PLL基本原理 设计及应用.pdf

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1、第 1 页第 1 页 2006年电子技术竞赛讲座年电子技术竞赛讲座 锁相环锁相环( (PLLPLL) )基本原理基本原理、设计与应用设计与应用()()、 刘刘颖颖刘刘颖颖 第 2 页第 2 页 第一节 反馈控制电路简介第一节 反馈控制电路简介 第二节第二节 自动增益控制电路自动增益控制电路（AGCAGC）第二节第二节 自动增益控制电路自动增益控制电路（AGCAGC） 第三节 自动频率控制（AFC）电路第三节 自动频率控制（AFC）电路 第四节第四节 锁相环路锁相环路(PLL)(PLL)基本原理基本原理第四节第四节 锁相环路锁相环路(PLL)(PLL)基本原理基本原理 一、PLL概述一、PLL概

2、述 二二基本锁相环的构成基本锁相环的构成二二、基本锁相环的构成基本锁相环的构成 三、锁相环的基本原理 四 三、锁相环的基本原理 四、锁相环各组成部分分析锁相环各组成部分分析、 五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带 第六节锁相环路的应用 一、集成锁相环芯片一、集成锁相环芯片 二、二、方波发生器方波发生器 三、PLL在调制解调技术中的应用 四、PLL在空间技术上的应用 三、PLL在调制解调技术中的应用 四、PLL在空间技术上的应用 五五PLLPLL在稳频技术中的应用在稳频技术中的应用五五、PLLPLL在稳频技术中的应用在稳频技术中的应用 六、PLL在

3、频率合成器中的应用六、PLL在频率合成器中的应用 第 3 页第 3 页 第一节 锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介第一节 锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介 在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用 各种的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路， 也称为锁相环路（PLL-Phase Locked Loop），自动增益控 （AGC）电路以及自动频率控制（AFC）电路。 它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于 反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。 第 4 页第 4 页 第二节自动增益控制电路（AGC）

4、自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的 重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持 一定的数值所以也叫自动电平控制（ALC）电路定的数值。所以也叫自动电平控制（ALC）电路。 自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电 平变化时用改变增益的方法维持输出信号电平基本不平变化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不 变的一种反馈控制系统。 第 5 页第 5 页 AGC电路接收方框图如图2-1所示。 图图2-1 AGC电路的接收方框图电路的接收方框图 第 6 页第 6 页 工作原理工作原理 它的工作过程是输入信号 经放大变频再放

5、大工作原理工作原理: 它的工作过程是输入信号 经放大、变频、再放大 后，到中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生 控制电压反馈回到中频高频放大器对他们的增益进行控制电压 ，反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行 控制。所以这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产 个输变生一个随输入 信号而变化的直流控制电压 (叫AGC电压)；第 二，利用AGC电压去控制某些部件的增益, 使接收机的总增益 按照一定规律而变化。 第 7 页第 7 页 产生控制信号的简单的产生控制信号的简单的AGC电路如电路如图1-2所示。 图图2-2 简单的简单的AGC电路电路 第 8 页第 8 页 工作原理工

6、作原理图图2 2是简单是简单AGC电路电路 这是种常用的电路这是种常用的电路工作原理工作原理: 图图2-2是简单是简单AGC电路电路, 这是这是一一种常用的电路种常用的电路。 是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信 。 是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信 号外号外还有个平均分量还有个平均分量（直流直流）它的大小和中频输它的大小和中频输号外号外，还有还有一一个平均分量个平均分量（直流直流） ，它的大小和中频输它的大小和中频输 出载波幅度成正比，经滤波器 ，把检波后的音频分量滤出载波幅度成正比，经滤波器 ，把检波后的音频分量滤 掉掉使控制电压使控制电压 不受音频电压的影

