物理第4章锁相环的原理和应用课件

第4章

锁相环的原理和应用

201012/26/20221h第4章

锁相环的原理和应用

201012/26/2022本章内容简介本章介绍锁相环电路的组成、基本工作原理。讨论锁相环（PLL）电路的各种实际应用和电路。锁相环将压控振荡器输出的频率和相位“锁定”到输入参考源的频率和相位上。这种电子伺服环路无需线圈或电感，即可进行选频调谐和滤波，这正是微型固态电路所希望的。12/26/20222h本章内容简介本章介绍锁相环电路的组成、基本工作原理锁相环的应用其应用包括：倍频、频率合成、FM解调器、和音频解码等。12/26/20223h锁相环的应用其应用包括：倍频、频率合成、FM解调器、和音频解4.1.锁相环的组成图1是基本锁相环电路的框图。PLL是由相位比较器（有时称为相位检波器）、低通滤波器（LPF）和线性压控振荡器（VCO）三部分组成。线性压控振荡器低通滤波器相位比较器fr反馈fo误差图112/26/20224h4.1.锁相环的组成图1是基本锁相环电路的框图。PLL是由相4.2.锁相环的原理相位比较器将来自压控振荡的输出频率fo并将其与外加参考频率fr作比较，产生一个与相位差对应的误差电压输出至低通滤波器。12/26/20225h4.2.锁相环的原理相位比较器将来自压控振荡的输出频率fo

误差电压经LPF滤波后馈入VCO的控制输入端，这样就可使fo和fr之间的任何频率差减少相位差逐步恒定。这时，环路就称为被锁定了,即锁定状态。12/26/20226h误差电压经LPF滤波后馈入VCO的控制输入端，这样就可使

如果VCO的频率在开始时低于输入参考频率，相应比较器的输出偏正。此正输出电压经滤波后加至VCO，强制VCO的频率增加，直至VCO的频率和相应与输人参考信号的频率与相应精确相同为止。12/26/20227h如果VCO的频率在开始时低于输入参考频率，相应比较器的如果VCO的频率增加到高于输入参考频率，则发生与上述相反的过程。相应比较器的输出减少，使VCO的频率降低，以锁定到与输入参考相同的频率上。12/26/20228h如果VCO的频率增加到高于输入参考频率，则发生与上述相反的过低通滤波器将相位检波器的输出滤波后转换成平滑的直流控制电压，是锁相环电路的重要组成部分。由于滤波器有一定的时间常数，所以PLL的锁定不是瞬时的，因而VCO的输出频率锁定在参考电压fo的平均值上，而不是锁定到即时值。这一特性利于将带噪声的输入参考频率形成纯净的输出频率。12/26/20229h低通滤波器将相位检波器的输出滤波后转换成平滑的直流控制电压，4.3.锁相环的应用

4.3.1频率倍乘基本的PLL据图示于图1，输出信号频率锁定于输入频率的平均值，因此，输入频率与输出频率相同。而图2所示电路为又一种锁相环，其输出频率精确等于输入频率的十倍。因此，电路的作用又如频率倍乘器。12/26/202210h4.3.锁相环的应用

4.3.1频率倍乘基本的PLL据图示在图2的框图中，一个“计数器10”除十分频器插接在反馈环的VCO输出端和相应比较器的输入端之间。因此，相应比较器锁定在除十计数器的输出频率上，而不是VCO的输出频率上。低通滤波器相位比较器frfo误差图2计数器10线性压控振荡器12/26/202211h在图2的框图中，一个“计数器10”除十分频器插接在反馈环的V这样，锁定条件就变为VCO的频率(fo)必须是输入参考信号频率(fr)的十倍，而电路的作用．就是倍频系数为10的频率倍乘器。电路也可以倍乘任何数，不只是乘以十，只要在PLL反馈环中插入具有相应分频比的计数器即可。12/26/202212h这样，锁定条件就变为VCO的频率(fo)必须是输入参考信号频4.3.2频率合成PLL电路还可以用做精确的可编程频率合成器(见图3)相位比较器的参考输入频率fr是频率精确固定的1kHZ信号，此信号是由1MHZ晶体振荡器的输出被除1000计数器分频得到的。低通滤波器相位比较器frfo误差图3可编程计数器压控振荡器计数器1000振荡器1MHZ12/26/202213h4.3.2频率合成PLL电路还可以用做精确的可编程频率合成象频率倍乘电路那样，在反馈环中有一个计数器插接在VCO的输出端和相位比较器的输人端之间。但此电路是外部可编程的，所以，它具有100X至1000X之间的任何整数分频比。由于此电路具有这一特点，故能产生或合成在100kHZ至1MHZ之间的稳定、精确频率，步距为1kHZ。在图3中的VCO电路至少应具有10至1的频率延伸范围，以复盖所需的频段。此外，频率步距对应于1kHZ的外接输入频率。12/26/202214h象频率倍乘电路那样，在反馈环中有一个计数器插接在VCO的输出4.3.3CD4046及其应用4046PLL锁相环电路:一个小功率线性压控振荡器（VCO）一个源极跟随器一个齐纳二极管二个相位比较器4046PLL锁相环电路组成框图如下：12/26/202215h4.3.3CD4046及其应用4046PLL锁相环电4.3.3.1.CD4046.pdf12/26/202216h4.3.3.1.CD4046.pdf12/26/202214.3.3.2VCO的应用基本振荡器条件VCOin=VDD：Fmax=1/R1(C1+32pf)R1(10k--1M)VCOin=VSS：Fmin=1/R2(C1+32pf)

