第5章 集成锁相环路-第1讲

1、锁相技术第5章 集成锁相环路第第5章章 集成锁相环路集成锁相环路第第1节节 概述概述第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器第第3节节 集成压控振荡器集成压控振荡器第第4节节 通用单片集成锁相环通用单片集成锁相环第第5节节 集成频率合成器集成频率合成器锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路集成锁相环路的的特点特点 锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路的特点 锁相环锁相环是一个是一个相位反馈控制系统相位反馈控制系统，最大特点是可以，最大特点是可以不用电感线圈，实现对不用电感线圈，实现对输入信号频

2、率输入信号频率和和相位相位的的自动跟踪自动跟踪。 锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路的特点 锁相环是一个相位反馈控制系统，最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。 2. 锁相集成电路的分类锁相集成电路的分类 锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路的特点 锁相环是一个相位反馈控制系统，最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。 2. 锁相集成电路的分类 锁相集成电路种类很多。锁相集成电路种类很多。 锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路的特点 锁相环是一个相

3、位反馈控制系统，最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。 2. 锁相集成电路的分类 锁相集成电路种类很多。 按按电路程式电路程式可分为可分为模拟模拟式与式与数字数字式两大类；式两大类； 锁相技术第5章 集成锁相环路第第1节节 概述概述 1. 集成锁相环路的特点 锁相环是一个相位反馈控制系统，最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。 2. 锁相集成电路的分类 锁相集成电路种类很多。 按电路程式可分为模拟式与数字式两大类； 按按用途用途可分为可分为通用型通用型与与专用型专用型。锁相技术第5章 集成锁相环路表5-1 锁相集成电路分类 锁相技术第5章 集

4、成锁相环路 3. 工艺特点工艺特点 锁相技术第5章 集成锁相环路 3. 工艺特点工艺特点 锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。 锁相技术第5章 集成锁相环路 3. 工艺特点工艺特点 锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。 模拟型模拟型以线性集成电路为主，而且几乎都是以线性集成电路为主，而且几乎都是双极性双极性的。的。 锁相技术第5章 集成锁相环路 3. 工艺特点 锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。 模拟型模拟型以线性集成电路为主，而且几乎都是双极性的。 数字型数字型是用逻辑电路构成的，以是用逻辑电路构成的，以T

5、TL(包括包括HTTL、LSTTL、STTL等等)电路为主。电路为主。 锁相技术第5章 集成锁相环路 3. 工艺特点 锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。 模拟型模拟型以线性集成电路为主，而且几乎都是双极性的。 数字型数字型是用逻辑电路构成的，以TTL(包括HTTL、LSTTL、STTL等)电路为主。 实用的实用的频率合成器频率合成器，大部分采用，大部分采用CMOS电路。电路。锁相技术第5章 集成锁相环路 3. 工艺特点 锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及的工艺种类较多。 模拟型模拟型以线性集成电路为主，而且几乎都是双极性的。 数字型数字型是用逻辑电路构成的，以TTL(包括HTTL、

6、LSTTL、STTL等)电路为主。 实用的实用的频率合成器频率合成器，大部分采用，大部分采用CMOS电路。它具有噪电路。它具有噪声容限大，集成度高，功耗小，成本高等优点。声容限大，集成度高，功耗小，成本高等优点。 锁相技术第5章 集成锁相环路表5-2 锁相集成电路工艺特点 锁相技术第5章 集成锁相环路第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器 锁相技术第5章 集成锁相环路第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器 集成鉴相器主要有两种类型：集成鉴相器主要有两种类型：模拟乘法器模拟乘法器和和数字鉴相器数字鉴相器。 锁相技术第5章 集成锁相环路第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器 集成鉴相器主要有两种类型：模拟乘法器和数

7、字鉴相器。 一、模拟乘法器一、模拟乘法器 锁相技术第5章 集成锁相环路第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器 集成鉴相器主要有两种类型：模拟乘法器和数字鉴相器。 一、模拟乘法器 用用模拟乘法器模拟乘法器作作鉴相器鉴相器，便于集成化，它在单片模，便于集成化，它在单片模拟集成锁相环中广泛采用。拟集成锁相环中广泛采用。锁相技术第5章 集成锁相环路第第2节节 集成鉴相器集成鉴相器 集成鉴相器主要有两种类型：模拟乘法器和数字鉴相器。 一、模拟乘法器 用模拟乘法器作鉴相器，便于集成化，它在单片模拟集成锁相环中广泛采用。目前许多技术可以完成相乘目前许多技术可以完成相乘作用，在集成模拟乘法器中运用最普遍的是所谓作用

8、，在集成模拟乘法器中运用最普遍的是所谓“可变可变跨导跨导”法。法。 锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-1 平衡模拟乘法器原理图1.平衡模拟乘法器锁相技术第5章 集成锁相环路在图在图5-1中中，若若V1V4特性完全一致，同时设特性完全一致，同时设1122( )sin()( )( )coseu tUtu tu tt(5-1) (5-2) 锁相技术第5章 集成锁相环路在图5-1中，若V1V4特性完全一致，同时设分析表明，分析表明，平衡模拟乘法器平衡模拟乘法器的的鉴相特性鉴相特性与与u1(t)、u2(t) 的电平高低的电平高低有关有关： 1122( )sin()( )( )coseu tUtu tu

