第八章 第2～3节

1、8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片 集成锁相环芯片类型较多，现介绍集成锁相环芯片类型较多，现介绍 CC4046(或或CD4046)和和J691以及以及NE564集成锁集成锁 相环。相环。 一、一、CC4046集成锁相环芯片集成锁相环芯片 CC4046和和J691均为均为CMOS单片锁相环路，单片锁相环路， 工作频率工作频率1MHz，其逻辑结构和引出端功能其逻辑结构和引出端功能 完全相同，仅电参数略有差异。完全相同，仅电参数略有差异。 1. CC4046逻辑图和引出端功能图逻辑图和引出端功能图 图图8-10 8-10 CC4046集成锁相环集成锁相环 2. 2. 使用说明使用说明 CC4046

2、CC4046、J691J691包含相位比较器、压包含相位比较器、压 控振荡器两部分，控振荡器两部分，工作频率工作频率1MHz,1MHz,使用时使用时 需外接低通滤波器（阻、容元件）需外接低通滤波器（阻、容元件）形成形成 完整的锁相环完整的锁相环。 1 1）压控振荡器）压控振荡器（VCO） VCO部分需要一个外接电容和外接电阻部分需要一个外接电容和外接电阻 （R1或或R1和和R2），电阻和电容决定），电阻和电容决定VCO的频的频 率范围，率范围，电阻电阻R2可以使可以使VCO的频率得到补偿。的频率得到补偿。 源极跟随器在（源极跟随器在（1010）端输出）端输出VCO的的输入电压输入电压 （解调输

3、出）。（解调输出）。如果使用这一端时，应从如果使用这一端时，应从 （1010）端到）端到VSS外接一个电阻作为负载。如外接一个电阻作为负载。如 果不使用这个端子，可以允许断开。果不使用这个端子，可以允许断开。VCO输输 出既可以直接与相位比较器连接，也可以通出既可以直接与相位比较器连接，也可以通 过分频器连接到相位比较器的输入端。过分频器连接到相位比较器的输入端。 2)2)相位比较器相位比较器 (1)(1)相位比较器相位比较器是异或门，使用时，要是异或门，使用时，要 求输入信号的占空比为求输入信号的占空比为50%.50%. 当输入端无信号时当输入端无信号时, ,只有只有VCO信号，信号， 相位

4、比较器相位比较器输出输出1/2 1/2 VDD电压，从而电压，从而 引起引起VCO在中心频率处振荡。相位比较在中心频率处振荡。相位比较 器器的捕捉范围取决于低通滤波器的特的捕捉范围取决于低通滤波器的特 性。适当选择低通滤波器可以得到大的性。适当选择低通滤波器可以得到大的 捕捉范围。图捕捉范围。图8-128-12为锁定时的波形。为锁定时的波形。 图图8-12 8-12 锁定时的波形锁定时的波形 (2)(2)相位比较器相位比较器为四组边沿触发器。为四组边沿触发器。 其相位脉冲输出（其相位脉冲输出（1 1端）表示输入信号端）表示输入信号 与比较器输入信号的相位差。与比较器输入信号的相位差。 因为这种

5、相位比较器只是在输入信号的因为这种相位比较器只是在输入信号的 上升沿起作用，所以不要求波形占空比为上升沿起作用，所以不要求波形占空比为 50%50%。 二、NE564集成锁相环芯片集成锁相环芯片 NE564的工作频率可达的工作频率可达50MHz，VCO 采用射极耦合多谐振荡器。采用射极耦合多谐振荡器。它是一种更适它是一种更适 宜于用作调频和频移键控信号解调器的通宜于用作调频和频移键控信号解调器的通 用器件，用器件，它的引出端功能图和组成方框图它的引出端功能图和组成方框图 如图如图8-138-13所示。所示。 图图8-138-13 NE564 的引出端功能图和组成方框图的引出端功能图和组成方框图

