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123 第5章锁相环的原理和应用 本章内容简介 本章介绍锁相环电路的组成、基本工作原理。讨论锁相环(PLL)电路的各种实际应用和电路。 锁相环将压控振荡器输出的频率和相位 “锁定”到输入参考源的频率和相位上。这种电子伺服环路无需线圈或电感,即可进行选频调谐和滤波,这正是微型固态电路所希望的。 锁相环的应用 其应用包括:倍频、频率合成、FM解调器、和音频解码等。 1.锁相环的组成 图1是基本锁相环电路的框图。PLL是由相位比较器(有时称为相位检波器)、低通滤波器(LPF)和线性压控振荡器(VCO)三部分组成。 2.锁相环的原理 相位比较器将来自压控振荡的输出频率fo 并将其与外加参考频率fr作比较,产生一个与相位差对应的误差电压输出至低通滤波器。 误差电压经LPF滤波后馈入VCO 的控制输入端,这样就可使fo和fr之间的任何频率差减少相位差逐步恒定。这时,环路就称为被锁定了,即锁定状态。 如果VCO 的频率在开始时低于输入参考频率,相应比较器的输出偏正。此正输出电压经滤波后加至VCO,强制VCO 的频率增加,直至 VCO的频率和相应与输人参考信号的频率与相应精确相同为止。 如果VCO的频率增加到高于输入参考频率,则发生与上述相反的过程。相应比较器的输出减少,使VCO 的频率降低,以锁定到与输入参考相同的频率上。 低通滤波器将相位检波器的输出滤波后转换成平滑的直流控制电压,是锁相环电路的重要组成部分。由于滤波器有一定的时间常数,所以PLL的锁定不是瞬时的,因而VCO的输出频率锁定在参考电压fo的平均值上,而不是锁定到即时值。这一特性利于将带噪声的输入参考频率形成纯净的输出频率。 3.锁相环的应用3.1 频率倍乘 基本的PLL据图示于图1,输出信号频率锁定于输入频率的平均值,因此,输入频率与输出频率相同。而图2所示电路为又一种锁相环,其输出频率精确等于输入频率的十倍。因此,电路的作用又如频率倍乘器。 在图2的框图中,一个“计数器10”除十分频器插接在反馈环的VCO输出端和相应比较器的输入端之间。因此,相应比较器锁定在除十计数器的输出频率上,而不是 VCO的输出频率上。 这样,锁定条件就变为VCO的频率(fo)必须是输入参考信号频率(fr)的十倍,而电路的作用.就是倍频系数为10的频率倍乘器。电路也可以倍乘任何数,不只是乘以十,只要在PLL反馈环中插入具有相应分频比的计数器即可。 3.2 频率合成 PLL电路还可以用做精确的可编程频率合成器( 见图3) 相位比较器的参考输入频率fr是频率精确固定的1kHZ信号,此信号是由1MHZ晶体振荡器的输出被除1000计数器分频得到的。 象频率倍乘电路那样,在反馈环中有一个计数器插接在VCO的输出端和相位比较器的输人端之间。但此电路是外部可编程的,所以,它具有100X至 1000 X之间的任何整数分频比。 由于此电路具有这一特点,故能产生或合成在 100kHZ至 1MHZ之间的稳定、精确频率,步距为1kHZ。在图3中的VCO电路至少应具有10至1的频率延伸范围,以复盖所需的频段。此外,频率步距对应于1kHZ的外接输入频率。 3.3 CD4046 及其应用 4046 PLL锁相环电路: 一个小功率线性压控振荡器(VCO) 一个源极跟随器 一个齐纳二极管 二个相位比较器 4046 PLL锁相环电路组成框图如下: CD4046.pdf 3.3.1 VCO的应用 基本振荡器条件 VCOin = VDD :Fmax= 1 / R1( C1+32pf ) R1 ( 10k -- 1M ) VCOin = VSS: Fmin = 1 / R2( C1+32pf ) 键控移频 ( FSK ) 3.3.2 调频信号( FM )的解调 载频 = 10kHz 调制信号 = 400 Hz ( 音频 ) 解调输出 Pin10 解调 频率 – 电压转换 ( F – V ) 4. PLL锁相环电路分析 4.1 4046比较器I和II的特点 比较器I的特点是:两个输入信号的电平状态相异时( 一个是高电平,一个是低电平),输山信号V为高电平:反之为低电平。当两个输入信号的相位差在0—180 范围内变化时,V的脉冲宽度tp也随着改变,由于V的周期是t,占空比D(D=tp/t)出随着改变。V经低通滤波器后即可得到平均值电乐Vd。Vd与相位差成正比。 相位差=0 时 Vd=0; 相位差=45 时,Vd=Vdd/4 相位差=90 时,Vd=Vdd/2 相位差=180 时,Vd=Vdd 比较器II是—个由信号上升沿控制的网络,可接收任意占空比的输入信号。根据两信号频率的关系,有以下几种情况: (1)输入信号频率大于3脚的输入信号频率
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