9、 tt(5-1) (5-2) 锁相技术第5章 集成锁相环路在图5-1中，若V1V4特性完全一致，同时设分析表明，平衡模拟乘法器的鉴相特性与u1(t)、u2(t) 的电平高低有关： (1)当当u1(t)、u2(t)均为高电平均为高电平时，有时，有1122( )sin()( )( )coseu tUtu tu tt(5-1) (5-2) 锁相技术第5章 集成锁相环路在图5-1中，若V1V4特性完全一致，同时设分析表明，平衡模拟乘法器的鉴相特性与u1(t)、u2(t) 的电平高低有关： (1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，有1122( )sin()( )( )coseu tUtu tu tt

10、(5-1) (5-2) 222( )23(2)22ReedReeUuuU(5-3)式中UR=IORL/2锁相技术第5章 集成锁相环路在图5-1中，若V1V4特性完全一致，同时设分析表明，平衡模拟乘法器的鉴相特性与u1(t)、u2(t) 的电平高低有关： (1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，有1122( )sin()( )( )coseu tUtu tu tt(5-1) (5-2) 222( )23(2)22ReedReeUuuU(5-3)输出电压平均值输出电压平均值与输入信号与输入信号u1(t)、u2(t)无关。无关。锁相技术第5章 集成锁相环路 乘法器乘法器具有具有三角形鉴相特性三角

11、形鉴相特性。锁相技术第5章 集成锁相环路 乘法器乘法器具有具有三角形鉴相特性三角形鉴相特性，如图，如图5-2所示。所示。图5-2 模拟乘法器三角形鉴相特性锁相技术第5章 集成锁相环路 乘法器具有三角形鉴相特性，如图5-2所示。误差电压误差电压最大值为最大值为+UR，最小值为，最小值为-UR，锁相技术第5章 集成锁相环路 乘法器具有三角形鉴相特性，如图5-2所示。误差电压误差电压最大值为最大值为+UR，最小值为，最小值为-UR，鉴相特性斜率鉴相特性斜率为为 2RdUK (5-4) 锁相技术第5章 集成锁相环路 (1)当当u1(t)、u2(t)均为高电平时均为高电平时，输出电压平均值与输出电压平均

12、值与输入信号输入信号u1(t)、u2(t)无关，无关，乘法器乘法器具有具有三角形鉴相三角形鉴相特性。特性。锁相技术第5章 集成锁相环路 (1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，输出电压平均值与输入信号u1(t)、u2(t)无关，乘法器具有三角形鉴相特性。(2)当当u1(t)为低电平，为低电平，u2(t)为高电平为高电平时，有时，有1( )sinRdeU UutkTq(5-5) 锁相技术第5章 集成锁相环路 (1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，输出电压平均值与输入信号u1(t)、u2(t)无关，乘法器具有三角形鉴相特性。(2)当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，有1( )si

13、nRdeU UutkTq(5-5) 可见，可见，输出电压平均值与高电平输入电压输出电压平均值与高电平输入电压u2(t)无关无关，锁相技术第5章 集成锁相环路 (1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，输出电压平均值与输入信号u1(t)、u2(t)无关，乘法器具有三角形鉴相特性。(2)当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，有1( )sinRdeU UutkTq(5-5) 可见，可见，输出电压平均值与高电平输入电压输出电压平均值与高电平输入电压u2(t)无关无关，乘法器乘法器具有具有正弦波鉴相特性正弦波鉴相特性。锁相技术第5章 集成锁相环路 图1-6 正弦鉴相器特性锁相技术第5章 集成锁相

14、环路 (3)当当u1(t)、u2(t)均为低电平均为低电平时时 122( )sin28()RdeU UUutkTq(5-6)锁相技术第5章 集成锁相环路 (3)当u1(t)、u2(t)均为低电平时 122( )sin28()RdeU UUutkTq(5-6)可见，可见，输出电压平均值与输出电压平均值与U1、U2的乘积成正比的乘积成正比，乘法器乘法器同样具有正弦波鉴相特性同样具有正弦波鉴相特性。锁相技术第5章 集成锁相环路(1)当u1(t)、u2(t)均为高电平时，输出电压平均值与输入信号u1(t)、u2(t)无关，乘法器具有三角形鉴相特性。(2)当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，输出

15、电压平均值与高电平输入电压u2(t)无关，乘法器具有正弦波鉴相特性。 (3)当u1(t)、u2(t)均为低电平时，输出电压平均值与U1、U2的乘积成正比，乘法器同样具有正弦波鉴相特性。 锁相技术第5章 集成锁相环路2.双平衡模拟乘法器 为了提高鉴相灵敏度、减小载漏，可以采用双平衡模拟乘法器。 锁相技术第5章 集成锁相环路2.双平衡模拟乘法器 为了提高鉴相灵敏度、减小载漏，可以采用双平衡模拟乘法器。 锁相技术第5章 集成锁相环路 当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，有12( )sinRdeU Uu tkTq(5-7)锁相技术第5章 集成锁相环路 当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时

