的脉冲宽度 m 亦随之改变 即占空比亦在改变 从比较器 的输入和输出信号的波 形 如图 4 所示 可知 其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍 并且与两个输入信号之间的中 心频率保持 90 相移 从图中还可知 fout 不一定是对称波形 对相位比较器 它要求 Ui Uo 的 占空比均为 50 即方波 这样才能使锁定范围为最大 图 4 相位比较器 是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络 它对输入信号占空比的要求不高 允许输入非对称波形 它具有很宽的捕捉频率范围 而且不会锁定在输入信号的谐波 它提供数字误 差信号和锁定信号 相位脉冲 两种输出 当达到锁定时 在相位比较器 的两个输人信号之间保持 0 相移 对相位比较器 而言 当 14 脚的输入信号比 3 脚的比较信号频率低时 输出为逻辑 0 反之则输出逻辑 1 如果两信号的频率相同而相位不同 当输人信号的相位滞后于比较信号时 相 位比较器 输出的为正脉冲 当相位超前时则输出为负脉冲 在这两种情况下 从 1 脚都有与上述正 负脉冲宽度相同的负脉冲产生 从相位比较器 输出的正 负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿 之间的相位差 而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时 相位比较器 的输出为高阻态 则 1 脚输 出高电平 上述波形如图 5 所示 由此可见 从 1 脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两 个输入信号的情况了 图 5 CD4046 锁相环采用的是 RC 型压控振荡器 必须外接电容 C1 和电阻 R1 作为充放电元件 当 PLL 对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻 R2 由于 VCO 是一个电流控制振荡器 对定时电容 C1 的充电电流与从 9 脚输入的控制电压成正比 使 VCO 的振荡频率亦正比于该控制电压 当 VCO 控制电压为 0 时 其输出频率最低 当输入控制电压等于电源电压 VDD 时 输出频率则线性 地增大到最高输出频率 VCO 振荡频率的范围由 R1 R2 和 C1 决定 由于它的充电和放电都由同一个 电容 C1 完成 故它的输出波形是对称方波 一般规定 CD4046 的最高频率为 1 2MHz VDD 15V 若 VDD 15V 则 fmax 要降低一些 CD4046 内部还有线性放大器和整形电路 可将 14 脚输入的 100mV 左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器 源跟踪器是增益为 1 的放大器 VCO 的 输出电压经源跟踪器至 10 脚作 FM 解调用 齐纳二极管可单独使用 其稳压值为 5V 若与 TTL 电路 匹配时 可用作辅助电源 综上所述 CD4046 工作原理如下 输入信号 Ui 从 14 脚输入后 经放大 器 A1 进行放大 整形后加到相位比较器 的输入端 图 3 开关 K 拨至 2 脚 则比较器 将从 3 脚输入的比较信号 Uo 与输入信号 Ui 作相位比较 从相位比较器输出的误差电压 U 则反映出两者 的相位差 U 经 R3 R4 及 C2 滤波后得到一控制电压 Ud 加至压控振荡器 VCO 的输入端 9 脚 调 整 VCO 的振荡频率 f2 使 f2 迅速逼近信号频率 f1 VCO 的输出又经除法器再进入相位比较器 继 续与 Ui 进行相位比较 最后使得 f2 f1 两者的相位差为一定值 实现了相位 锁定 若开关 K 拨至 13 脚 则相位比较器 工作 过程与上述相同 不再赘述 下面介绍 CD4046 典型应用电路 图 6 图 6 是用 CD4046 的 VCO 组成的方波发生器 当其 9 脚输入端固定接电源时 