7、响不受音频电压的影响然后把此电压然后把此电压掉掉，使控制电压使控制电压 不受音频电压的影响不受音频电压的影响，然后把此电压然后把此电压 （AGC控制电压）加到 的基极，对放大器进行增益控制。控制电压）加到 的基极，对放大器进行增益控制。 第 9 页第 9 页 Ui与增益K的关系曲线Ui与增益K的关系曲线 Ui与UO的关系曲线Ui与UO的关系曲线 加上AGC后，放 大器增益K随Ui的增加 而减小(曲线1)因而而减小(曲线1)，因而 输出电压UO 和输入电 压Ui不再是线性关系， 振幅特性UOUi不再 图图2-3 简单的简单的AGC特性特性 振幅特性UO Ui不再 是一条直线，而是如 图2-3 所

8、示的曲线2。 从曲线可知:当Ui 较小时，控制电压Up 也较小, 这时增益可K虽略有减小， 但变化不大，因此振幅曲线基本上仍是一段直线；当 足够大时，Up的控制作用 较强增益K显著减小这时U 基本保持不变振幅特性曲线2的bc段所示通较强，增益K显著减小。这时UO基本保持不变，振幅特性曲线2 的bc段所示。通 常把UO基本上保持不变这部分叫做AGC的可控范围。可控范围越大，AGC的特 性越好。 第 10 页第 10 页 第三节 自动频率控制（AFC）电路第三节 自动频率控制（AFC）电路 AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号 的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如， 在

9、调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作 用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在 超外差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动 控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频 得数值。 第 11 页第 11 页 自动频率控制自动频率控制(AFC)的原理框图的原理框图 图3 1 AFC的原理方框图图3-1 AFC的原理方框图 第 12 页第 12 页 工作原理: 图3-1是AFC的原理框图被稳定的振荡器频率f 与工作原理: 图3-1是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0与 标准频率fr 在频率比较器中进行比较。当f0= fr时，频率比较器 无输出控制

10、元件不受影响；当 f f 时频率比较器有误差无输出，控制元件不受影响；当 f0 fr时，频率比较器有误差 电压输出，该电压大小与| f0- fr| 成正比。此时，控制元件的参 数即受到控制而发生变化从而使 发生变化直到使频率误差数即受到控制而发生变化，从而使 发生变化，直到使频率误差 减小到某一定值f ，自动频率微调过程停止，被稳定的振荡 器就稳定在 f0 = f0f 的频率上器就稳定在 f0 = f0f 的频率上。 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的 基本原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平 衡时,必然有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度

11、频率同步(频差为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的 跟踪,必须采用自动相位控制电路,即锁相环(PLL: Prase Locked Loop) 第 13 页第 13 页 第四节第四节锁相环路锁相环路(PLL)(PLL)第四节第四节锁相环路锁相环路(PLL)(PLL) 一一PLL概述概述一一、PLL概述概述 锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出 信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号 的相位，以达到与参考信号同频的目的。 输出输出 参考参考 信号信号 输出输出 信号信号 鉴相器 环路 滤波器 压控 振荡器

12、 信号信号 滤波器 振荡器 图4-1 锁相环系统框图 第 14 页第 14 页 锁相接收机锁相接收机锁相接收机锁相接收机 微波锁相振荡源微波锁相振荡源 锁相环路应用锁相环路应用 锁相调频器锁相调频器 锁相鉴频器锁相鉴频器锁相鉴频器锁相鉴频器 定时提取（滤波）定时提取（滤波） 锁相频率合成器锁相频率合成器 在锁相频率合成器中在锁相频率合成器中锁相环路具有稳频作用锁相环路具有稳频作用能够完能够完 在锁相频率合成器中在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用锁相环路具有稳频作用，能够完能够完 成频率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、 倍频器、分频器等使用。 成频率的加、减、乘、除等运算，可

13、以作为频率的加减器、 倍频器、分频器等使用。 第 15 页第 15 页 二、基本锁相环的构成二、基本锁相环的构成 鉴相器(PD-Phase Detector) 基本的锁相环路组成环路滤波器(LF LFilt)基本的锁相环路组成环路滤波器(LF-Loop Filter) 压控振荡器(VOC: Voltage Controlled Oscillater) 参考信号参考信号环路 压控 输出信号输出信号 参考信号参考信号 鉴相器 环路 滤波器 压控 振荡器 输出信号输出信号 图4-2 基本锁相环框图 鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出