16、，有12( )sinRdeU Uu tkTq(5-7) 可见，在可见，在u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，乘法器乘法器同样具有正弦波鉴相特性同样具有正弦波鉴相特性。锁相技术第5章 集成锁相环路 当u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，有12( )sinRdeU Uu tkTq(5-7) 可见，在可见，在u1(t)为低电平，u2(t)为高电平时，乘法器乘法器同样具有正弦波鉴相特性同样具有正弦波鉴相特性。但双端输出平均误差电压比。但双端输出平均误差电压比平衡模拟乘法器平衡模拟乘法器大了一倍。大了一倍。锁相技术第5章 集成锁相环路2.双平衡模拟乘法器 为了提高鉴相灵敏度、减小载漏，可以采

17、用双平衡模拟乘法器。 双平衡模拟乘法器同样具有正弦波鉴相特性，但双端输出平均误差电压比平衡模拟乘法器大了一倍。锁相技术第5章 集成锁相环路平衡模拟乘法器平衡模拟乘法器和和双平衡模拟乘法器双平衡模拟乘法器的的特点特点锁相技术第5章 集成锁相环路平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的特点 （1）输入信号）输入信号u1(t)和和u2(t)正、负极性都可以，因此实正、负极性都可以，因此实现了四个象限的工作，称为现了四个象限的工作，称为四象限乘法器四象限乘法器。 锁相技术第5章 集成锁相环路平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的特点 （1）输入信号u1(t)和u2(t)正、负极性都可以，因此实实现了四个象限的工

18、作，称为现了四个象限的工作，称为四象限四象限乘法器。 图图 5 - 4 示 出 了 国 产 模 拟 乘 法 器示 出 了 国 产 模 拟 乘 法 器 F 1 4 9 6 1596(MC14961596)的实际线路。的实际线路。锁相技术第5章 集成锁相环路图5-4 F14961596模拟乘法器锁相技术第5章 集成锁相环路平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的特点 （1）输入信号u1(t)和u2(t)正、负极性都可以，因此实实现了四个象限的工作，称为现了四个象限的工作，称为四象限四象限乘法器。 图 5 - 4 示 出 了 国 产 模 拟 乘 法 器 F 1 4 9 6 1596(MC14961596)

19、的实际线路。 除用晶体管除用晶体管V7和和V8组成了差动放大器组成了差动放大器V3、V4的恒的恒流源外，其它与图流源外，其它与图5-3完全相同完全相同。锁相技术第5章 集成锁相环路平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的特点 （1）输入信号u1(t)和u2(t)正、负极性都可以，因此实实现了四个象限的工作，称为现了四个象限的工作，称为四象限四象限乘法器。 图 5 - 4 示 出 了 国 产 模 拟 乘 法 器 F 1 4 9 6 1596(MC14961596)的实际线路。 除用晶体管V7和V8组成了差动放大器V3、V4的恒流源外，其它与图5-3完全相同。最高工作频率达最高工作频率达10MHz，电源

20、电压范围，电源电压范围15V，载波泄漏低于，载波泄漏低于-50dB，共模抑制比高达共模抑制比高达-85dB。锁相技术第5章 集成锁相环路 （2）平衡模拟乘法器平衡模拟乘法器和和双平衡模拟乘法器双平衡模拟乘法器的的另一个特另一个特点点是，是，输出平均电压的系数与绝对温度输出平均电压的系数与绝对温度T有关有关。锁相技术第5章 集成锁相环路 （2）平衡模拟乘法器平衡模拟乘法器和和双平衡模拟乘法器双平衡模拟乘法器的的另一个特另一个特点点是，是，输出平均电压的系数与绝对温度输出平均电压的系数与绝对温度T有关有关。这就使。这就使锁相环路增益以及其他性能随温度发生变化。锁相环路增益以及其他性能随温度发生变化

21、。 锁相技术第5章 集成锁相环路(2)平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的另一个特点是，输出平均电压的系数与绝对温度T有关。这就使锁相环路增益以及其他性能随温度发生变化。 为了克服这个为了克服这个缺点，并扩大缺点，并扩大u1(t)的的输入线性动态范围，输入线性动态范围，目前又出现了新的目前又出现了新的改进电路，改进电路，锁相技术第5章 集成锁相环路 平衡模拟乘法器和双平衡模拟乘法器的另一个特点是，输出平均电压的系数与绝对温度T有关。这就使锁相环路增益以及其他性能随温度发生变化。 为了克服这个缺点，并扩大u1(t)的输入线性动态范围，目前又出现了新的改进电路，如图如图5-5所示。所示。图5-5 改

22、进后的双平衡模拟乘法器锁相技术第5章 集成锁相环路 在这种在这种改进后的双平衡模拟乘法器改进后的双平衡模拟乘法器电路中，输入信电路中，输入信号号u1(t)先经过先经过V7、V8后，再送入双差动电路。后，再送入双差动电路。(5-8) 锁相技术第5章 集成锁相环路 在这种改进后的双平衡模拟乘法器电路中，输入信号u1(t)先经过V7、V8后，再送入双差动电路。这时，这时，(5-7)式中的式中的U1被二极管被二极管VD1和和VD2的正向压降之差的正向压降之差1212DoekTqUUI R所代替。所代替。(5-8) 锁相技术第5章 集成锁相环路 在这种改进后的双平衡模拟乘法器电路中，输入信号u1(t)先

