检测系统电子电路基础 课件【ch04】锁相环电路

检测系统电子电路基础锁相环电路第四章新工科建设电子信息类精品教材01锁相环简介锁相环电路04所谓锁相,就是实现相位同步。能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫作锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)锁相环主要包括3部分相位比较器(PD亦称鉴相器)低通滤波器(LPF)压控振荡器(VCO)(见图4-1)。锁相环简介锁相环电路04使用锁相环时一般要在负反馈线路中插入一个运算器。若分别加除法器(-N)乘法器(XN)加法器(+N)减法器(-N)，则锁相环的输出频率依次为M、NN+N图43所示为在负反馈中插入运算器。锁相环简介02集成锁相环的工作原理锁相环电路04集成锁相环的工作原理CD4046采用DIP-16封装CD446引脚排列图如图4-4所示。各引脚的功能如下。PH为输入信号端，PH，为比较信号输入端。PH是相位比较器I的输出端，PH是相位比较器的输出端。PHo;为相位输出端，当环路入锁时呈高电平，环路失锁时为低电平，此端通过晶体管后驱动发光二极管，可构成入锁状态指示电路，入锁时灯亮。VCO、VCO。分别为压控振荡器的控制端、输出端。INH为禁止端，接高电平时禁止压控振荡器工作。DEMo是解调输出端，用于FM解调。Z为内部独立的齐纳稳压管的负端，其稳定电压VZ5V，在与TTL匹配时可作为辅助电源锁相环电路04锁相环简介CD4046的逻辑框图如图4-5所示。其主要包括相位比较器I和相位比较器I、压控振荡器VCO、线性放大及整形电路A，另需外接阻容元器件构成低通滤波器。现对基本工作过程进行简单介绍。输入信号7从引脚14输入后，经过A进行放大和整形，加至相位比较器1和相位比较器II的输入端。图4-5中将开关S拨到2端相位比较器将从引脚3输入的比较信号与输入信号7进行相位比较，由引脚2输出的误差电压V即反映出二者的相位差。V经过由RR、C组成的低通滤波器滤除高频之后，就获得控制电压7，将其加至VCO的输入端来调整其振荡频率，使力迅速通近于N。锁相环电路04锁相环简介CD4046有两个相位比较器，相位比较器1采用异或门结构。其特点是当两个输入端信号7”的电平相异时(一个为高电平，另一个为低电平)，输出端信号V为高电平，反之为低电平。因此当V与网的相位差A0在0~180范围内变化时，的脉冲宽度m和占空比D也在改变经低通滤波器得到的平均值电压随之而变与的变化关系如图46所示。由图可见Ao一V一V，与成正比。这就是相位比较器的工作原理。由第33.2节可知相位比较器I要求和的占空比必须是50%(方波)，这样才能使锁定范围最大锁相环电路04压控振荡器是电压控制型振荡器的简称。压控振荡器的简化电路如图4-8示。控制电压7通过控制恒流源电流1值的大小，来改变VCO的振荡频率。N和N为N沟道场效应管，其开启电压Vin~+2V。P与P是P沟道场效应管，其开启电压Vm-3V门集成锁相环的工作原理锁相环电路04为简化外围电路，CD4046采用了一种特殊方法，即牺性第一级反相器的方法，使后面4级反相器偏置在放大区，CD4046中的线性放大和整形电路如图4-12所示。具体方法是把第一级反相器F的输入端与输出端短接，强迫V-V-VD2又因即F的静态输入电压7，从而把第二级反相器F偏置在放大区工作。利用FF多级放大还能起到削波整形的作用。该放大器可将从PH端输入的100mV弱信号放大整形成脉冲信号，送至相位比较器。集成锁相环的工作原理03CD4046的典型应用锁相环电路04单独使用锁相环中的压控振荡器，可构成V/f转换器。频率连续可调的音频振荡器电路如图4-13所示将引脚12悬空使R--0取R=100k2C=100pF,Vpp-10V时20kHz改变电位器RP的滑臂位置，使VCO的控制电压从0V连续升到VDD从引脚4可得到0Hz~20kHz的输出信号将VMOS管V20AT作为功率输出级，监听扬声器BL与RP组成涌极负载RP,兼作音量调节。将RP的频率刻度盘用标准频率计校准后，即可作为音频信号发生器使用。该电路若去掉RP，改用传感元器件(如热敏元件、力敏元件、气敏元件)和电压比较放大器构成输入级，则为多用途越限报警器。CD4046的典型应用锁相环电路04由图4-5可见，控制电压除接VCO之外，还经过源跟随器A,从引脚10(DEM)上获得与输入频率成正比的平均值电压。由此可构成V转换器。A的作用是提高带负载能力，推动灵敏表头。模拟式频率计电路如图4-14所示，它用表针指示被测频率的高低。R由.7k2固定电阳与51k2电位器串联而成。R、R和C构成低通波器。R与表头M联后作为源跟随器的负载，R还用于调节表头的满度电流。表头上并有100F的大电容，用以消除低频时表针的抖动现象。该频率计测量频率范围为20Hz~1kHz。在用标准信号发生器和标准频率计进行校准时，需调整51k2电位器。利用XFD-6型低频信号发生器依次输出20H100Hz1kHz的频率信号CD4046的典型应用锁相环电路04国外设计的一种金属探测仪电路如图4-15所。VT与CC探头L一起组成振荡器振荡频率约为300kHz。探头采用440mm的线圈(亦可用磁线圈代)。当探头接近埋在地下的金属物体时，金属物体相当于短路环，使L的电感量减小，振荡频率随之升高，表针偏转角度改变。表头宜采用零位指示器，零点位于刻度盘中央。该电路仍用于V转换器，因使用相位比较器I[，故可接受任意占空比的波形。较放大器构成输入级，则为多用途越限报警器。CD4046的典型应用锁相环电路04CD4046的典型应用利用锁相环可以精确地控制直流电动机的转速，使之在最佳转速值上长期稳定地工作。电动机自动稳速电路框图如图4-16所示。M表示直流电动机。由磁电(或光电)式传感器发出的转速信号经过放大后，作为输入频率信号接相位比较器I的引脚14由品振分频电路获得的基准频率信号允作为比较信号，接引脚3。经过相位比较、滤波和功率放大后得到电压E，作为直流电04频率合成器锁相环电路04锁相环简介这就是倍频原理。若分频系数N从1连续变化到999，则利用一个石英晶体就可得到999个不同的h输出。如果不用锁相环而按常规设计，那么所需要的石英晶体数量将十分庞大。锁相环电路04一种实用的频率合成电路如图4-18所示。可采用一个100kHz的石英谐振器，它与CD4069中的3个反相器组成晶振和放大、整形电路。经过一片CD4518完成100分频，产生1kHz的基准频率输入CD4