6、 一、在调制解调技术中的应用一、在调制解调技术中的应用 1 1锁相调频电路锁相调频电路 2 2锁相鉴频电路锁相鉴频电路 二、在空间技术上的应用二、在空间技术上的应用 三、在稳频技术中的应用三、在稳频技术中的应用 1 1用于振荡器的稳定与提纯。用于振荡器的稳定与提纯。 2 2频率合成器频率合成器 8.3 8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用 锁相环路之所以广泛应用于电子技术的锁相环路之所以广泛应用于电子技术的 各个领域，是由于它具有一些特殊的性能。各个领域，是由于它具有一些特殊的性能。 1 1）良好的跟踪特性）良好的跟踪特性 锁相环路的输出信号频率可以精确地跟锁相环路的输出信号频率可以精确地跟

7、踪输入踪输入 参考信号频率的变化。参考信号频率的变化。 2 2）良好的窄带滤波特性）良好的窄带滤波特性 由于良好的跟踪特性，也由于由于良好的跟踪特性，也由于环路滤波环路滤波 器低通特性对快速变化信号的抑制作用器低通特性对快速变化信号的抑制作用, 从而减少了对后级压控振荡器的干扰作用。从而减少了对后级压控振荡器的干扰作用。所所 以，环路相当于一个窄带的高频以，环路相当于一个窄带的高频带通滤波器，带通滤波器， （如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到 几赫兹）。几赫兹）。 不仅如此，不仅如此，还可以通过改变环路滤波器的还可以通过改变环路滤波器的 参数和环路增益

8、来改变带宽，参数和环路增益来改变带宽，作为性能优良的作为性能优良的 跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大 的空间信号。的空间信号。 3 3）良好的门限特性）良好的门限特性 在调频通信中，在调频通信中，若使用普通鉴频器，由若使用普通鉴频器，由 于该鉴频器是一个非线性器件，信号与噪声于该鉴频器是一个非线性器件，信号与噪声 通过非线性相互作用，噪声会对信号产生较通过非线性相互作用，噪声会对信号产生较 大的抑制，使输出信噪比急剧下降，即出现大的抑制，使输出信噪比急剧下降，即出现 了门限效应。了门限效应。锁相环路用作鉴频器时也有门锁相环路用作鉴频器时也有门 限

9、效应存在。但是，在相同的调制系数的条限效应存在。但是，在相同的调制系数的条 件下，它比普通鉴相器的门限低。件下，它比普通鉴相器的门限低。 当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路 有反馈控制作用，跟踪相差小，这样，通过有反馈控制作用，跟踪相差小，这样，通过 环路的作用，限制了跟踪的变化范围，环路的作用，限制了跟踪的变化范围，减少减少 了鉴相特性的非线性影响，所以改善了门限了鉴相特性的非线性影响，所以改善了门限 特性。特性。 利用上述特性，锁相环可以做成性能十利用上述特性，锁相环可以做成性能十 分优越的跟踪滤波器，用以接收来自宇宙空分优越的跟踪滤波器，用以接收来自宇宙

10、空 间的信噪比很低且载频漂移大的信号。间的信噪比很低且载频漂移大的信号。 下面对锁相环路在调制解调、空间技术下面对锁相环路在调制解调、空间技术 及稳频技术等方面的应用作一些介绍。及稳频技术等方面的应用作一些介绍。 一、在调制解调技术中的应用一、在调制解调技术中的应用 1 1锁相调频电路锁相调频电路 在普通的直接调频电路中，振荡在普通的直接调频电路中，振荡 器的中心频率稳定度较差，而采用晶器的中心频率稳定度较差，而采用晶 体振荡器的调频电路，其调频范围又体振荡器的调频电路，其调频范围又 太窄。采用锁相环的调频器可以解决太窄。采用锁相环的调频器可以解决 这个矛盾。其锁相调频原理框图如图这个矛盾。其

11、锁相调频原理框图如图 8-148-14示。示。 实现锁相调频的条件实现锁相调频的条件是调制信号是调制信号 的频谱要处于低通滤波器通带之外的频谱要处于低通滤波器通带之外, , 避免已调波经过环路对避免已调波经过环路对VCOVCO再次产生再次产生 影响。影响。仅使压控振荡器的中心频率仅使压控振荡器的中心频率 锁定在稳定度很高的晶振频率上，锁定在稳定度很高的晶振频率上， 而随着输入调制信号的变化，振荡而随着输入调制信号的变化，振荡 频率可以发生很大偏移。频率可以发生很大偏移。这种锁相这种锁相 环路称载波跟踪型环路称载波跟踪型PLL。 VCO中心频率中心频率=晶振频率晶振频率 图图8-158-15所示