23、经过V7、V8后，再送入双差动电路。这时，(5-7)式中的U1被二极管VD1和VD2的正向压降之差1212DoekTqUUI R所代替。由于由于UD与温度有关，将与温度有关，将UD代入代入(5-7)式，可把式，可把关于温度关于温度T的因子消去，的因子消去，锁相技术第5章 集成锁相环路 在这种改进后的双平衡模拟乘法器电路中，输入信号u1(t)先经过V7、V8后，再送入双差动电路。这时，(5-7)式中的U1被二极管VD1和VD2的正向压降之差1212DoekTqUUI R所代替。由于由于UD与温度有关，将与温度有关，将UD代入代入(5-7)式，可把式，可把关于温度关于温度T的因子消去，得的因子消去

24、，得1214( )sinRdeOeU UutIR(5-8) 锁相技术第5章 集成锁相环路图5-5 改进后的双平衡模拟乘法器3.改进后的双平衡模拟乘法器锁相技术第5章 集成锁相环路 改进后的四象限模拟乘法器改进后的四象限模拟乘法器具有具有工作频带宽工作频带宽、线性线性好、运算精度高好、运算精度高等优点。是单片模拟乘法器中受欢迎等优点。是单片模拟乘法器中受欢迎的产品之一。的产品之一。锁相技术第5章 集成锁相环路 改进后的四象限四象限模拟乘法器具有工作频带宽、线性好、运算精度高等优点。是单片模拟乘法器中受欢迎的产品之一。 国内代表产品有国内代表产品有F14951595(MC14951595 )如如图

25、图5-6所示。所示。锁相技术第5章 集成锁相环路图5-6 F14951595模拟乘法器 3.改进后的四象限四象限模拟乘法器锁相技术第5章 集成锁相环路 改进后的四象限四象限模拟乘法器具有工作频带宽、线性好、运算精度高等优点。是单片模拟乘法器中受欢迎的产品之一。 国内代表产品有国内代表产品有F14951595(MC14951595 )如如图图5-6所示。电路采用了复合差动输入级所示。电路采用了复合差动输入级V1、V2、V3、V4和和V9、V10、V14、V15，以提高输入电阻、减小偏流，以提高输入电阻、减小偏流和扩大差模输入电压范围。和扩大差模输入电压范围。锁相技术第5章 集成锁相环路 改进后的

26、四象限四象限模拟乘法器具有工作频带宽、线性好、运算精度高等优点。是单片模拟乘法器中受欢迎的产品之一。 国内代表产品有F14951595(MC14951595 )如图5-6所示。电路采用了复合差动输入级V1、V2、V3、V4和V9、V10、V14、V15，以提高输入电阻、减小偏流和扩大差模输入电压范围。 其它部分与图其它部分与图5-5完全相同。最高工作频率达完全相同。最高工作频率达100MHz，电压范围为，电压范围为15V，线性度优于，线性度优于2。锁相技术第5章 集成锁相环路图5-7 XR-2208方框图4.功能比较齐全、应用更广泛的单片集成运算相乘器锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208

27、简介 XR-2208包括包括四象限模拟乘法器四象限模拟乘法器、高频缓冲放大器高频缓冲放大器、运算放大器运算放大器和和内部电流变换器内部电流变换器四部分。四部分。 锁相技术第5章 集成锁相环路图5-8 XR-2208原理电路图锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208简介 XR-2208包括四象限四象限模拟乘法器、高频缓冲放大器、运算放大器和内部电流变换器四部分。 缓冲放大器可将小信号缓冲放大器可将小信号3dB带宽扩展到带宽扩展到8MHz，互导，互导带宽扩展到带宽扩展到100MHz。锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208简介 XR-2208包括四象限四象限模拟乘法器、高频缓冲放大器、运算放大

28、器和内部电流变换器四部分。 缓冲放大器可将小信号3dB带宽扩展到8MHz，互导带宽扩展到100MHz。根据本电路的特定设计，负载电阻根据本电路的特定设计，负载电阻在电路中已做好，所以在电路中已做好，所以1、2端差动输出的电压可写成端差动输出的电压可写成121225( )( )( )deeu tu t u tR R锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208简介 XR-2208包括四象限四象限模拟乘法器、高频缓冲放大器、运算放大器和内部电流变换器四部分。 缓冲放大器可将小信号3dB带宽扩展到8MHz，互导带宽扩展到100MHz。根据本电路的特定设计，负载电阻在电路中已做好，所以1、2端差动输出的电

29、压可写成121225( )( )( )deeu tu t u tR RRe1、Re2分别为外接在分别为外接在6、7端和端和8、9端的增益调整电阻。端的增益调整电阻。 锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208特点 (1)电源电压电源电压范围宽：范围宽：4.5V16V；锁相技术第5章 集成锁相环路XR-2208特点 (1)电源电压电源电压范围宽：范围宽：4.5V16V；(2)相乘器相乘器和和运算放大器运算放大器集成在一个单片上，且内集成在一个单片上，且内部不连接，通用性很强，在锁相环模拟运算、部不连接，通用性很强，在锁相环模拟运算、信号处理等方面有着广泛的应用。信号处理等方面有着广泛的应用。锁相