12/26/202217h4.3.3.2VCO的应用基本振荡器条件12/26/20

键控移频(FSK)12/26/202218h键控移频(FSK)12/26/202218h4.3.3.3调频信号(FM)的解调载频=10kHz调制信号=400Hz(音频)解调输出Pin1012/26/202219h4.3.3.3调频信号(FM)的解调载频=10

解调12/26/202220h解调12/26/202220h频率–电压转换(F–V)12/26/202221h频率–电压转换(F–V)12/26/20224.4.PLL锁相环电路分析4.4.14046比较器I和II的特点比较器I的特点是：两个输入信号的电平状态相异时(一个是高电平，一个是低电平)，输山信号Ｖ为高电平：反之为低电平。当两个输入信号的相位差在0—180范围内变化时，Ｖ的脉冲宽度ｔｐ也随着改变，由于Ｖ的周期是ｔ，占空比Ｄ(Ｄ＝ｔｐ／ｔ)出随着改变。Ｖ经低通滤波器后即可得到平均值电乐Ｖｄ。Ｖｄ与相位差成正比。12/26/202222h4.4.PLL锁相环电路分析4.4.14046比较器I和相位差＝0时Ｖｄ＝０；相位差＝45时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ／４相位差＝90时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ／２相位差＝180时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ12/26/202223h相位差＝0时Ｖｄ＝０；12/26/202223h比较器II是—个由信号上升沿控制的网络，可接收任意占空比的输入信号。根据两信号频率的关系，有以下几种情况：(1)输入信号频率大于3脚的输入信号频率，Ｖ＝Vdd。(2)输入信号频率小于3脚的输入信号频率，Ｖ＝Vss。(3)两信号频率相等，视二者的相移差而定，若输入信号超前，则Ｖ＝Vdd；若输入信号滞后，则Ｖ＝Vss。(4)两信号频率相等，且相移差为零时，输出高阻状．12/26/202224h比较器II是—个由信号上升沿控制的网络，可接收任意占空比的输4.4.2低通滤波器LPF4046采用ＲＣ型压控振荡器，输入控制电压Ｖｄ控制对象Ｃ１充、放电的电流Ｉo，实现对压控振荡器ＶＣＯ振荡频率的控制。12/26/202225h4.4.2低通滤波器LPF4046采用ＲＣ型压控振荡器当Vd小开启电压时，Id有最小值，VCO维持最低频率振荡。若电路中不接R2，电路将停振，Fmin＝0.当Vd=Vdd时，Id有最大值，这时C1将以最快的速度充、放电，使振荡频率为最高。当Vd介于开启电压与Vdd之间时，压控振荡器输出频率F2与Vd有良好的线性关系，线性度达0.3％－－0.9％。设Vdd＝15V，R1＝10ｋ，R2开路，C1＝100p，则F2max＝1.38MHz。12/26/202226h当Vd小开启电压时，Id有最小值，VCO维持最低频率振荡。若4.4.3线性压控振荡器VCO当Vd介于开启电压与Vdd之间时，压控振荡器输出频率F2与Vd有良好的线性关系，线性度达0.3％－－0.9％。设Vdd＝15V，R1＝10ｋ，R2开路，C1＝100p，则F2max＝1.38MHz。一般4046的最高工作频率为1.2MHz。选Vdd低一些，Ｆ２ｍａｘ要降低一些，但线性度提高。12/26/202227h4.4.3线性压控振荡器VCO当Vd介于开启电压与Vd4.4.4锁相环的外围元件通常取Ｒ１，Ｒ２大于１０ｋ，如果要求VCO的F2min＝０，就必须使12脚开路.减小C1的电容值可以提高F2max，但C1的数值不得低于20p，以免ＶＣＯ因充电不足而停振。C2的数值不能太小，否则当R2开路时F2min降不到零，而是维持几十赫兹的低频振荡。12/26/202228h4.4.4锁相环的外围元件通常取Ｒ１，Ｒ２大于１０ｋ，如果其原因是：控制电压Vd的波形中伴有幅度较大的低频自激振荡，致使ＶＣＯ失控．这时需要适当增大Ｃ２的电容值，即可滤掉低频干扰，使Ｖｄ恢复成平滑变化的直流电压。