锁相环CD4046的应用设计及研究

1、电子质量 (2012第 01期 锁相环 CD4046的应用设计及研究锁相环 CD4046的应用设计及研究The Application Design and Study of Phase-Locked Loop CD4046曾素琼 (嘉应学院 电子信息工程学院 , 广东 梅州 514015Zeng Su-qiong (Schoolof Electronics and Information Engineer,Jiaying University,Guangdong M eizhou 514015摘 要:讨论锁相环的原理及应用, 设计基于锁相环 CD4046的锁相频率合成器和鉴频电路, 对电路作

2、了实验验证和分析 。 该设计电路简单实用, 能较好地说明锁相环的应用设计过程及优势, 利于对锁相环应用的研究 。关键词:锁相环; 压控振荡器 (VCO; 锁相频率合成器; 鉴频中图分类号:TP273;TN915文献标识码:A 文章编号:1003-0107(201201-0072-04Abstract:In this paper,phase locked loop is discussed of the principle and application,PLL frequencysynthesizer and frequency discrimination circuit based on

3、PLL CD4046are designed.Finally,experimentalverification and analyzed of the system were made.The design has the advantades of simple construc-ture and practical circuit,to better illustrate the application of phase-locked loop design process and ad-vantage,conducive to the PLL application research.K

4、ey w ords:phase-locked loop (PLL;voltage-controlled oscillator(VCO;PLLfrequency synthesizer;fre-quency discriminationCLC num ber:TP273;TN915Docum ent code:AArticle ID :1003-0107(201201-0072-040引言相位锁定环路简称锁相环路, 英文的缩写是 PLL 。 在 锁定状态下,锁相环输出信号的频率准确地等于输入信 号的频率, 所以利用锁相环能够实现无差的频率跟踪 。 利 用锁相相位控制特性,可以把它用于各种各样的反

5、馈控 制系统中, 例如, 锁相频率合成; 利用它的调制跟踪和载 波跟踪特性, 可以把它用于调制 、 解调 、 锁相接收 、 载波恢 复 、 位同步提取等 1-3; 利用锁相环的窄带滤波特性, 可以 把淹没在噪声中的信号提取出来,所以可以把它用于弱 信号检测 。 当今, 锁相已被广泛地应用于通信 、 雷达导航 、 自动控制 、 弱信号检测 、 仪器仪表等各个方面 4。 文中对锁 相环 CD4046在数字锁相频率合成和调频信号的解调应 用进行设计及实验研究 。1锁相环路简介锁相环路是相位反馈控制环路,基本锁相环路由鉴 相器 (PD、 环路低通滤波器 (LPF和电压控制振荡器 (VCO三个部件组成,

6、 如图 1所示 。环路的输入信号为 u i (t , 其相位为 1(t ; 压控振荡 器的输出信号为 uo(t , 其相位为 2(t 。 鉴相器的输出 电压 u d (t 是 u i (t 与 u o (t 的相位差 e (t =1(t -2(t 的函 数 。 u d (t 经过低通滤波器滤波取出直流和低频信号 u C (t 。 在电压 u C (t 的控制下, 压控振荡器的频率向输入 信号的频率靠拢, 直至达到相等, 鉴相器输出电压 u d (t 恒定不变 。u i (t =U im (t sin(i t +i =U im sin0t +(i -0 t +i =U im sin0t +1(t

7、 u 0(t =U om cos0t +2(t 鉴相器输出电压 u d (t 是两个输入电压相位差 e (t 的函数 。 不同形式的鉴相器, 函数关系不同, 乘积型鉴 相器的输出电压为:u d (t =1k m U im U om sin1(t -2(t =U d sin e (t 2锁相频率合成频率合成器, 是以一个精确度 、 稳定度极好的石 英晶体振荡器作为基准频率, 并利用加 、 减 、 乘 、 除 、 混 频等基本运算技术, 以获得与石英晶体振荡器同等精 确度和稳定度的大量离散频率信号的设备 。 目前, 频 率合成器已成为电子技术 、 空间技术和通信技术中的作者简介:曾素琼 (1967

