基于锁相技术的高精度频率源

1、基于锁相技术的高精度频率源张宏1 堵会晓2摘要：锁相环简称PLL，锁相环电路在现代通信电路中得到了广泛的应用，由它可以设计成高精度频率源。关键词： 锁相环 组成原理 频率源引言频率源在电子技术中的地位十分重要，主要为测试电路时提供一个或多个测试信号，某些场合对电源频率要求高的，利用锁相环技术可以实现高精度频率源。一、锁相环路的基本组成1.1、锁相环路的组成锁相环简称PLL，是英语Phase Lock Loop的缩写。所谓锁相，就是实现相位同步的自动控制。完成两个信号相位同步自动控制的环路称为锁相环，锁相环路框图如图1所示。它由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，环路滤波器是低通滤波器。图中ui

2、(t)是角频率为i的锁相环路输入电压，一般由石英晶体振荡电路产生，具有较高的频率稳定性。u0(t)是锁相环路（即压控振荡电路）的输出电压，角频率为0，uD(t)是鉴相器的输出电压，uC(t)是环路滤波器的输出电压。图1 锁相环路组成框图1.2 锁相环路各单元部分的功能1、鉴相器功能鉴相器的两个输入信号ui(t)和u0(t)，初始相位为零时他们分别等于ui(t)=visinit和uo(t)=vosinot。鉴相器可由乘法器组成，这时鉴相器输出信号uD(t)正比于这两个输入信号的乘积，即uD(t)=KdViV0SinitCos0t （1）式中Kd是乘法器电路引入的比例系数。鉴相器的基本功能是：其输

3、出电压uC(t)正比于两个输入信号的相位差。对于乘法器组成的鉴相器，这一比例关系是近似的，而且已经考虑了低通滤波器的作用。对于理想的鉴相器，上述近似关系将成为精确的正比关系。2、环路滤波器的作用从前面的分析已经指出，环路滤波器是低通滤波器，它在锁相环路中的作用是滤除电压uD(t)中的高频成分，改善控制电压的频谱纯度，提高系统的稳定性。- 13、压控振荡器功能压控振荡器是输出信号频率受输入电压控制的振荡器，理想压控振荡器的输出频率与输入电压有线性关系0(t)=r+A0uC(t) (2)可见输出相位受压控振荡器输入电压控制，且正比于控制电压的对时间的积分，。1.3 锁相环路的工作原理1、锁相环路的

4、基本方程综合上述单元电路功能的分析，可以用图2来表示锁相环路的相位传输关系。从相位传输的角度看，鉴相器是相位加减法，输入相位i(t)和输出相位0(t)作用于鉴相器后输出相位差e(t)= i(t)0(t)，并形成与相位差成正比的输出电压，经滤波器滤除高频成分后即为控制压控振荡器的电压uC(t)。控制电压uC(t)使压控振荡器的输出频率发生变化，决定输出相位0(t)，于是形成了闭环。图2 锁相环的相位传输关系图2所示的相位关系，可以用下面的方程式来表示：te(t)=i(t)-0(t)=i(t)-A0u0C()d （3）两边对求导，可得de(t)dt=di(t)dt-d0(t)dt=di(t)dt

5、（4）可以看出左边即为瞬时角频率差（简称瞬时频差），右边第一项为输入固有角频率差（简称输入固有频差），右边第二项是控制角频率差（简称控制频差）。一般情况下可将式（4）表示为瞬时频差=输入固有频差控制频差 （5） 这一方程是锁相环路的基本方程。二 锁相环典型的应用利用锁相环可以实现高精度的频率信号源，CD4046是一种低频低功耗的通用锁相环芯片，CD4046组成的频率合成器电路如图3所示。该频率合成器能输出频率100Hz10kHz，步进间隔100Hz的高精度的频率信号。1、电路元件参数选择CD4046最高工作频率决定C1和R1，为保证获得0.4MHz的输出频率，取C1=50pF、R1=10k，这

6、时，电源电压取5V，压控振荡器最高工作频率0.4kHz，电源电压取10V时，- 1 -A0uC(t)最高工作频率可达1.2MHz，确定选用5V电源已符合要求。滤波电路参数R2=33.2k、R3=3.3k、C2=1F。2、工作原理石英晶体振荡电路产生稳定的1000kHz振荡，经1/1000分频后形成100Hz的振荡。由于来自石英晶体产生的振荡，因此具有很高的稳定度。图3所示的频率合成器电路中，虚线框内的是1/N可编程计数器，N的数值由单片机控制。根据锁相环的基本性质一，锁定后，从可编程计数器输出进入鉴相器比较信号输入端（3脚）的频率等于f0/N，f0为锁相环输出信号频率。N从199之间变化时，输出频率从100Hz10kHz之间变化，步进间距100Hz。于是就得到了高精度的稳定频率输出。3、可编程计数器可编程1/N计数器由单片机和两片可预置数十进制减法计数器CC14526组成，两片CC14526接成二级可预置分频器。来自锁相环输出端的f0从IC1的计数信号输入端CL输入进行减法计数。A1、A2、A3、A4为预置数输入端，图中将其接单片机的P1