12/26/202229h其原因是：控制电压Vd的波形中伴有幅度较大的低频自激振荡，致4.4.5线性放大及整形电路Pin14之后有一个线性放大及整形电路A1，可把100mv左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至相位比较器。12/26/202230h4.4.5线性放大及整形电路Pin14之后有一个线性放大4.4.6跟随器跟随器Ａ２把ＶＣＯ的输出电压送到10脚做ＦＭ解调用。12/26/202231h4.4.6跟随器跟随器Ａ２把ＶＣＯ的输出电压送到10脚做4.4.7齐纳稳压管齐纳稳压管的稳压值约5v，在与ＴＴＬ电路匹配时作为辅助稳压电源。12/26/202232h4.4.7齐纳稳压管齐纳稳压管的稳压值约5v，在与ＴＴＬ4.4.8信号的反馈流程输入Ｖｉ－－相位差－－Ｖｄ－－输出Ｖｏ－－反馈－－－－12/26/202233h4.4.8信号的反馈流程12/26/202233h该系统使压控振荡器的频率Ｆ２向输入信号频率Ｆ１靠拢，两频率差迅速减小，直至Ｆ2＝Ｆ1。这时两个信号的频率相同，而相位差恒定(同步)，这称为相位锁定。所谓锁相，就是自动地实现相位同步。能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁相环。这—相位锁定过程也被称作“捕捉”过程。能够最终锁定的初始频差，叫做锁相环的“捕捉范围”。当锁相环被锁定在输入频率Ｆ１时，它就能在一定的频率范同内自动跟踪Ｆ１的任何变化，此频率范围叫做“锁定范围”。12/26/202234h该系统使压控振荡器的频率Ｆ２向输入信号频率Ｆ１靠拢，两频率差锁相环在具体应用时非常灵活。如果要求Ｆ１与Ｆ２保持比例关系或差位差值关系，可在４脚与3脚之间插入一个运算器，如除法器、乘法器、加法器、减法器，使加到比较器的频率分别Ｆ２‘＝ＮＦ2，Ｆ２‘＝Ｆ2／Ｎ，Ｆ２‘＝F2－Ｎ，Ｆ２‘＝Ｆ2＋Ｎ．12/26/202235h锁相环在具体应用时非常灵活。如果要求Ｆ１与Ｆ２保持比例关系或例如，对于超外差式接收机，要求其本振频率总比电台频率高465kHz，可加一级减法器，使Ｆ2‘＝Ｆ2－465ＫＨｚ，再与Ｆ１进行相位比较。12/26/202236h例如，对于超外差式接收机，要求其本振频率总比电台频率高465其他信息4046CMOSPLL锁相环电路.pdfCMOS电路原理及应用AD654线性VCO12/26/202237h其他信息4046CMOSPLL锁相环电路.pdf12/第4章

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201012/26/202238h第4章

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201012/26/2022本章内容简介本章介绍锁相环电路的组成、基本工作原理。讨论锁相环（PLL）电路的各种实际应用和电路。锁相环将压控振荡器输出的频率和相位“锁定”到输入参考源的频率和相位上。这种电子伺服环路无需线圈或电感，即可进行选频调谐和滤波，这正是微型固态电路所希望的。12/26/202239h本章内容简介本章介绍锁相环电路的组成、基本工作原理锁相环的应用其应用包括：倍频、频率合成、FM解调器、和音频解码等。12/26/202240h锁相环的应用其应用包括：倍频、频率合成、FM解调器、和音频解4.1.锁相环的组成图1是基本锁相环电路的框图。PLL是由相位比较器（有时称为相位检波器）、低通滤波器（LPF）和线性压控振荡器（VCO）三部分组成。线性压控振荡器低通滤波器相位比较器fr反馈fo误差图112/26/202241h4.1.锁相环的组成图1是基本锁相环电路的框图。PLL是由相4.2.锁相环的原理相位比较器将来自压控振荡的输出频率fo并将其与外加参考频率fr作比较，产生一个与相位差对应的误差电压输出至低通滤波器。12/26/202242h4.2.锁相环的原理相位比较器将来自压控振荡的输出频率fo