30、技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器二、数字式鉴频鉴相器 锁相技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器 数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作是用脉冲后沿触发来进行工作的，属的，属边沿触发型电路边沿触发型电路。锁相技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器 数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的，属边沿触发型电路。 它不仅有它不仅有鉴相功能鉴相功能，而且还有，而且还有鉴频功能鉴频功能。锁相技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器 数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的，属边沿触发型电路。 它不仅有鉴相功能，而且还有鉴频功能。 国产国产T

31、4044(MC4044)，E12040(MC12040)和和5G4046（CD4046）中的）中的PD-就是这类鉴频鉴相器的典型例就是这类鉴频鉴相器的典型例子。子。 锁相技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器 数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的，属边沿触发型电路。它不仅有鉴相功能，而且还有鉴频功能。国产T4044(MC4044)，E12040(MC12040)和5G4046（CD4046）中的PD-就是这类鉴频鉴相器的典型例子。 图图5-9示出了示出了4044数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器电路。它主要电路。它主要由由数字比相器数字比相器(9个与非门个与非门)、电荷泵电荷泵(

32、V1V7)和一个作和一个作为为LF用的用的放大器放大器(达林顿电路达林顿电路)三部分组成。三部分组成。 锁相技术第5章 集成锁相环路图5-9 T4044数字式鉴频鉴相器电路锁相技术第5章 集成锁相环路图5-9 T4044数字式鉴频鉴相器电路它主要由它主要由数字比相器数字比相器(9个与非门个与非门)、电荷泵电荷泵(V1V7)和一个作为和一个作为LF用的用的放大器放大器(达林顿电路达林顿电路)三部分组成。三部分组成。锁相技术第5章 集成锁相环路 二、数字式鉴频鉴相器 数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的，属边沿触发型电路。它不仅有鉴相功能，而且还有鉴频功能。国产T4044(MC4044)，

33、E12040(MC12040)和5G4046（CD4046）中的PD-就是这类鉴频鉴相器的典型例子。 图5-9示出了4044数字式鉴频鉴相器电路。它主要由数字比相器(9个与非门)、电荷泵(V1V7)和一个作为LF用的放大器(达林顿电路)三部分组成。 图图5-10示出了同频鉴相时的工作波形。示出了同频鉴相时的工作波形。 锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-10 T4044同频鉴相波形(a)R与V同相；(b)R滞后V；(c)R超前V锁相技术第5章 集成锁相环路 电荷泵电荷泵的的作用作用是将数字比相器输出是将数字比相器输出 U和和D的逻辑组态的逻辑组态变换成模拟量变换成模拟量UF和和DF。锁相技术第

34、5章 集成锁相环路 电荷泵的作用是将数字比相器输出 U和D的逻辑组态变换成模拟量UF和DF。控制积分电路控制积分电路R3C1的充放电，的充放电，在达林顿电路的输出端形成所需的控制电压在达林顿电路的输出端形成所需的控制电压ud。锁相技术第5章 集成锁相环路 1.51.5( 22 )22dmdedeedmdUuKUK(5-10)(5-11) 鉴相器灵敏度鉴相器灵敏度分析表明分析表明锁相技术第5章 集成锁相环路 1.51.5( 22 )22dmdedeedmdUuKUK(5-10)(5-11) 鉴相器灵敏度分析表明图5-11 T4044的鉴相特性锁相技术第5章 集成锁相环路图5-12 T4044的鉴

35、频波形fi fo时， T4044的鉴频波形。U始终处于高电位D处于低电位的时间比处于高电位的时间长得多锁相技术第5章 集成锁相环路 当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作用，有一数值上接近用，有一数值上接近Udm的正向或负向阶跃电压加到达的正向或负向阶跃电压加到达林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速地林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速地向最小或最大值跳变，从而控制向最小或最大值跳变，从而控制VCO的频率迅速地的频率迅速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的作用，向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的作用， 其理想鉴频特性

36、如图其理想鉴频特性如图5-13所示。所示。 锁相技术第5章 集成锁相环路图5-13 T4044的鉴频特性锁相技术第5章 集成锁相环路 这种这种鉴频鉴频-鉴相器鉴相器，性能优越，获得了广泛的使用。，性能优越，获得了广泛的使用。 锁相技术第5章 集成锁相环路 这种鉴频-鉴相器，性能优越，获得了广泛的使用。 这种电路主要适用于频率高的情况，最高工作频率这种电路主要适用于频率高的情况，最高工作频率达达8MHz，5V供电，不过它的供电，不过它的输出幅度输出幅度较小较小,鉴相灵敏度鉴相灵敏度低。低。 锁相技术第5章 集成锁相环路 这种鉴频-鉴相器，性能优越，获得了广泛的使用。 这种电路主要适用于频率高的情