14、信号与压控振荡器输出信号 uo(t) 的相位的相位，它的输出电压它的输出电压ui(t)是对应于这两个信号相位差的函数是对应于这两个信号相位差的函数。 环路滤波器的作用是滤除环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环 路所要求的性能。 中的高频分量及噪声，以保证环 路所要求的性能。 压控振荡器受环路滤波器输出电压压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输 入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得 的控制，使振荡频率向输 入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相输出信号的相 uo(t) 的相位的相位，它的输出电压它的输出电压ui(t)是对

15、应于这两个信号相位差的函数是对应于这两个信号相位差的函数。 位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。 第 16 页第 16 页 鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控 振荡器输出信号 与压控 振荡器输出信号uo(t) 的相位，它的输出电压的相位，它的输出电压ui(t)是对应于是对应于 这两个信号相位差的函数这两个信号相位差的函数这两个信号相位差的函数这两个信号相位差的函数。 环路滤波器的作用是滤除环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声中的高频分量及噪声，

16、环路滤波器的作用是滤除环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声中的高频分量及噪声， 以保证环路所要求的性能。以保证环路所要求的性能。 压控振荡器受环路滤波器输出电压压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使 振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同， 的控制，使 振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同， 使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特 定的关系，达到相位锁定的目的。 使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特 定的关系，达到相位锁定的目的。 第 17 页第 17 页 三、锁相环的基本原理三、锁相环的基本原理 设输入信号 (t)和本

17、振信号(VCO输出信号）(t)分别是正设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正 弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一 个与两者间的相位差成比例的电压(t)般把(t)称为误差个与两者间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差 电压。 环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量然后把输出电环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电 压ud(t)加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电 压的变化而变化如果者频率不致则鉴相器的输出将产压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产 生低频变化分量并通过低通滤波器使VCO

18、的频率发生变化。只 要环路设计恰当则这种变化将使本振信号的频率致起来要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号的频率一致起来。 最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两 者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定 直流电压（高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个 者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定 直流电压（高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个 直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状 态”。 直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状 态”。 第 18 页第 18

19、页 四四、锁相环各组锁相环各组成成部分分析部分分析、成成 1鉴相器1鉴相器 鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介 其中常的波鉴相绍其中常用的“正弦波鉴相器”。 1）正弦波鉴相器的数学模型正弦波鉴相器的数学模型1）正弦波鉴相器的数学模型正弦波鉴相器的数学模型 任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的 鉴相器。设输入信号为: 鉴相器设输入信号为 )(sin)( 1 ttUtu iimi 压控振荡器的输出信号为: )()()(cos)( 2 ttUtu oomo 第 19 页第 19 页 在一般情况下， 不一定等于 ，所以为了便于比在般情况下，i不定等于o，所以为了便于比 较两者之

20、间的相位差，现都以ot 为参考相位。这样 ui(t) 的瞬时相位为: )()(ttttt ioioii )( )()( tt io ioioii )()(ttt ioii 其中: )(tt i oi 是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率 之差，称之为固有频差。 第 20 页第 20 页 按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为 )(sin)( 1 ttUtu iomi )(cos )(cos)( 02 ttU ttUtu omo 式中，经乘法器相乘后，其输出为 )(cos 02 ttU om )()(tt oo 式中，经乘法器相乘后，其输出为)()(tt oo )()(sin)()

21、(2sin 2 1 )()( 21 tttttUUAAtutu oioiommmmoi 2 高频成分 低频成分低频成分 第 21 页第 21 页 通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为 )()(sin 2 1 )( 21 ttUUAtu oimmmd )()( 2 )( 21oimmmd )(sin)(tKtu dd )()( dd 式中 mmmd UUAK 21 2 1 2 其中Am为乘法器的增益系数，量纲为1/V。 )()()(ttt oi 鉴相器的作用将两个输入信号的相位差转变为输出鉴相器的作用：将两个输入信号的相位差

