《通信电子电路》(课件)_第八章_第2～3节

1、8.2 集成锁相环芯片 集成锁相环芯片类型较多，现介绍CC4046(或CD4046)和J691以及NE564（工作频率可达 50MHz）集成锁相环。 一、CC4046集成锁相环芯片 CC4046和J691均为CMOS单片锁相环路，工作频率1MHz，其逻辑结构和引出端功能完全相同，仅电参数略有差异。1. CC4046逻辑图和引出端功能图图8-10 CC4046集成锁相环2. 使用说明 CC4046、J691包含相位比较器、压控振荡器两部分，使用时需外接低通滤波器（阻、容元件）形成完整的锁相环。此外，它们内部还有一个6.2V的齐纳稳压管。齐纳管是在需要用的时候作为辅助电源。 1）压控振荡器（VCO

2、） VCO部分需要一个外接电容和外接电阻（R1或R1和R2），电阻和电容决定VCO的频率范围，电阻可以使VCO的频率得到补偿。受VCO输入电压作用的源极跟随器在（10）端输出（解调输出）。如果使用这一端时，应从（10）端到VSS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。VCO输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。2)相位比较器 (1)相位比较器是异或门，使用时，要求输入信号的占空比为50%. 当输入端无信号时（只有VCO信号），相位比较器输出1/2 VDD电压，从而引起VCO在中心频率处振荡。相位比较器的捕捉范围取决于低通滤波器的特性。适当选择

3、低通滤波器可以得到大的捕捉范围。图8-12为锁定时的波形。图8-12 锁定时的波形 (2)相位比较器为四组边沿触发器。 其相位脉冲输出（1端）表示输入信号与比较器输入信号的相位差。 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50%。 二、NE564集成锁相环芯片 NE564的工作频率可达50MHz，VCO采用射极耦合多谐振荡器。它是一种更适宜于用作调频信号和频移键控信号解调器的通用器件，它的引出端功能图和组成方框图如图8-13所示。图8-13 NE564 的引出端功能图和组成方框图一、在调制解调技术中的应用 1锁相调频电路 2锁相鉴频电路二、在空间技术上的应用 三、

4、在稳频技术中的应用 1用于振荡器的稳定与提纯。 2频率合成器8.3 锁相环路的应用 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。 1）良好的跟踪特性 锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入 参考信号频率的变化，可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。 2）良好的窄带滤波特性 当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以低频干扰 的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。所以，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带可以做得很窄（如在数百兆赫兹的中心频率上，

5、带宽可做到几赫兹）。 不仅如此，还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽，作为性能优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。3）良好的门限特性 在调频通信中，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，即出现了门限效应。锁相环路用作鉴频器时也有门限效应存在。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。 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，通过环路的作用，限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性影响，所以改善了门限特性。 利用上述特性，锁相

6、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 1锁相调频电路 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这个矛盾。其锁相调频原理框图如图8-14示。 实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外。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，而随着输入调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。这种锁相环路称载波跟踪型PLL。 图8-15所示为CC4046

7、用于锁相调频的实际电路。晶振接于CC4046的14端，调制信号从9端加入，调频波中心频率锁定在晶振频率上，在 3与4的连接端得到调频信号。VCO的频率可用100k的电位器调节。CC4046的最高工作频率为1.2MHz。图8-15 CC4046锁相环调频电路2锁相鉴频电路 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 ，则压控振荡器的振荡频率跟随输入信号的频率而变。若压控振荡器的电压-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。用锁相环进行已调频波解调是利用锁相环的跟踪特性，这种电路

8、称调制解调型PLL。图8-16 锁相环解调电路原理框图 这种解调方法与普通的鉴频器相比较，在门限值方面可以获得一些改善，但改善的程度取决于信号的调制度。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。一般可以改善几个dB；调制指数高时，可改善10dB以上。 CC4046用于调频信号解调实际电路如图8-17所示：调频信号FM从相位比较器I输入（14端） PLL入锁后，VCO的振荡频率将跟踪调频信号的频率变化，经低通滤波器滤去载频信号后，从10端输出解调信号。 应用电路举例图8-17 CC4046锁相环解调电路 锁相接收机在接收空间信号方面得到广泛应用。由于各种原因，地面接收机接收的信号十分微弱。采用锁相接

9、收机，利用环路的窄带跟踪特性，可以有效接收空间信号，原理如图8-19。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，鉴相器的输出电压就去调整压控振荡器的频率，使混频输出的中频信号的频率锁定在本地标准中频上。由于标准信号可以被锁定，所以中频放大器的频带可以做得很窄，因而使输出信噪比大大提高，接收微弱信号的能力加强。 由于锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，且中频放大器带宽又很窄，故又称窄带跟踪滤波器。 1用于振荡器的稳定与提纯 石英晶体振荡器工作于低电平时长期稳定性很好，但是噪音和相位抖动很大。而它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。因

10、此，如果将这二者结合起来，就可兼顾这两方面。可采用图8-20所示的方案。 三、在稳频技术中的应用图8-20 振荡器的稳定与提纯 其中，两个晶振的频率都是 fo ，中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，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产生一系列频率准确的信号设备叫做频率合成器。 1）基本思路 利用综合或合成的手段。综合晶体振荡器频率稳定度、准确度高和可变频率振荡器改换频率方便的优点，克服了晶振点频工作和可变频率振荡器频率稳定度、准确度不高的缺点，而形成了

11、频率合成技术。2频率合成器2）在工程应用中，对频率合成器的要求 (1)频率范围视用途而定 就其频段而言有短波、超短波、微波等频段。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，频率合成器能正常工作且满足质量指标。 (2)频率间隔 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隔。 对短波单边带通信，现在多取频率间隔为100Hz，有的甚至为10Hz、1Hz；对短波通信，频率间隔多取为50kHz或10kHz。 利用锁相环可以构成频率合成器，其原理框图如图8-21所示：锁相环的用处很多，利用频率跟踪特性，还可用以实现锁相倍频器或分频器等。3）锁相环构成频率合成器原理

12、图8-21 频率合成器原理框图 输入信号频率fi ，经固定分频（M 分频）后得到基准频率f1 ，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（N 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PLL锁定后得到 当N 变化时，输出信号频率响应跟随输入信号变化。 MC145146为Motorola公司生产的单片大规模集成电路，它内含参考频率分频器、两组可变分频器（A、N）、鉴相器和锁存控制电路等。图8-23(a)是MC145146引出端功能图, 图8-23(b)是采用MC145146等组成的UHF频率合成器。由于它内含参考频率振荡器电路，只需外接石英晶体和微调电容即可得到参考频率，参考频率经固定分频后便可得到鉴相的基准信号。4）采用MC145146的直接式频率合成图8-23(a) MC145146引出端功能图图8-23(b) 采用MC145146的直接式频率合成 由于MC145146的输入最高频率只能达到14MHz左右，必须配用高速前置分频器将频率降低。MC1451