37、况，最高工作频率达8MHz，5V供电，不过它的输出幅度较小,鉴相灵敏度低。 为了避免这些缺点，又发展了一种采用为了避免这些缺点，又发展了一种采用CMOS电路的电路的数字比相器数字比相器，如图，如图5-14所示。所示。 锁相技术第5章 集成锁相环路图5-14 CMOS数字比相器锁相技术第5章 集成锁相环路 这种鉴频-鉴相器，性能优越，获得了广泛的使用。 这种电路主要适用于频率高的情况，最高工作频率达8MHz，5V供电，不过它的输出幅度较小,鉴相灵敏度低。 为了避免这些缺点，又发展了一种采用CMOS电路的数字比相器，如图5-14所示。 此电路的此电路的电源电压电源电压运用范围宽，运用范围宽，功耗功

38、耗小小,而而工作频率工作频率低。低。锁相技术第5章 集成锁相环路 三、门鉴相器三、门鉴相器 锁相技术第5章 集成锁相环路 三、门鉴相器 门鉴相器门鉴相器是一种是一种电平触发型电平触发型数字鉴相器数字鉴相器。以。以或门或门鉴相器鉴相器和和异或门鉴相器异或门鉴相器为代表，它们对两个比相脉冲为代表，它们对两个比相脉冲的占空比都有一定的要求。的占空比都有一定的要求。 锁相技术第5章 集成锁相环路 三、门鉴相器 门鉴相器是一种电平触发型数字鉴相器。以或门和异或门鉴相器为代表，它们对两个比相脉冲的占空比都有一定的要求。 图图5-15示出了或门鉴相器的原理图、工作波形与示出了或门鉴相器的原理图、工作波形与真

39、值表。真值表。锁相技术第5章 集成锁相环路锁相技术第5章 集成锁相环路 三、门鉴相器 门鉴相器是一种电平触发型数字鉴相器。以或门和异或门鉴相器为代表，它们对两个比相脉冲的占空比都有一定的要求。 图5-15示出了或门鉴相器的原理图、工作波形与真值表。假设假设u1(t)、u2(t)两个方波的周期相同，相差为两个方波的周期相同，相差为e，且空度比为且空度比为1 1，分析可得输出平均误差电压为，分析可得输出平均误差电压为(1)(0)2( )(3)(02 )2dmeeddmeeUutU(5-12)锁相技术第5章 集成锁相环路2dmdUK 鉴相器斜率鉴相器斜率为为(5-13)锁相技术第5章 集成锁相环路

40、图图5-17示出了示出了异或门鉴相器异或门鉴相器的原理图、工作波形的原理图、工作波形与真值表。与真值表。锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-17 异或门鉴相器 (a)原理图；(b)波形；(c)真值表锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-17示出了异或门鉴相器的原理图、工作波形与真值表。若输入方波信号的条件与前面相同，分析可若输入方波信号的条件与前面相同，分析可得得输出平均误差电压输出平均误差电压为为(0)( )(2)(02 )edmededmeUutU(5-14)锁相技术第5章 集成锁相环路 将(5-14)式示于图5-18。锁相技术第5章 集成锁相环路 将(5-14)式示于图5-18。图5-18

41、 异或门鉴相器鉴相特性锁相技术第5章 集成锁相环路 将(5-14)式示于图5-18。由图可见，异或门鉴相器异或门鉴相器同同样具有样具有三角形鉴相特性三角形鉴相特性，图5-18 异或门鉴相器鉴相特性锁相技术第5章 集成锁相环路 将(5-14)式示于图5-18。由图可见，异或门鉴相器同样具有三角形鉴相特性，其其鉴相特性斜率鉴相特性斜率为为 dmdUK (5-15) 图5-18 异或门鉴相器鉴相特性锁相技术第5章 集成锁相环路第第3节节 集成压控振荡器集成压控振荡器 锁相技术第5章 集成锁相环路第第3节节 集成压控振荡器集成压控振荡器 一、积分一、积分-施密特触发电路型压控振荡器施密特触发电路型压控

42、振荡器 锁相技术第5章 集成锁相环路第第3节节 集成压控振荡器集成压控振荡器 一、积分-施密特触发电路型压控振荡器 图图5-19示出了一个积分示出了一个积分-施密特触发型压控振荡器施密特触发型压控振荡器原理图。原理图。锁相技术第5章 集成锁相环路图5-19 积分-施密特触发型压控振荡器原理图锁相技术第5章 集成锁相环路第第3节节 集成压控振荡器集成压控振荡器电路由电路由恒流源恒流源(IO)、积分器积分器(V1、V2、V3、VD1、VD2和和CT)和和施密特触发器施密特触发器组成组成。 一、积分一、积分-施密特触发电路型压控振荡器施密特触发电路型压控振荡器图5-19示出了一个积分-施密特触发型压

43、控振荡器原理图。锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) 积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率021214()2()mcTTocIg ufG UUG UUK u锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) (5-17) 式中式中gm为恒流源跨导；为恒流源跨导； 为振荡器压控灵敏度为振荡器压控灵敏度积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率02121214()2()2()mcTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) (5-17) 式中式中gm为恒流源跨导；为

44、恒流源跨导； 为振荡器压控灵敏度。为振荡器压控灵敏度。可见，可见，f和和uc成线性关系。成线性关系。积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率02121214()2()2()mcTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) (5-17) 式中式中gm为恒流源跨导；为恒流源跨导； 为振荡器压控灵敏度。为振荡器压控灵敏度。可见，可见，f和和uc成线性关系。而且频率可调范围较宽。成线性关系。而且频率可调范围较宽。积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率0212121