22、(t) 转变为输出 电压ud(t)。 第 22 页第 22 页 由式由式可得出鉴相特性可得出鉴相特性，如如图图4-3所示所示。)(sin)(tKtu dd 由式由式可得出鉴相特性可得出鉴相特性，如如图图3所示所示。)()( dd 图4 3 正弦特性曲线 由于 ud(t) 随(t)作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器这种鉴相器 图4-3 正弦特性曲线 由于 ud(t) 随(t) 作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器这种鉴相器 称为正弦波鉴相器。称为正弦波鉴相器。 第 23 页第 23 页 2）鉴相器线性化的数学模型）鉴相器线性化的数学模型 30)()(tt o oi 时，当 )()()()(sint

23、ttt oioi )()()()(tKttKt 因此可以把式写成 )(sin)(tKtu dd )()()()(tKttKtu doidd 所以当(t)30时 鉴相器特性近似为直线u (t)与所以，当(t)30时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与 (t)成正比。 第 24 页第 24 页 在时域中鉴相器数学模型如图4 4所示在时域中鉴相器数学模型如图4-4所示 图4-4 鉴相器的线性数学化模型（时域） 第 25 页第 25 页 2 2环路滤波器环路滤波器（Loop FilterLoop Filter，简称简称LF)LF)2 2环路滤波器环路滤波器（LoopLoop FilterFilter，

24、简称简称LF)LF) 环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容 组成，有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁 相环路中，常用的滤波器有以下的三种，如图4-5所示。 图4-5 三种常用的环路滤波器 第 26 页第 26 页 环路滤波器的作用环路滤波器的作用是滤除 ud(t) 中的高频分量及噪声，以环路滤波器的作用环路滤波器的作用是滤除 ud(t) 中的高频分量及噪声，以 保证环路所要求的性能。 环路滤波器如果用的是图或所示的比例积环路滤波器如果用的是图4-5（b）或（c）所示的比例积 分器时，比例积分器把鉴相器输出的即使是非常微小的电压积 累起来，形成一个相当大的VCO控制电压，

25、并保持到o(t)=i(t) 时刻。只要改变环路滤波器的R1、R2、C 就能改变环路滤波器 的性能，也就方便的改变了锁相环的性能。 第 27 页第 27 页 3压控振荡器压控振荡器VOC 压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t) 的控制，使振 荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使 得VCO输出信号的相位和输入信号的的相位保持某种关系， 达到相位锁定的目的。 第 28 页第 28 页 压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制 元件。元件。压控元件一般都是变容二极管。由环路滤波器送来的控 制信号电压uc(t) 加在压控振荡器振

26、荡回路中的变容二极管变容二极管，当 c( ) uc(t) 变化时，引起变容二极管结电容的变化，从而使振荡器的 频率发生变化。因此压控振荡器实际上就是一种电压-频率变换实 器。它在锁相环路中起着电压-相位变化的作用。 压控振荡器的特性可用调频特性（即瞬时振荡频率(t)相压控振荡器的特性可用调频特性（即瞬时振荡频率o(t)相 对于输入控制电压uc(t) 的关系）来表示，如图4-6所示。 第 29 页第 29 页 在一定范围内，o(t)与uc(t) 是成线形关系的，可用下式表示， 即即 )()(tuKt coo 式中o：压控振荡器的中心频率 图4 6 压控振荡器 o K是一个常数,其量纲为1/sV或

27、Hz/V。它表示单位控制 电压所引起的振荡角频率变化的大小 图4-6 压控振荡器 电压所引起的振荡角频率变化的大小。 VCO的频率变化由环路滤波器的特性决定，截止频率越小， 环路滤波器输出的用于控制VCO的信号uc(t)变化越缓慢，这 样VCO输出的信号变化较缓慢；截止频率越高， uc(t)变化较 c 快，VCO输出的信号变换也较快。 第 30 页第 30 页 但在锁相环路中,我们需要的是它的相位变化需要的是它的相位变化,即把由控制 电压所引起的相位变化作为输出信号。由式o(t)可求出瞬时相 位为 dttuKtdttt t co t o 00 01 )()()( 所以由控制电压所引起的相位变化

