基于鎖相環(huán)的頻率合成電路設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
鎖相環(huán)簡(jiǎn)稱(chēng)PLL，是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門(mén)技術(shù)，早期是為了解決接收機(jī)的同步接收問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的，后來(lái)應(yīng)用在電視機(jī)的掃描電路中。由于鎖相技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)到家用電器的各個(gè)領(lǐng)域。自從20世紀(jì)70年代起，隨著集成電路的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)集成的鎖相環(huán)器件、通用和專(zhuān)用集成單片鎖相環(huán)，使鎖相環(huán)逐漸變成一個(gè)低成本、使用簡(jiǎn)便的多功能器件。如今，PLL技術(shù)主要應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、彩電色幅載波提取、雷達(dá)、FM立體聲解碼等各個(gè)領(lǐng)域。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了各種數(shù)字PLL器件，它們?cè)跀?shù)字通信中的載波同步、位同步、相干解調(diào)等方面起著重要的作用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛快發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的頻率源已經(jīng)成為科研生產(chǎn)的重要組成部分。高性能的頻率源可通過(guò)頻率合成技術(shù)獲得。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，鎖相式頻率合成技術(shù)占有越來(lái)越重要的地位。由一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度的參考頻率源通過(guò)數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)可獲得高品質(zhì)的離散頻率源。
1 鎖相環(huán)及頻率合成器的原理
1．1 鎖相環(huán)原理
PLL是一種反饋控制電路，其特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因PLL可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以PLL通常用于閉環(huán)跟蹤電路。PLL在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是PLL名稱(chēng)的由來(lái)。PLL通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，PLL組成的原理框圖如圖1所示。
PLL中的鑒相器又稱(chēng)為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖2所示。
鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為：
式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱(chēng)為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：
用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC(t)。即uC(t)為：
式中的ωi為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，θ i(t)和θ 0(t)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為：
即：
則瞬時(shí)相位差θd為：
對(duì)兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為
上式等于零，說(shuō)明PLL進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc(t)為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說(shuō)明PLL的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，uc(t)隨時(shí)間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖3所示，
該特性說(shuō)明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號(hào)電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達(dá)式為
上式說(shuō)明，當(dāng)uc(t)隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時(shí)間而變，Pll進(jìn)入頻率牽引，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使PLL進(jìn)入鎖定狀態(tài)，并保持ω0=ω。
1．2 頻率合成器原理
如圖4所示，PLL頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對(duì)參考頻率源進(jìn)行分頻，輸出信號(hào)作為相位比較器參考信號(hào)?？勺兎诸l器對(duì)壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時(shí)，有f1=f2，因?yàn)閒1=fr／M，f2=f0/N，所以有f0=Nfr/M。只要改變可變分頻器的分頻系數(shù)N，就可以輸出不同頻率的信號(hào)。
2 集成鎖相環(huán)CD4046電路介紹
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~8V)，輸入阻抗高(約100M Ω)，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。在電源電壓VDD=15V時(shí)最高頻率可達(dá)1．2MHz，常用在中、低頻段。CD4046內(nèi)部集成了相位比較器1、相位比較器2、壓控振蕩器以及線(xiàn)性放大器、源跟隨器、整形電路等。各引腳功能如下：
1腳是相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳是相位比較器I的輸出端。3腳是比較信號(hào)輸入端。4腳是壓控振蕩器輸出端。5腳是禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。6、7腳是外接振蕩電容端。8、16腳是電源的負(fù)端和正端。9腳是壓控振蕩器的控制端。10腳是解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳是外接振蕩電阻。13腳是相位比較器2的輸出端。14腳是信號(hào)輸入端。15腳是內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。圖5是CD4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖6是外圍電路連線(xiàn)圖。
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評(píng)論