45、4()2()2()mcTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) (5-17) 式中式中gm为恒流源跨导；为恒流源跨导； 为振荡器压控灵敏度。为振荡器压控灵敏度。可见，可见，f和和uc成线性关系。而且频率可调范围较宽。成线性关系。而且频率可调范围较宽。但是，这种电路的工作频率较低。但是，这种电路的工作频率较低。积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率02121214()2()2()mcTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU锁相技术第5章 集成锁相环路(5-16) (5-17)

46、式中式中gm为恒流源跨导；为恒流源跨导； 为振荡器压控灵敏度。为振荡器压控灵敏度。 可见，可见，f和和uc成线性关系。而且频率可调范围较宽。成线性关系。而且频率可调范围较宽。 但是，这种电路的工作频率较低。采用这种电路的但是，这种电路的工作频率较低。采用这种电路的国产芯片国产芯片SL566(NE566)、5G8038、XR-2206最高频率为最高频率为1MHz.积分积分-施密特触发电路型压控振荡器的施密特触发电路型压控振荡器的振荡频率振荡频率02121214()2()2()mcTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-20 SL566的实际电

47、路 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其其中心频率通过外接定时电容中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻和定时电阻R1来决定。来决定。 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在电源电压可在1024V范围内选择。范围内选择。 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源

48、电压可在电源电压可在1024V范围内选择。其优点是线性度高，范围内选择。其优点是线性度高， 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在电源电压可在1024V范围内选择。其优点是线性度高，范围内选择。其优点是线性度高，可控范围宽，可控范围宽， 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在电源电压可在1024V范围内选择。其范围内选择。其优点优点是线性度高，是线性度高，可控范围宽，可同时输出占空比为可控范围宽，

49、可同时输出占空比为50% %的方波和线性良好的方波和线性良好的对称三角波。的对称三角波。 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在电源电压可在1024V范围内选择。其范围内选择。其优点优点是线性度高，是线性度高，可控范围宽，可同时输出占空比为可控范围宽，可同时输出占空比为50% %的方波和线性良好的方波和线性良好的对称三角波。的对称三角波。缺点缺点是频率稳定度较低，易受温度和是频率稳定度较低，易受温度和电源电压变化的影响，电源电压变化的影响， 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通

50、用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在电源电压可在1024V范围内选择。其范围内选择。其优点优点是线性度高，是线性度高，可控范围宽，可同时输出占空比为可控范围宽，可同时输出占空比为50% %的方波和线性良好的方波和线性良好的对称三角波。的对称三角波。缺点缺点是频率稳定度较低，易受温度和是频率稳定度较低，易受温度和电源电压变化的影响，最高工作频率只达电源电压变化的影响，最高工作频率只达1MHz1MHz左右。左右。 锁相技术第5章 集成锁相环路 SL566属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。电源电压可在

51、1024V范围内选择。其优点是线性度高，可控范围宽，可同时输出占空比为50%的方波和线性良好的对称三角波。缺点是频率稳定度较低，易受温度和电源电压变化的影响，最高工作频率只达1MHz左右。 图图5-21示出了同时能输出三角波、方波和正弦波的示出了同时能输出三角波、方波和正弦波的单片集成压控波形发生器单片集成压控波形发生器5G8038的方框图。的方框图。 锁相技术第5章 集成锁相环路 图5-21 5G8038方框图锁相技术第5章 集成锁相环路 5G8038由两个电流源、两个电压比较器、一个触发由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器器、一个方波输出缓冲器(缓冲缓冲)、一个三角

52、波输出缓冲、一个三角波输出缓冲器器(缓冲缓冲)和一个正弦波变换电路组成。和一个正弦波变换电路组成。 锁相技术第5章 集成锁相环路 5G8038由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器(缓冲)、一个三角波输出缓冲器(缓冲)和一个正弦波变换电路组成。 外接定时电容外接定时电容CT的充放电受可控电流源的充放电受可控电流源IO1和和IO2控制。控制。 锁相技术第5章 集成锁相环路 5G8038由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器(缓冲)、一个三角波输出缓冲器(缓冲)和一个正弦波变换电路组成。 外接定时电容外接定时电容CT的充放电受可控电流源的充放电受可控电流

53、源IO1和和IO2控制。控制。 在在CT上形成的三角波电压经缓冲上形成的三角波电压经缓冲I在在3端输出。端输出。锁相技术第5章 集成锁相环路 5G8038由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器(缓冲)、一个三角波输出缓冲器(缓冲)和一个正弦波变换电路组成。 外接定时电容外接定时电容CT的充放电受可控电流源的充放电受可控电流源IO1和和IO2控制。控制。 在在CT上形成的三角波电压经缓冲上形成的三角波电压经缓冲I在在3端输出。端输出。 对称三角波经由二极管网络组成的正弦波变换电路对称三角波经由二极管网络组成的正弦波变换电路从从2端输出正弦波。端输出正弦波。锁相技术第5章 集