误差电压经LPF滤波后馈入VCO的控制输入端，这样就可使fo和fr之间的任何频率差减少相位差逐步恒定。这时，环路就称为被锁定了,即锁定状态。12/26/202243h误差电压经LPF滤波后馈入VCO的控制输入端，这样就可使

如果VCO的频率在开始时低于输入参考频率，相应比较器的输出偏正。此正输出电压经滤波后加至VCO，强制VCO的频率增加，直至VCO的频率和相应与输人参考信号的频率与相应精确相同为止。12/26/202244h如果VCO的频率在开始时低于输入参考频率，相应比较器的如果VCO的频率增加到高于输入参考频率，则发生与上述相反的过程。相应比较器的输出减少，使VCO的频率降低，以锁定到与输入参考相同的频率上。12/26/202245h如果VCO的频率增加到高于输入参考频率，则发生与上述相反的过低通滤波器将相位检波器的输出滤波后转换成平滑的直流控制电压，是锁相环电路的重要组成部分。由于滤波器有一定的时间常数，所以PLL的锁定不是瞬时的，因而VCO的输出频率锁定在参考电压fo的平均值上，而不是锁定到即时值。这一特性利于将带噪声的输入参考频率形成纯净的输出频率。12/26/202246h低通滤波器将相位检波器的输出滤波后转换成平滑的直流控制电压，4.3.锁相环的应用

4.3.1频率倍乘基本的PLL据图示于图1，输出信号频率锁定于输入频率的平均值，因此，输入频率与输出频率相同。而图2所示电路为又一种锁相环，其输出频率精确等于输入频率的十倍。因此，电路的作用又如频率倍乘器。12/26/202247h4.3.锁相环的应用

4.3.1频率倍乘基本的PLL据图示在图2的框图中，一个“计数器10”除十分频器插接在反馈环的VCO输出端和相应比较器的输入端之间。因此，相应比较器锁定在除十计数器的输出频率上，而不是VCO的输出频率上。低通滤波器相位比较器frfo误差图2计数器10线性压控振荡器12/26/202248h在图2的框图中，一个“计数器10”除十分频器插接在反馈环的V这样，锁定条件就变为VCO的频率(fo)必须是输入参考信号频率(fr)的十倍，而电路的作用．就是倍频系数为10的频率倍乘器。电路也可以倍乘任何数，不只是乘以十，只要在PLL反馈环中插入具有相应分频比的计数器即可。12/26/202249h这样，锁定条件就变为VCO的频率(fo)必须是输入参考信号频4.3.2频率合成PLL电路还可以用做精确的可编程频率合成器(见图3)相位比较器的参考输入频率fr是频率精确固定的1kHZ信号，此信号是由1MHZ晶体振荡器的输出被除1000计数器分频得到的。低通滤波器相位比较器frfo误差图3可编程计数器压控振荡器计数器1000振荡器1MHZ12/26/202250h4.3.2频率合成PLL电路还可以用做精确的可编程频率合成象频率倍乘电路那样，在反馈环中有一个计数器插接在VCO的输出端和相位比较器的输人端之间。但此电路是外部可编程的，所以，它具有100X至1000X之间的任何整数分频比。由于此电路具有这一特点，故能产生或合成在100kHZ至1MHZ之间的稳定、精确频率，步距为1kHZ。在图3中的VCO电路至少应具有10至1的频率延伸范围，以复盖所需的频段。此外，频率步距对应于1kHZ的外接输入频率。12/26/202251h象频率倍乘电路那样，在反馈环中有一个计数器插接在VCO的输出4.3.3CD4046及其应用4046PLL锁相环电路:一个小功率线性压控振荡器（VCO）一个源极跟随器一个齐纳二极管二个相位比较器4046PLL锁相环电路组成框图如下：12/26/202252h4.3.3CD4046及其应用4046PLL锁相环电4.3.3.1.CD4046.pdf12/26/202253h4.3.3.1.CD4046.pdf12/26/202214.3.3.2VCO的应用基本振荡器条件VCOin=VDD：Fmax=1/R1(C1+32pf)R1(10k--1M)VCOin=VSS：Fmin=1/R2(C1+32pf)