28、，有 dttKttt t )()()( 由此可见压控振荡器在环路中起了一次理想积分作用，因 dttuKttt coo 0 01 )()()( 由此可见压控振荡器在环路中起了次理想积分作用，因 此压控振荡器是一个固有积分环节。 第 31 页第 31 页 五五环路的锁定环路的锁定捕获和跟踪捕获和跟踪同步带和捕捉带同步带和捕捉带五五、环路的锁定环路的锁定、捕获和跟踪捕获和跟踪，同步带和捕捉带同步带和捕捉带 1环路的锁定 当没有输入信号时，VCO以自由振荡频率o振荡。如果 环路有一个输入信号ui(t),开始时，输入频率总是不等于VCO 的自由振荡频率的，即io,如果i和o相差不大，在适当 范围内，鉴相

29、器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制 VCO的频率，使其输出频率变化到接近i，而且两信号的相 位误差为（常数）,这叫环路锁定。 第 32 页第 32 页 2环路的捕捉环路的捕捉2环路的捕捉环路的捕捉 从信号的加入到环路锁定以前叫环路的捕捉过程。 3.环路的跟踪环路的跟踪 环路锁定以后，如果输入相位i 有一变化，鉴相器鉴出i 与o之差，产生一正比于这个相位差的电压，并反应相位差的极 性，经过环路滤波器变换去控制VCO的频率，使o改变，减少 它与i 之差，直到保持i=o，相位差为 ，这一过程叫做环路 跟踪过程。 第 33 页第 33 页 4.环路的同步带和捕捉带4.环路的同步带和捕捉带 当输入

30、信号超过同步带范围，PLL将失锁。VCO 输出为自由振荡频率入锁后压控频率就等于输出为自由振荡频率 。一旦入锁后，压控频率就等于 基准频率，且PLL输出频率 随输入频率而变化，这就 称为跟踪称为跟踪。 第 34 页第 34 页 5 判断环路是否锁定的方法判断环路是否锁定的方法5.判断环路是否锁定的方法判断环路是否锁定的方法 1）在有双踪示波器的情况下）在有双踪示波器的情况下 开始fifo，环路处于失锁状态，加大输入信号频率fi，用双 踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当 两个信号由不同步变成同步，且 fi=fo 时，表示环路已

31、经进入 锁定状态。锁定状态。 2）单踪）单踪普通示波器普通示波器 在没有双踪示波器的情况下，在单踪示波器上可以用 李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。 第 35 页第 35 页 第五节第五节锁相环路的应用锁相环路的应用第五节第五节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各个领域是由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 2）良好的窄带滤波特性）良好的窄带滤波特性 3）良好的门限特性 第 36 页第 36 页 一、 集成锁相环芯片极其典型应用一、 集成锁相环芯片极其典型应用 集成

32、锁相环芯片类型较多，现介绍CC4046集成锁相环， CC4046为CMOS单片锁相环电路，工作频率为1MHz。 CC4046和J691其逻辑结构和引出端功能完全相同，仅电参 数略有差异。 第 37 页第 37 页 常用锁相环电路集成电路常用锁相环电路集成电路 EM92600/1EMC 专用型锁相环EM92600/1 EMC 专用型锁相环 HT9286A/B HOLTEK 通用型锁相环HT9286A/B HOLTEK 通用型锁相环 HT9287A/B HOLTEK 专用型锁相环 /专用型锁相环HT9288A/B HOLTEK 专用型锁相环 HYL21011S/J HYUNDAI 通用型锁相环HY

33、L21011S/J HYUNDAI 通用型锁相环 HYL21012S/J HYUNDAI 专用型锁相环 HYL21014S/J HYUNDAI 专用型锁相环 MC145162 MOTOROLA 通用型锁相环MC145162 MOTOROLA 通用型锁相环 MC145166 MOTOROLA 专用型锁相环 MC145167 MOTOROLA 专用型锁相环MC145167 MOTOROLA 专用型锁相环 KS8805B SAMSUNG 通用型锁相环KS8805B SAMSUNG 通用型锁相环 GM6532 LG 专用型锁相环 DMD5603 DAEWOO 专用型锁相环DMD5603 DAEWOO