电路即起基本 方波振荡器的作用 振荡器的充 放电电容 C1 接在 6 脚与 7 脚之间 调节电阻 R1 阻值即可调整振 荡器振荡频率 振荡方波信号从 4 脚输出 按图示数值 振荡频率变化范围在 20Hz 至 2kHz 图 7 图 7 是 CD4046 锁相环用于调频信号的解调电路 如果由载频为 10kHz 组成的调频信号 用 400Hz 音频信号调制 假如调频信号的总振幅小于 400mV 时 用 CD4046 时则应经放大器放大后用交 流耦合到锁相环的 14 脚输入端环路的相位比较器采用比较器 因为需要锁相环系统中的中心频率 f0 等于调频信号的载频 这样会引起压控振荡器输出与输入信号输入间产生不同的相位差 从而在压 控振荡器输入端产生与输入信号频率变化相应的电压变化 这个电压变化经源跟随器隔离后在压控振 荡器的解调输出端 10 脚输出解调信号 当 VDD 为 10V R1 为 10k C1 为 100pF 时 锁相环路的 捕捉范围为 0 4kHz 解调器输出幅度取决于源跟随器外接电阻 R3 值的大小 图 8 图 8 用 CD4046 与 BCD 加法计数器 CD4518 构成的 100 倍频电路 刚开机时 f2 可能 不等于 f1 假定 f2 f1 此时相位比较器 输 U 为高电平 经滤波后 Ud 逐渐升高使 VCO 输出 频率 f2 迅速上升 f2 增大值至 f2 f1 如果此时 Ui 滞后 U0 则相位比较器 输出 U 为低 电平 U 经滤波后得到的 Ud 信号开始下降 这就迫使 VCO 对 f2 进行微调 最后达到 f2 N f1 并且 f2 与 f1 的相位差 0 进入锁定状态 如果此后 f1 又发生变化 锁相 环能再次捕获 f1 使 f2 与 f1 相位锁定 CD4046 中文资料 CD4046 中文资料 锁相环 CD4046 为数字锁相环 PLL 芯片 内有两个 PD VCO 缓冲放大器 输入信号放大与整 形电路 内部稳压器等 它具有电源电压范围宽 功耗低 输入阻抗高等优点 其工作频率达 1MHz 内部 VCO 产生 50 占空比的方波 输出电平可与 TTL 电平或 CMOS 电平兼容 同时 它 还具有相位锁定状态指示功能 信号输入端 允许输入 0 1V 左右的小信号或方波 经 A1 放大和整形 提供满足 PD 要求的方 波 PDI 由异或门构成 具有三角形鉴相特性 它要求两个输入信号均为 50 占空比的方波 当 无输入信号时 其输出电压为 VDD 2 用以确定 VCO 的自由振荡频率 PDI 由异或门构成 具有三 角形鉴相特性 它要求两个输入信号均为 50 占空比的方波 当无输入信号时 其输出电压为 VDD 2 用以确定 VCO 的自由振荡频率 通常输入信噪比以及固有频差较小时采用 PDI 输入信 噪比较高或固有频差较大时 采用 PD R1 R2 C 确定 VCO 频率范围 R1 控制最高频率 R2 控制最低频率 R2 时 最低频率为零 无输入信号时 PD 将 VCO 调整到最低频率 锁相环 CD4046 的一个重要功能是 内部压迫 控振荡器的输出信号从第 4 脚输出后引至第 3 脚输入 与从第 14 脚输入的外部基准频率信号和相位的比较 当两者频率相同时同 压控振荡器 的频率能自动调整 直到与基准频率相同 TL082 构成的简单的三角波和方波产生电路 如图所示为简单的三角波和方波产生电路 该电路由运算放大器组成的积分器和迟滞比较器电路 构成 图中 R1 和 C 组成积分时间常数 用来改变振荡频率 R2 不仅改变三角波的振幅 同时也 改变三角波的频率 此外 振荡频率还受迟滞比较器输出电压的影响 输出电平高低由运放饱和 电压确定 由于元件的离散性 它会影响波形的对称性 单电源锯齿波发生器 556 如图所示为单电源锯齿波发生电路 该电路由 556 及相关元件组成 556 组成占空比可调的多谐 振荡器 5 脚输出电压 V1 为矩形波 其占空 比可调范围为 1 99 矩形波周期 T 为 T 0 7 RA RB Co 占空比 D 计算公式如下 D RB RA RB 100 当 V1 为高电平时 二