HC4046锁相环频率特性优化技术研究

1、第 32卷第 1期 浙江师范大学学报 (自然科学版 Vol . 32, No . 1 2009年 3月 Journal of Zhejiang Nor mal University (Nat . Sci . Mar . 2009 文章编号 :100125051(2009 0120065204HC4046锁相环频率特性优化技术研究 3李映雪 , 余水宝 , 金海军(浙江师范大学 , 摘 要 :, 锁相环内部结构的分析 , 提出了一 . , 锁相环频率特性的线性度小于 3%, 有很强的 实用性 .关键词 :; 压控振荡器 ; 线性度 ; 频率特性 ; 优化技术中图分类号 :TP212 文献标识码

2、:AResearch on frequency character isti c optim i z i n g techn i que of PLL HC 4046L I Yingxue, Y U Shuibao, J IN Haijun(College of M athe m atics, Physics and Infor m ation Engineering, Zhejiang N or m al U niversity, J inhua Zhejiang 321004, China Abstract:I n order t o compensate f or the lineari

3、ty lack of HC4046 s high 2frequency characteristic, thr ough the analysis of the inner structure and its working p rinci p le of phase 2l ocked l oop HC4046, a linear op ti m izing technique of P LL was put f or ward . The experi m ental results showed that linearity of P LL HC4046was less than 3%af

4、ter op ti m izing and with str ong p racticability .Key words:P LL; HC4046; VCO; linearity; frequency characteristic; op ti m izing technique0 引 言在仪器仪表 、 自动控制和通信系统中使用的高速锁相环 , 往往对其频率特性的线性度有着严格的要 求 , 尤其是在电压 2频 率转换领域 , 锁相环的频率特性是影响仪器设备精确度的重要因素之一 1.目前广泛使用的常规锁相芯片 CD4046输出频率最大只能达到 1. 4MHz, 频带宽度过窄对于制作频 带范围宽

5、的 V 2F 转换器显得无能为力 , 明显不能满足广大用户的需要 . 而高速锁相芯片 CD74HC4046最 大频率输出为 20MHz, 性能上明显优于 CD4046, 但是其频率特性呈现非线性 , 这极大地限制了 HC4046锁相的频带范围 . 因此 , 在研究 HC4046的内部结构的基础上设计线性良好 、 频带范围宽的频率特性优 化电路就显得十分必要 , 同时也具有较高的实用价值 .3收文日期 :2008206230; 修订日期 :2008210220 作者简介 :李映雪 (1982- , 男 , 江西高安人 , 硕士研究生 . 研究方向 :微弱信号处理技术 ; 嵌入式系统应用 . 1

6、HC4046频率特性原理分析HC4046是一种高速 C MOS 单片锁相环电路 , 其引脚和“ 4000B ” 系列中的“ 4046” 相兼容 . 它的工作电源为 +3. 0+6. 0V; 最高工作频率在 +5V 时为 20MHz . 整块芯片集成了 3种相位比较器和一个压控振荡器 (VCO 2. PC1OUT 、 PC2OUT 、 PC3OUT 为 3种相位比较器的输出端 , 使用时可任选一种接至 低通滤波器 , 再到 VCO I N . I N H 为压控振荡器工作的使能控制端 , I N H 为低电平时该芯片中的 VCO 正常 使用 ; 反之 , 接高电平使得该片中的 VCO 失效 .

7、PCP OUT 为锁相环指示输出端 , 高电平表示环路已入锁 ; 低电平表示环路已失锁3 . 图 1 CD74HC4046的 VCO 控制部分 HC4046内部的电压控制振荡器 VCO 采用无稳态多 谐振方式 . 控制电容的充放电电流使得输出频率改变 . 图 1可知 , 内部场效应管 Q 1接正确 V 2I 变换电路代替 Q 1的 F . , 引 5左右 , 不受 R 2中电流的影 响而保持恒定 . , 内部 MOS 2FET (绝缘栅型场效应管 将输入电压转换成电流 , 如图 1所示 . VCO 的输出频率为f VCO =KI +I C.(1由图 1可以看出 , 控制电压在 0. 8V 附近

8、急剧变化 , 再根据图 1和式 (1 可推断 MOSFET 的夹断电压大 约为 0. 8V .图 2为参考手册所示的标准电路 , 图 3表示标准电路下 HC4046片内 VCO 的输出频率 2控 制电压特 性 , R 1接电阻时 , 3条曲线分别表示电容 C 为 100pF 、 1nF 、 10nF 时的输出频率 2控 制电压特性曲线 . 由 图 3可知 , 在电压小于 0. 8V 的范围内输出频率几乎为 0, 并且在大于 4V 时 , 高频部分线性急剧变差 . 这是由 MOSFET 的转移特性和输出特性所引起的 , 当直流输入信号 V GS V GS 0. 8V 范围内变化时 , MOSFE

9、T 工作在放大区 . 随着 V GS 增大 , 源极处沟道深度加深 , 沟道电阻减小 , I OSC1呈线性增大 , 根据式 (1 , f VCO 也 呈线性增大 ; 当 V GS 4. 5V 时 , MOSFET 工作在非饱和区 , I O SC1呈非线性变化 , 故而 f VCO 也呈非线性变化 . 此时如果采用 HC4046去构成线性良好的 V 2F 转换器 , 图 2的电路显得无能为力 , 单纯地使用 HC4046中的压控振荡器 (VCO 已不能满足用户的需要 4. 图 2 标准电路 图 3 标准电路的振荡频率 2控 制电压特性2 频率特性优化电路的设计根据 HC4046内部结构设计的