34、专用型锁相环 DMD5602 DAEWOO 专用型锁相环 KA567 SAMSUNG 锁相环 KA567L SAMSUNG 锁相环 LM567 NSC 锁相环 DBL567 DAEWOO 锁相环锁 (资料来源：诚胜电子) 第 38 页第 38 页 CC4046逻辑图和引出端功能逻辑图和引出端功能 CC4046的逻辑图和引出端功能图如图5-1和图5-2所示CC4046的逻辑图和引出端功能图如图5-1和图5-2所示。 图5-1 CC4046引出端功能图 第 39 页第 39 页 图5-2 CC4046的逻辑图 图5-3 CC4066典型波形图 第 40 页第 40 页 图5-2是CD4046内部电

35、原理框图主要由相位比较图5-2是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较 、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、 整形电路等部分构成。比较器采用异或门结构，当两个 输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一 个为低电平），输出端信号U为高电平；反之，Ui、Uo 电平状态相同时（即两个均为高或均为低电平）U电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），U 输出为低电平。当Ui、Uo的相位差在0-180范围内 变化时，U的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变化时，U的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改 变。从比较器的输入和输出信号的波形（如图5-3所示） 可知，其输出信号

36、的频率等于输入信号频率的两倍，并且 与两个输入信号之间的中心频率保持90相移。从图中还 可知，fout不一定是对称波形。对相位比较器，它要求Ui、 U 的占空比均为50（即方波）这样才能使锁定范围Uo的占空比均为50（即方波），这样才能使锁定范围 为最大。 第 41 页第 41 页 引脚功能 1相位比较器输出端（PH03） 2相位比较器输出端（PH01）2相位比较器输出端（PH01） 3相位比较器、输入端（PH2）3相位比较器、输入端（PH2） 4压控振荡器输出端（VCOo） 5禁止端（INH） 压控振荡的外接电容端6压控振荡器的外接电容端（C1） 7压控振荡器的外接电容端（C1）7压控振荡器

37、的外接电容端（C1） 8地（VSS） 第 42 页第 42 页 引脚功能 9压控振荡器输入端（VCOI） 10解调信号输出端（DEMO）10解调信号输出端（DEMO） 11压控振荡器的外接电阻端（R1）11压控振荡器的外接电阻端（R1） 12压控振荡器的外接电阻端（R2） 13相位比较器输出端（PH02） 相位比较输端14相位比较器、输入端（PH1） 15内部提供稳压管负极端（Z）15内部提供稳压管负极端（Z） 16电源（VDD） 第 43 页第 43 页 相位比较器是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。 它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它它对输入信号占空比的要求不高，允许

38、输入非对称波形，它 具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。 它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当 达到锁定时，在相位比较器的两个输人信号之间保持0相 移。 对相位比较器而言，当14脚的输入信号比3脚的比较信 号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果号频率低时，输出为逻辑0 ；反之则输出逻辑1 。如果 两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比 较信号时，相位比较器输出的为正脉冲，当相位超前时则 输出为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉 冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器输出的正、负脉 冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间

39、的相位差而当两冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两 个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器的输出为 高阻态，则1脚输出高电平。上述波形如图5-3所示。由此可高阻态，则1脚输出高电平。上述波形如图5 3所示。由此可 见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个 输入信号的情况了。 第 44 页第 44 页 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R2。由于VCO是一个电流 控制振荡器对定时电容C1的充电电流

40、与从9脚输入的控制控制振荡器，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，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO 振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都 由同个电容C1完成故它的输出波形是对称方波般规由同一个电容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。2MHz(VDD=15V），若VDD15V，则 fmax要降低一些。fmax要降低些。 CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的 100V左右

41、的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相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，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。 第 45 页第 45 页 CC4046J691包含相位比较器压控振荡器两部分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，它们内部设有一个6.2V的齐纳稳压管。齐相环。此外，它们内部设有个6.2V的齐纳稳压管