54、成锁相环路 5G8038由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器(缓冲)、一个三角波输出缓冲器(缓冲)和一个正弦波变换电路组成。 外接定时电容外接定时电容CT的充放电受可控电流源的充放电受可控电流源IO1和和IO2控制。控制。 在在CT上形成的三角波电压经缓冲上形成的三角波电压经缓冲I在在3端输出。端输出。 对称三角波经由二极管网络组成的正弦波变换电路对称三角波经由二极管网络组成的正弦波变换电路从从2端输出正弦波。端输出正弦波。 触发器触发器Q端输出的方波经缓冲放大器端输出的方波经缓冲放大器II从从9端输出。端输出。锁相技术第5章 集成锁相环路 输出波形的频率为输出波形的频

55、率为0.001Hz300kHz，频率的变化，频率的变化由外接的定时电阻和定时电容决定。由外接的定时电阻和定时电容决定。锁相技术第5章 集成锁相环路 输出波形的频率为0.001Hz300kHz，频率的变化由外接的定时电阻和定时电容决定。频率可根据下式频率可根据下式计算：计算：15(1)32BATABfRR CRR(5-18) 锁相技术第5章 集成锁相环路 输出波形的频率为0.001Hz300kHz，频率的变化由外接的定时电阻和定时电容决定。频率可根据下式计算：15(1)32BATABfRR CRR(5-18) 若若RA=RB=RT，则，则 0.3TTfR C(5-19) 锁相技术第5章 集成锁相

56、环路 输出波形的频率为0.001Hz300kHz，频率的变化由外接的定时电阻和定时电容决定。频率可根据下式计算：15(1)32BATABfRR CRR(5-18) 若RA=RB=RT，则 0.3TTfR C(5-19) 若两个定时电阻合并成一个时，则频率变为若两个定时电阻合并成一个时，则频率变为0.15TTfR C(5-20) 锁相技术第5章 集成锁相环路 XR-2206是另一种功能比较完全、应用极为广泛的单是另一种功能比较完全、应用极为广泛的单片集成波形发生器，如图片集成波形发生器，如图5-22所示。所示。锁相技术第5章 集成锁相环路锁相技术第5章 集成锁相环路 XR-2206是另一种功能比

57、较完全、应用极为广泛的单片集成波形发生器，如图5-22所示。 它主要由压控振荡器、电流开关、缓冲器、正弦波它主要由压控振荡器、电流开关、缓冲器、正弦波形变换电路与模拟相乘器等部分组成。形变换电路与模拟相乘器等部分组成。 锁相技术第5章 集成锁相环路 XR-2206是另一种功能比较完全、应用极为广泛的单片集成波形发生器，如图5-22所示。 它主要由压控振荡器、电流开关、缓冲器、正弦波形变换电路与模拟相乘器等部分组成。 该电路能产生高稳定度和高精度的正弦波、方波、该电路能产生高稳定度和高精度的正弦波、方波、三角波、斜升波和脉冲波输出。三角波、斜升波和脉冲波输出。 锁相技术第5章 集成锁相环路 XR

58、-2206是另一种功能比较完全、应用极为广泛的单片集成波形发生器，如图5-22所示。 它主要由压控振荡器、电流开关、缓冲器、正弦波形变换电路与模拟相乘器等部分组成。 该电路能产生高稳定度和高精度的正弦波、方波、该电路能产生高稳定度和高精度的正弦波、方波、三角波、斜升波和脉冲波输出。三角波、斜升波和脉冲波输出。 由于电路中还包含一个模拟相乘器，故输出的各种波由于电路中还包含一个模拟相乘器，故输出的各种波形形 既可以被外加电压调频，也可外加电压调幅。既可以被外加电压调频，也可外加电压调幅。 锁相技术第5章 集成锁相环路 选择不同的定时电容和电阻，可使工作频率覆盖选择不同的定时电容和电阻，可使工作频

59、率覆盖0.01Hz1MHz以上。以上。锁相技术第5章 集成锁相环路 选择不同的定时电容和电阻，可使工作频率覆盖0.01Hz1MHz以上。根据本电路的特殊设计，振荡频根据本电路的特殊设计，振荡频率的近似计算式为率的近似计算式为1TTfR C(5-21) 锁相技术第5章 集成锁相环路 选择不同的定时电容和电阻，可使工作频率覆盖0.01Hz1MHz以上。根据本电路的特殊设计，振荡频根据本电路的特殊设计，振荡频率的近似计算式为率的近似计算式为1TTfR C(5-21) XR-2206既可以采用既可以采用10 26V单电源供电，也可采用单电源供电，也可采用5V 13V的双电源供电。的双电源供电。锁相技术

60、第5章 集成锁相环路 选择不同的定时电容和电阻，可使工作频率覆盖0.01Hz1MHz以上。根据本电路的特殊设计，振荡频根据本电路的特殊设计，振荡频率的近似计算式为率的近似计算式为1TTfR C(5-21) XR-2206既可以采用10 26V单电源供电，也可采用5V 13V的双电源供电。因此，电路非常适用于产生因此，电路非常适用于产生正弦波、方波、正弦波、方波、AM、FM、和、和FSK信号和压控振荡器。信号和压控振荡器。锁相技术第5章 集成锁相环路 二、射极耦合多谐振荡器型压控振荡器 锁相技术第5章 集成锁相环路 二、射极耦合多谐振荡器型压控振荡器二、射极耦合多谐振荡器型压控振荡器 锁相技术第