12/26/202254h4.3.3.2VCO的应用基本振荡器条件12/26/20

键控移频(FSK)12/26/202255h键控移频(FSK)12/26/202218h4.3.3.3调频信号(FM)的解调载频=10kHz调制信号=400Hz(音频)解调输出Pin1012/26/202256h4.3.3.3调频信号(FM)的解调载频=10

解调12/26/202257h解调12/26/202220h频率–电压转换(F–V)12/26/202258h频率–电压转换(F–V)12/26/20224.4.PLL锁相环电路分析4.4.14046比较器I和II的特点比较器I的特点是：两个输入信号的电平状态相异时(一个是高电平，一个是低电平)，输山信号Ｖ为高电平：反之为低电平。当两个输入信号的相位差在0—180范围内变化时，Ｖ的脉冲宽度ｔｐ也随着改变，由于Ｖ的周期是ｔ，占空比Ｄ(Ｄ＝ｔｐ／ｔ)出随着改变。Ｖ经低通滤波器后即可得到平均值电乐Ｖｄ。Ｖｄ与相位差成正比。12/26/202259h4.4.PLL锁相环电路分析4.4.14046比较器I和相位差＝0时Ｖｄ＝０；相位差＝45时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ／４相位差＝90时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ／２相位差＝180时，Ｖｄ＝Ｖｄｄ12/26/202260h相位差＝0时Ｖｄ＝０；12/26/202223h比较器II是—个由信号上升沿控制的网络，可接收任意占空比的输入信号。根据两信号频率的关系，有以下几种情况：(1)输入信号频率大于3脚的输入信号频率，Ｖ＝Vdd。(2)输入信号频率小于3脚的输入信号频率，Ｖ＝Vss。(3)两信号频率相等，视二者的相移差而定，若输入信号超前，则Ｖ＝Vdd；若输入信号滞后，则Ｖ＝Vss。(4)两信号频率相等，且相移差为零时，输出高阻状．12/26/202261h比较器II是—个由信号上升沿控制的网络，可接收任意占空比的输4.4.2低通滤波器LPF4046采用ＲＣ型压控振荡器，输入控制电压Ｖｄ控制对象Ｃ１充、放电的电流Ｉo，实现对压控振荡器ＶＣＯ振荡频率的控制。12/26/202262h4.4.2低通滤波器LPF4046采用ＲＣ型压控振荡器当Vd小开启电压时，Id有最小值，VCO维持最低频率振荡。若电路中不接R2，电路将停振，Fmin＝0.当Vd=Vdd时，Id有最大值，这时C1将以最快的速度充、放电，使振荡频率为最高。当Vd介于开启电压与Vdd之间时，压控振荡器输出频率F2与Vd有良好的线性关系，线性度达0.3％－－0.9％。设Vdd＝15V，R1＝10ｋ，R2开路，C1＝100p，则F2max＝1.38MHz。12/26/202263h当Vd小开启电压时，Id有最小值，VCO维持最低频率振荡。若4.4.3线性压控振荡器VCO当Vd介于开启电压与Vdd之间时，压控振荡器输出频率F2与Vd有良好的线性关系，线性度达0.3％－－0.9％。设Vdd＝15V，R1＝10ｋ，R2开路，C1＝100p，则F2max＝1.38MHz。一般4046的最高工作频率为1.2MHz。选Vdd低一些，Ｆ２ｍａｘ要降低一些，但线性度提高。12/26/202264h4.4.3线性压控振荡器VCO当Vd介于开启电压与Vd4.4.4锁相环的外围元件通常取Ｒ１，Ｒ２大于１０ｋ，如果要求VCO的F2min＝０，就必须使12脚开路.减小C1的电容值可以提高F2max，但C1的数值不得低于20p，以免ＶＣＯ因充电不足而停振。C2的数值不能太小，否则当R2开路时F2min降不到零，而是维持几十赫兹的低频振荡。12/26/202265h4.4.4锁相环的外围元件通常取Ｒ１，Ｒ２大于１０ｋ，如果其原因是：控制电压Vd的波形中伴有幅度较大的低频自激振荡，致使ＶＣＯ失控．这时需要适当增大Ｃ２的电容值，即可滤掉低频干扰，使Ｖｄ恢复成平滑变化的直流电压。12/26/202266h其原因是：控制电压Vd的波形中伴有幅度较大的低频自激振