42、。齐 纳管是在需要用的时候作为辅助电源。 CC4046的1脚是相位输出端，环路人锁时为高电平， 环路失锁时为低电平。2脚相位比较器的输出端。3脚环路失锁时为低电平。2脚相位比较器的输出端。3脚 比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端， 高电平时禁止低电平时允许压控振荡器工作67脚高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚 外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控 振荡器的控制端10脚解调输出端用于FM解调11振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、 12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。14 脚信号输入端15脚内部独立的齐纳稳压管负极脚信号输入

43、端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。 第 46 页第 46 页 综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号 Ui从14脚输综上所述，作原理如下：输入信号从脚输 入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的 输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信 号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压 U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到一控U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到控 制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率 f2，使f2迅速逼近信号频率

44、f1。VCO的输出又经除法器再进入相f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相 位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2f1，两者 的相位差为一定值实现了相位锁定若开关K拨至13脚则相的相位差为定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相 位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。下面介绍 CD4046典型应用电路CD4046典型应用电路。 第 47 页第 47 页 图5 4是用 二、 方波发生器 图5-4是用 CD4046的VCO组成 的方波发生器，当的方波发生器，当 其9脚输入端固定接 电源时，电路即起 基本方波振荡的基本方波振荡器的 作用。振荡器的充、 放电电

45、容C1接在6脚放电电容C1接在6脚 与7脚之间，调节电 阻R1阻值即可调整阻阻值即 振荡器振荡频率， 振荡方波信号从4脚 输出按图示数值输出。按图示数值， 振荡频率变化范围 在20Hz至2kHz 图5-4 CC4046产生方波发生器电路 在20Hz至2kHz。 第 48 页第 48 页 三三在调制解调技术中的应用在调制解调技术中的应用三三、在调制解调技术中的应用在调制解调技术中的应用 1锁相调频电路锁相调频电路1锁相调频电路锁相调频电路 图5-5 锁相调频电路原理框图 第 49 页第 49 页 图5-6所示为CC4046用于锁相调频的实际电路。晶振图5 6所示为CC4046用于锁相调频的实际电

46、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5 6 锁相调频的实际电路图5-6 锁相调频的实际电路 第 50 页第 50 页 2锁相鉴频电路2锁相鉴频电路 图5-7所示为CC4046用于锁相鉴频的实际电路。图所示为用锁频实路 图图5 7CC4046锁相环解调电路锁相环解调电路图图5-7 CC4046锁相环解调电路锁相环解调电路 第 51 页第 51 页 工作原理工作原理 利用锁相环法进行解调的系统模型下图所示。利用锁相环法进行解调

47、的系统模下图所示 图5-8 锁相解调电路原理框图 接收调频信号： dttmKttS FMcFM )(cos)( 第 52 页第 52 页 图5-9 FM信号波形图 第 53 页第 53 页 （1）、鉴相器：对两输入信号进行相位比较，其输出电压为 )()( )()(tKttKtu （2）、环路滤波器：平滑鉴相器输出电压及抑制鉴相器输出 电压中的噪声和高频分量 )()()()(tKttKtu eeeo 电压中的噪声和高频分量。 )()()(thtuts od 如果不用环路滤波器，称为一阶锁相环； 如果用一阶环路滤波器，称为二阶锁相环。 在此，只讨论一阶。此时有 )()(tuts od od 第 5

48、4 页第 54 页 （3）压控振荡器VCO（3）、压控振荡器VCO )() ( tsKt dv )() ( )( dttsKdttt dv ) 15( )( 1 )( dt td K ts v d VCO的输出相位跟随输入变化。当不用环路滤波器 时根据公式的输出相位就跟随 )()(tutsd 时，根据公式，的输出相位就跟随 着uo(t)变化。 )()(tuts od 第 55 页第 55 页 )( )(tt很小，当 1)(1 )(15 )()( td tS tt d e 为）中，带入公式（ 很小，当 )()( )( 1)(1 )( tKt t Kdt td K ts vv d )( 1 )( )()( tmK K ts tmKt FMcd FMc )25()( )()( tm K K FMc FMc v d )()( KK vv 隔掉直流，即可