10、 VCO 线性改善电路如图 4所示 .66浙江师范大学学报 (自然科学版 2009年 图 4 锁相环直流线性改善电路图 4所示电路中的工作电压为 +5V , 5, :R 1=10k 、 R 2=10k 、 R 3=10k , U 1、 U 2, D 1为 N 沟道结 型场效应管 (th 2. 8V , 当 U GS =0V 、 U DS =10V 时 , 饱和漏极电流I DSS =24mA .V CC =+5V 时 , 74HC4046的 12脚的电压固定为 4. 5V , 又由式 (1 可知 , 输出频率只 和 11脚和 12脚流过的电流之和成正比 . 所以 , 外接正确 、 线性区范围大的

11、 V 2I 转换电路代替内部的 MOSFET, 74HC4046的振荡频率 2控 制电压特性就能得到最好的改善 . 如图 4所示 , N 沟道场效应管 SK192A 漏 2源 之间的电压固定为 4. 5V , 这时场效应管 SK192A 处于饱和状态 , 也就是处于所谓的恒流区 . 流过它的电流 I OSC2等于流过 R 3的电流 , 又因为 R 1=R 2=10k , 所以 U 1的输出电压与输入电压大 小相等 、 方向相反 , 即U VCO I N =-U U1OU T .(2由于 U 2的同相端接地 , 反相端电压接近 0V , 所以I O SC2=U R 3.(3如图 4所示 , 11

12、脚空接 , 即 I OSC1=0mA , 由式 (1 得f VCO =KU R 3C.(4式 (4 表现的是 f VCO 和 U U1OUT 之间的线性关系 , 其中 R 3、 C 、 K 都是固定值 , 而 U VCO I N 的取值范围为 05V , 在此范围内可以实现电压 2频 率的良好线性转换 .3 测试结果表 1为图 4电路的测试结果 , U VCO I N 为电压输入值 , f VCO 为压控震荡器在不同情况下的频率输出 . 调 节输入电压值 U VCO I N , 测量在电容 C 分别为 100pF 、 1nF 、 10nF 时输出频率的值 f VCO , 根据线性度计算公 式5

13、f =D100%, (5其中 为最大偏差量 , D 为满量程值 , f 为线性度 . 由表 1可以算出 , 电容 C 分别为 100pF 、 1nF 、 10nF 时 , 分别为 234. 21、 16. 06、 1. 62kHz , D 分别为 8. 0112MHz 、 900. 43kHz 、 97. 503kHz , 由公式 (5 算得 f 分别为 2. 9%、 1. 8%、 1. 7%.76 第 1期 李映雪 , 等 :HC4046锁相环频率特性优化技术研究 表 1 电路实测数据U VC O I N /V (R 3=10k f VC O /kHz (C =100pF f VCO /kH

14、z (C =1nF f VC O /kHz (C =10nF 0. 0142. 5254. 83020. 530620. 0258. 6027. 13010. 768720. 5969. 97102. 2511. 14011837. 2196. 0621. 1311. 52637. 3287. 1430. 85223430. 2377. 06. 2. 54173. 4466. . 34880. 667. 3. 5. 7. 69. 8074. 5739. 2479. 750. 7210. 6819. 8688. 62458011. 2900. 4397. 503 图 5 线性优化电路振荡频率 2

15、控 制电压特性 从图 5和表 1可以看出 , 笔者设计的电路 可以实现 05V 的线性电压 2频 率变换 , 且线 性区范围更大 , 频带范围也增大明显 , 优于图 2的标准电路 . 图 5为该电路振荡频率 2控 制电压特性图 , 和图 3的振荡频率 2控 制电压特性 图相比较 , 明显具有更好的线性度 , 频带范围 也更宽 . 由式 (3 可知 , 在 R 3不变的情况下 , 电容 C 的大小决定 VCO 的输出频率范围 . C 越小 , 输出频率越高 . 实验发现 , 当 R 3=10k 时 , 电路的电压 2频 率特性得到最好的改善 . 实验还表明 , 电路的频率输出范围还受到集成运放的

16、工作电压和运放类型的限制 . 选用的运放最好为满幅 度运放 , 如果选用其他运放则会使频率输出范围减小 , 达不到最佳线性输出效果 .4 小 结笔者在研究 HC4046内部结构的基础上 , 提出了一种线性优化的电路 , 实现了良好线性的电压 2频 率转换 , 增大了锁相环的频带宽度 , 具有优良的频率特性 , 可以大量用于锁相环方式构成的 V 2F 转换器 , 其变换线性好 、 传输精度高 、 输出范围宽 、 电路简单 , 具有一定的实用价值 . 参考文献 :1余成波 , 张莲 . 自动控制原理 M.北京 :清华大学出版社 , 2006:3652374.2远坂俊昭 . 锁相环 (P LL 电路设计和应用 M.何希才 , 译 . 北京 :科学出版