8、- , 女, 副教授, 硕士, 研究方向为电路与系统应用研究 。 图 1基本锁相环路的组成方框图72电子质量 (2012第 01期 一个重要的组成部分 。 例如, 在现在无线电收 、 发信机 中, 广泛采用频率合成器作为收 、 发信机的振荡频率源; 在雷达及电子对抗中, 利用频率合成器可以迅速而又准 确地改变频率, 以避开敌机的侦察和干扰; 在各种精密 仪表中, 频率合成器能提供高分辨力 、 低噪声 (相位噪声 的信号, 以适应各种精密测量的需要 。频率合成器和常规的振荡式正弦信号频率源相比, 其主要优点是:(1具有较高的频率长期稳定度, 相位噪声小 。 若频 率合成器用恒温控制的高稳定度的石

9、英晶体振荡器作 为基准频率源 (或称主晶振 的话, 则 f /f可达 10-10 10-8/日, 而常规的振荡式正弦信号频率源, 其稳定度一般的只能达到 f /f=10-810-5/日;(2电路简单易集成 、 易编程, 从而易于实现数字置 定和显示频率, 可提高频率的分辨能力和频率置定的重 复性 5-6;(3输出频率范围大, 频率源丰富 。利用锁相技术实现频率合成的方法是间接频率合 成法, 这种方法是目前频率合成中应用最广泛的方法之 一 。 用于频率合成中的锁相环有倍频锁相环 、 分频锁相 环和混频锁相环 。 倍频锁相环如图 2所示 。 锁相环是一 种相位负反馈系统, 它利用环路的窄带跟踪与同

10、步特性 将鉴相器一端 VCO 的输出相位与另一端晶振参考的相 位保持同步, 实现锁定输出频率的功能, 同时可以得到 和参考源相同的频率稳定度 。 当 PLL 处于锁定状态时, PD 两个输入信号的频率一定精确相等,否则 LPF 会产 生一个控制电压去改变 VCO 的振荡频率,最终使两频 率精确相等 。 设晶振的输出频率为 f r (输入信号的参考频 率 , VCO 输出频率为 f o , 锁定状态下, 则环路输出信号的频率 fo=Nf r 。2.2基于锁相环 CD4046频率合成器设计2.2.1锁相环 CD4046介绍CD4046常使用集成电路的锁相环 。 它是通用的 CM OS 锁相环集成电

11、路,其特点是电源电压范围宽 (为 318V , 输入阻抗高 (约 100M , 动态功耗小, 在中心频率 fo为 10kHz 下功耗仅为 600W ,属微功耗器件 。 CD4046内部电原理框图如图 3所示,它主要由相位比 较 、 、 压控振荡器 (VCO、 线性放大器 、 源跟随器 、 整 形电路等构成 。 比较器 采用异或门结构, 当两个输入 端信号 U i 、 U o 的电平状态相异时 (即一个为高电平, 一个 为低电平 , 输出端信号 U d 为高电平; 反之, 当 U i 、 U o 电 平状态相同时 (即两个均为高, 或均为低电平 , U d 输出 为低电平 。 当 U i 、 U

12、 o 的相位差 在 0°180°范围 内变化时, U d 的脉冲宽度 m 亦随之改变, 即占空比亦在 改变 。CD4046锁相环采用的是 RC 型压控振荡器,必须 外接电容 C1和电阻 R1作为充放电元件 。 当 PLL 对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻 R 2。 由于 VCO 是一个电流控制振荡器, 对定时电容 C1的充电 电流与从 9脚输入的控制电压成正比,使 VCO 的振荡 频率亦正比于该控制电压 。 当 VCO 控制电压为 0时, 其 输出频率最低; 当输入控制电压等于电源电压 VDD 时, 输出频率则线性增大到最高输出频率 。 VCO 振荡频率的范

13、围由 R1、 R 2和 C 1决定 。 由于它的充电和放电都由同一个电容 C1完成, 故它的输出波形是对称方波 。 一般规 定 CD4046的 最 高 频 率 为 1.2M Hz (V D D =15V , 若 V D D <15V, 则 f m ax 要降低一些 。CD4046内部还有线性放大器和整形电路, 可将 14脚输入的 100mV 左右的微弱输入信号变成方波或脉冲 信号送至两相位比较器 。 源跟踪器是增益为 1的放大 器, VCO 的输出电压经源跟踪器至 10脚作 FM 解调用 。 齐纳二极管可单独使用, 其稳压值为 5V , 若与 TTL 电路 匹配时, 可用作辅助电源 。2

