基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計(jì)

　　隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的頻率源已經(jīng)成為通信、雷達(dá)、儀器儀表、高速計(jì)算機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)的主要組成部分。高性能的頻率源可通過頻率合成技術(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)頻率合成器的原理

　　1.1 鎖相環(huán)原理

　　鎖相環(huán)(PLL)是構(gòu)成頻率合成器的核心部件。主要由相位比較器(PD)、壓控振蕩器(VCO)、環(huán)路濾波器(LP)和參考頻率源組成。

　　鎖相環(huán)是一種利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號反饋控制電路。他的被控制量是相位，被控對象是壓控振蕩器。如圖1所示，如果鎖相環(huán)路中壓控振蕩器的輸出信號頻率發(fā)生變化，則輸入到相位比較器的信號相位θv(t)和θR(t)必然會不同，使相位比較器輸出一個(gè)與相位誤差成比例的誤差電壓Vd(t)，經(jīng)環(huán)路濾波器輸出一個(gè)緩慢變化的直流電壓Vc(t)，來控制壓控振蕩器輸出信號的相位，使輸入和輸出相位差減小，直到兩信號之間的相位差等于常數(shù)。此時(shí)，壓控振蕩器的輸出信號頻率和輸入信號頻率相等，且環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。

　　1.2 鎖相環(huán)頻率合成器原理

　　如圖2所示，鎖相環(huán)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。參考分頻器對參考頻率源進(jìn)行分頻，輸出信號作為相位比較器參考信號。

　　可變分頻器對壓控振蕩器的輸出信號進(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=fo/N，所以有fo=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。

　　2 基于CD4046的鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計(jì)

　　2.1 集成鎖相環(huán)CD4046介紹

　　單片集成鎖相環(huán)CD4046采用CMOS電路工藝，特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(3～18 V)，輸入阻抗高(約100 MΩ)，動態(tài)功耗小。在電源電壓VDD=15 V時(shí)最高頻率可達(dá)1.2 MHz，常用在中、低頻段。CD4046內(nèi)部集成了相位比較器Ⅰ、相位比較器Ⅱ、壓控振蕩器以及線性放大器、源跟隨器、整形電路等。

　　相位比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，使用時(shí)要求輸入信號占空比為50%。當(dāng)兩路輸入信號的高低電平相異時(shí)，輸出信號為高電平，反之，輸出信號為低電平。相位比較器Ⅰ的捕捉能力和濾波器有關(guān)，選擇合適的濾波器可以得到較寬的捕捉范圍。

　　相位比較器Ⅱ由一個(gè)信號的上升沿控制，他對輸入信號的占空比要求不高，允許輸入非對稱波形，具有很寬的捕捉范圍。相位比較器Ⅱ的輸出和兩路輸入信號的頻率高低有關(guān)，當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時(shí)，輸出為邏輯"0"，反之則輸出邏輯"1"。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時(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。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)。

　　壓控振蕩器需要外接電阻R1，R2和電容C1。R1，C1是充放電元件，電阻R2起到頻率補(bǔ)償作用。VCO的振蕩頻率不僅和R1，R2以及C1的取值有關(guān)，還和電源電壓有關(guān)，電源電壓越高振蕩頻率越高。

　　CD4046引腳和外圍電路圖如圖3所示。

　　2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　本設(shè)計(jì)中參考頻率源選用COMS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生2 MHz的矩形脈沖信號，電路如圖4所示。

　　可變分頻器由集成四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161來完成。這里采用4片74LS161通過預(yù)置數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)可變分頻。為提高工作速度可采用圖5所示接法。利用同步方案最高可實(shí)現(xiàn)65 536分頻。預(yù)制值=65 536-N。經(jīng)過可變分頻后獲得的信號是窄脈沖信號，在輸出端可利用74LS74對該信號進(jìn)行二分頻，以便獲得方波信號，從而滿足相位比較器I的占空比的要求。此時(shí)實(shí)際分頻系數(shù)變?yōu)?N。

　　參考分頻器與可變分頻器采用同樣的電路，目的在于通過設(shè)置不同的分頻系數(shù)M，以實(shí)現(xiàn)不同的頻率間隔的需求。

　　本設(shè)計(jì)選取無源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器，其時(shí)間常數(shù)r=(R3+R4)C2。電路如圖6所示。

　　2.3 電路的調(diào)試

　　在調(diào)試的過程中需注意R1，R2，C1的選取，選取不同的R1，R2，C1并合理設(shè)置可變分頻系數(shù)N，就可獲得不同頻率范圍的輸出信號，同時(shí)根據(jù)所需情況注意選取合適的濾波器，設(shè)置不同的前置分頻系數(shù)即可改變頻率間隔。

　　3 結(jié) 語

　　該電路由于頻率范圍和頻率間隔可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，且輸出信號頻率具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，可廣泛作為離散信號源來使用，也可用于集成。此外，如用單片機(jī)對分頻器的置數(shù)端進(jìn)行控制，可更加方便地實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。