12、为所示为CC4046CC4046用于锁相调频的用于锁相调频的 实际电路。晶振接于实际电路。晶振接于CC4046CC4046的的1414端，调制端，调制 信号从信号从9 9端加入，端加入，调频波中心频率锁定在调频波中心频率锁定在 晶振频率上，晶振频率上，在在 3 3与与4 4的连接端得到调频的连接端得到调频 信号。信号。VCOVCO的频率可用的频率可用100100k的电位器调节。的电位器调节。 CC4046CC4046的最高工作频率为的最高工作频率为1.21.2MHz。 图图8-15 CC40468-15 CC4046锁相环调频电路锁相环调频电路 2 2锁相鉴频电路锁相鉴频电路 用锁相环路可实现

13、调频信号的解调。如用锁相环路可实现调频信号的解调。如 果将环路的频带设计得足够宽果将环路的频带设计得足够宽 ，则压控振荡，则压控振荡 器的振荡频率跟随输入信号的频率而变。器的振荡频率跟随输入信号的频率而变。若压若压 控振荡器的电压控振荡器的电压- -频率变换特性是线性的，则频率变换特性是线性的，则 加到压控振荡器的电压，即环路滤波器输出电加到压控振荡器的电压，即环路滤波器输出电 压的变化规律必定与调制信号的规律相同。故压的变化规律必定与调制信号的规律相同。故 从环路滤波器的输出端，可得到解调信号。从环路滤波器的输出端，可得到解调信号。用用 锁相环对已调频波解调是利用锁相环的跟踪特锁相环对已调频

14、波解调是利用锁相环的跟踪特 性，这种电路称调制解调型性，这种电路称调制解调型PLLPLL。 图图8-16 8-16 锁相环解调电路原理框图锁相环解调电路原理框图 )()( )()( )()( )( )()()( 1 1 t f tc tftof totc so scscso u K k u dtukuk K u s K u s Ku 对于调频波有 转换到时域，即 证明证明: :根据根据PLLPLL的构成和基本方程的构成和基本方程 可见可见,LF,LF的输出即为解调信号的输出即为解调信号 图图8-17 CC40468-17 CC4046锁相环解调电路锁相环解调电路 锁相接收机在接收空间信号锁相接

15、收机在接收空间信号 方面得到广泛应用。由于各种原方面得到广泛应用。由于各种原 因，地面接收机接收的信号十分因，地面接收机接收的信号十分 微弱。微弱。采用锁相接收机，利用环采用锁相接收机，利用环 路的窄带跟踪特性，可以有效接路的窄带跟踪特性，可以有效接 收空间信号，收空间信号，原理如图原理如图8-198-19。 二、在空间技术上的应用二、在空间技术上的应用 图中若中频信号与本地信号频率有偏差，鉴图中若中频信号与本地信号频率有偏差，鉴 相相器的器的输出电压就去调整压控振荡器的频率，输出电压就去调整压控振荡器的频率， 使混频输出使混频输出的中频的中频信号的频率锁定在本地标准信号的频率锁定在本地标准

16、中频上。中频上。由于本地标准参考信号可以被锁定，由于本地标准参考信号可以被锁定， 所以中频放大器的频带可以做得很窄所以中频放大器的频带可以做得很窄，因而使因而使 输出信噪比大大提高，接收微弱信号的能力输出信噪比大大提高，接收微弱信号的能力加加 强。强。 1 1用于振荡器的稳定与频率提纯用于振荡器的稳定与频率提纯 石英晶体振荡器工作于低电平时长期稳石英晶体振荡器工作于低电平时长期稳 定性很好，但是噪声和相位抖动很大。定性很好，但是噪声和相位抖动很大。而它而它 工作于中等电平时长期稳定性差，但是短期工作于中等电平时长期稳定性差，但是短期 稳定性高，输出噪声和相位抖动小。稳定性高，输出噪声和相位抖动