14、.2.2基于 74LS90分频器的频率合成器74LS90是异步二 -五 -十进制计数器,其管脚图 如图 4所示, 功能表如表 1所示, 它的内部由 3个计数 电路组成, 一个为二进制计数电路, 计数脉冲输入端为图 2倍频锁相环频率合成原理方框图 图 3CD4046内部电原理框图锁相环 CD4046的应用设计及研究73电子质量 (2012第 01期 CKA , 输出端为 QA ; 另一个为五进制计数电路, 计数脉 冲输入端为 CKB , 输出端为 QB , QC , QD , 这两个计数器可独立使用;当将 QA 连到 CKB ;R 01、 R 02、 R 92、 R 91接地 , 当计数脉冲输入

15、 CKA 时, 可构成十进制计数器 7。 表 174LS90功能表 普通计数器作为分频时, 从计数器输出引脚可以得 到输入信号的 2、 4、 8 分频的信号 。 依此原理当 74LS90作十进制计数器可以方便得到 2、 4、 8分频信号 。 将 74LS90输出端 QA , QB , QC 分别与 CD4046的 3脚 (比较 信号输入端 相连时, 构成的频率合成器如图 5所示 。 在 CD4046的 14脚上输入已经调好的 1.00kHz 正 弦波信号, 如图 6所示 。 把 CD4046的 3脚与 QA 相连, 即 74LS90为 2分频时,用示波器测 CD4046的 4脚得 到频率输出为

16、 1.99kHz (理论值为 2kHz 的正弦波形, 如图 7所示;把 CD4046的 3脚与 QB 相连, 即 74LS90为 4分频时,用示波器测 CD4046的 4脚得到频率输出为 3.96kHz (理论值为 4.0kHz 的正弦波形, 如图 8所示; 把 CD4046的 3脚与 QC 相连,用示波器测 CD4046的 4脚 得到频率输出为 7.94kHz (理论值为 8.0kHz 的正弦波形, 如图 9所示 。从实验得出的波形图及数据可以看出,上面用 74LS90和 CD4046组成的频率合成器方法是可行的, 合 成器输出的波形及数据与理论计算基本符合, 输出频率 重复性好, 稳定度高

17、, f /f 0可达 10-8/日 。 要设计输出频 率范围更大, 频率源更丰富的频率合成系统, 只要把系 统中的 N 作变化, 例如:N =M P , M 、 P 为可控整数, 即可 实现 4-5。图 474LS90芯片管脚图R0(1R0(2R9(1R9(2QD QC QB QA 110X 000011X 00000XX 111001X 0X 0计数 0X 0X 计数 0X X 0计数 X 0X计数图 574LS90与 CD4046组成的频率合成器图 61.00kHz 正弦波信号波形锁相环 CD4046的应用设计及研究74电子质量 (2012第 01期 3基于 CD4046的调频信号解调 (

18、鉴频 图 10所示是 CD4046锁相环用于调频信号的解调 电 路 简 图 。 调 频 信 号 经 放 大 器 放 大 后 交 流 耦 合 到 CD4046锁相环的 14脚, 输入端环路的相位比较器采用 比较器 。 锁相环系统中的中心频率 f 0等于调频信号频 率 f S , 这样会引起压控振荡器输出与输入信号输入间产 生不同的相位差, 从而在压控振荡器输入端产生与输入 信号频率变化相应的电压变化, 这个电压变化经源极跟 随器隔离后在压控振荡器的解调输出端 10脚输出解调 信号 。 电路中输入调频信号 u FM (载波信号:f c =400.179kHz正弦波; U cm =2.5V;调制信号 u 为:F =400.167Hz, U m =1V的方波 。 u FM 的波形图如图 11所示 。 在 电 路 的 输 出 端 得 到 解 调 信 号 是 :频 率 f =400.021Hz ,幅度 U m =1.70V的方波如图 12所示, 图 13所示是 FM 信号解调后波形与解调前信号对照图 。从上面的波形及数据可以证明:图 10所 示 的 CD4046锁相环对调频信号的解调电路是可行的,解调 失真小 。 锁相环用于解调 FM 信号, 具有电路简单, 解调效果好的特点 。 注意: