鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制,能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán),簡(jiǎn)稱PLL.它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域.鎖相環(huán)主要由相位比較器(PC)、壓控振蕩器(VCO).低通濾波器三部分組成,如圖1所示.
壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端,其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定.施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo相比較,比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和Uo兩個(gè)信號(hào)的相位差,經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后,得到一個(gè)平均值電壓Ud.這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化,直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致.這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同,兩相位差保持恒定(即同步)稱作相位鎖定.
當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí),它還具有“捕捉”信號(hào)的能力,VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化,如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化,鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號(hào)頻率,并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上.鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活,如果輸入信號(hào)頻率f1不等于VCO輸出信號(hào)頻率f2,而要求兩者保持一定的關(guān)系,例如比例關(guān)系或差值關(guān)系,則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器,以滿足不同工作的需要. 過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成,現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán),CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路,其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(為3V-18V),輸入阻抗高(約100MΩ),動(dòng)態(tài)功耗小,在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW,屬微功耗器件.圖2是CD4046的引腳排列,采用 16 腳雙列直插式,各引腳功能如下:
1腳相位輸出端,環(huán)路人鎖時(shí)為高電平,環(huán)路失鎖時(shí)為低電平.2腳相位比較器Ⅰ的輸出端.3腳比較信號(hào)輸入端.4腳壓控振蕩器輸出端.5腳禁止端,高電平時(shí)禁止,低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作.6、7腳外接振蕩電容.8、16腳電源的負(fù)端和正端.9腳壓控振蕩器的控制端.10腳解調(diào)輸出端,用于FM解調(diào).11、12腳外接振蕩電阻.13腳相位比較器Ⅱ的輸出端.14腳信號(hào)輸入端.15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極.
圖3是CD4046內(nèi)部電原理框圖,主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器(VCO)、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成.比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu),當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)(即一個(gè)高電平,一個(gè)為低電平),輸出端信號(hào)UΨ為高電平;反之,Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)(即兩個(gè)均為高,或均為低電平),UΨ輸出為低電平.當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí),UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變,即占空比亦在改變.從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號(hào)的波形(如圖4所示)可知,其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍,并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90°相移.從圖中還可知,fout不一定是對(duì)稱波形.對(duì)相位比較器Ⅰ,它要求Ui、Uo的占空比均為50%(即方波),這樣才能使鎖定范圍為最大.
相位比較器Ⅱ是一個(gè)由信號(hào)的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò).它對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高,允許輸入非對(duì)稱波形,它具有很寬的捕捉頻率范圍,而且不會(huì)鎖定在輸入信號(hào)的諧波.它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)(相位脈沖)兩種輸出,當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí),在相位比較器Ⅱ的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0°相移.
對(duì)相位比較器Ⅱ而言,當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí),輸出為邏輯“0”;反之則輸出邏輯“1”.如果兩信號(hào)的頻率相同而相位不同,當(dāng)輸人信號(hào)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí),相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖,當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖.在這兩種情況下,從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生.從相位比較器Ⅱ輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差.而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí),相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態(tài),則1腳輸出高電平.上述波形如圖5所示.由此可見,從1腳輸出信號(hào)是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號(hào)的情況了.
CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器,必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件.當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2.由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器,對(duì)定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比,使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓.當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí),其輸出頻率最低;當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí),輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率.VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定.由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成,故它的輸出波形是對(duì)稱方波.一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz(VDD=15V),若VDD<15V,則fmax要降低一些.
CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路,可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號(hào)變成方波或脈沖信號(hào)送至兩相位比較器.源跟蹤器是增益為1的放大器,VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用.齊納二極管可單獨(dú)使用,其穩(wěn)壓值為5V,若與TTL電路匹配時(shí),可用作輔助電源.
綜上所述,CD4046工作原理如下:輸入信號(hào) Ui從14腳輸入后,經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端,圖3開關(guān)K撥至2腳,則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較,從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差.UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳,調(diào)整VCO的振蕩頻率f2,使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1.VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器Ⅰ,繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較,最后使得f2＝f1,兩者的相位差為一定值,實(shí)現(xiàn)了相位鎖定.若開關(guān)K撥至13腳,則相位比較器Ⅱ工作,過程與上述相同,不再贅述.下面介紹CD4046典型應(yīng)用電路.
圖6是用CD4046的VCO組成的方波發(fā)生器,當(dāng)其9腳輸入端固定接電源時(shí),電路即起基本方波振蕩器的作用.振蕩器的充、放電電容C1接在6腳與7腳之間,調(diào)節(jié)電阻R1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率,振蕩方波信號(hào)從4腳輸出.按圖示數(shù)值,振蕩頻率變化范圍在20Hz至2kHz.
圖7是CD4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)電路.如果由載頻為10kHz組成的調(diào)頻信號(hào),用400Hz音頻信號(hào)調(diào)制,假如調(diào)頻信號(hào)的總振幅小于400mV時(shí),用CD4046時(shí)則應(yīng)經(jīng)放大器放大后用交流耦合到鎖相環(huán)的14腳輸入端環(huán)路的相位比較器采用比較器Ⅰ,因?yàn)樾枰i相環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率f0等于調(diào)頻信號(hào)的載頻,這樣會(huì)引起壓控振蕩器輸出與輸入信號(hào)輸入間產(chǎn)生不同的相位差,從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入信號(hào)頻率變化相應(yīng)的電壓變化,這個(gè)電壓變化經(jīng)源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端10腳輸出解調(diào)信號(hào).當(dāng)VDD為10V,R1為10kΩ,C1為100pF時(shí),鎖相環(huán)路的捕捉范圍為±0.4kHz.解調(diào)器輸出幅度取決于源跟隨器外接電阻R3值的大小.
圖8用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路.剛開機(jī)時(shí),f2可能不等于f1,假定f2