17、小。因此，因此， 如果将这二者结合起来，就可兼顾这两方面。如果将这二者结合起来，就可兼顾这两方面。 可采用图可采用图8-208-20所示的方案。所示的方案。 三、在稳频技术中的应用三、在稳频技术中的应用 图图8-208-20 振荡器的稳定与提纯振荡器的稳定与提纯 其中，其中，两个晶振的频率都是两个晶振的频率都是 fo ，中中 电平晶振用作压控振荡器。当锁定后，电平晶振用作压控振荡器。当锁定后， VCO的输出信号频率就等于环路输入信的输出信号频率就等于环路输入信 号的频率，这样长期稳定性即得到保证。号的频率，这样长期稳定性即得到保证。 而相位噪声通过一个通带很窄的滤波器，而相位噪声通过一个通带很

18、窄的滤波器， 绝大部分被滤除，因而输出频谱变纯。绝大部分被滤除，因而输出频谱变纯。 利用一个频率既准确又稳定的晶振信号利用一个频率既准确又稳定的晶振信号 产生一系列频率准确的信号设备叫做频率合产生一系列频率准确的信号设备叫做频率合 成成器。器。 1 1）基本思路）基本思路 利用综合或合成的手段。利用综合或合成的手段。综合晶体振荡综合晶体振荡 器频率稳定度、准确度高和可变频率振荡器器频率稳定度、准确度高和可变频率振荡器 改换频率方便的优点，改换频率方便的优点，克服了晶振点频工作克服了晶振点频工作 和可变频率振荡器频率稳定度、准确度不高和可变频率振荡器频率稳定度、准确度不高 的缺点，而形成了频率合

19、成技术。的缺点，而形成了频率合成技术。 2 2频率合成器频率合成器 2 2）在工程应用中，对频率合成器的要求在工程应用中，对频率合成器的要求 (1)(1)频率范围视用途而定频率范围视用途而定 就其频段而言有短波、超短波、微波就其频段而言有短波、超短波、微波 等频段。等频段。通常要求在规定的频率范围内，通常要求在规定的频率范围内， 在任何指定的频率点（波道）上，频率合在任何指定的频率点（波道）上，频率合 成器能正常工作且满足质量指标。成器能正常工作且满足质量指标。 (2)(2)频率间隔频率间隔 频率合成器的输出频率是不连续的。频率合成器的输出频率是不连续的。 两个相邻频率之间的最小间隔就是频率间

20、两个相邻频率之间的最小间隔就是频率间 隔。隔。 对短波单边带通信，现在一般取频对短波单边带通信，现在一般取频 率间隔为率间隔为100100Hz，有的甚至为，有的甚至为1010Hz、1 1Hz； 对短波通信，频率间隔多取为对短波通信，频率间隔多取为5050kHz或或 1010kHz。 利用锁相环可以构成频率合成器，利用锁相环可以构成频率合成器， 其原理框图如图其原理框图如图8-218-21所示：锁相环的用所示：锁相环的用 处很多，利用频率跟踪特性，还可以实处很多，利用频率跟踪特性，还可以实 现锁相倍频器或分频器等。现锁相倍频器或分频器等。 3 3）锁相环构成频率合成器原理）锁相环构成频率合成器原

21、理 图图8-21 8-21 频率合成器原理框图频率合成器原理框图 输入信号频率输入信号频率fi ，经固定分频（，经固定分频（M 分频）后得分频）后得 到基准频率到基准频率f1 ，把它输入到相位比较器的一端，把它输入到相位比较器的一端， VCO输出信号经可预制分频器（输出信号经可预制分频器（N 分频）后输入到分频）后输入到 相位比较器的另一端，这两个信号进行比较，当相位比较器的另一端，这两个信号进行比较，当 PLL锁定后得到锁定后得到 当当N 变化时，输出信号频率跟随变化。变化时，输出信号频率跟随变化。 i2 ff MN 2i1 N ffNf M MC145146为为Motorola公司生产的单公司生产的单 片大规模集成电路，它内含参考频率分频片大规模集成电路，它内含参考频率分频 器、两组可变分频器（器、两组可变分频器（A、N）、鉴相器）、鉴相器 和锁存控制电路等。图和锁存控制电路等。图8-23(a)8-23(a)是是 MC145146引出端功能图引出端功能图, , 图图8-23(b)8-23(b)是是采采 用用MC145146等组成的等组成的U