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锁相环

锁相环（PLL）讲义

1、相环的分类

锁相环可分为模拟锁相环和数字锁相环。

本篇主要介绍3种锁相环器件：

模拟：

低频LM567（NE567）、高频NE564

数字：

CD4046

此外，由于模拟锁相环与数字锁相环在原理上的区别不是很大，因此我们以数字锁相环为主来论述锁相环的基本原理。

2、锁相环的基本原理

   锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。

它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图2.1所示。

图2.1锁相环的基本原理

压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。

施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。

这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。

这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。

当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。

锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。

鉴相器是相位比较装置，它比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位，输出反映了输入参考信号与VCO输出信号之间的相位差信息。

模拟锁相环输出两信号相位差的误差电压，数字鉴相器输出两信号相位差的脉冲信号。

环路滤波器是一个低通滤波器，它滤除相差信号中的高频成分和噪声后，得到压控电压，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。

压控电压去控制压控振荡器VCO，压控振荡器是一个电压－频率转换器。

压控电压使VCO输出频率向输入信号频率靠拢，直至频差消失，相位锁定。

凡环路中部分电路采用数字电路者（如数字鉴相器、分频器等），就称为部分数字环。

全数字环中，环路要处理的是数字信号，采用数字滤波的方法。

数字锁相环可分为数字逻辑电路式的锁相环和数字信号处理式的锁相环。

一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，区别是数字锁相环全部采用数字电路。

具体来说数字锁相环由：

数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。

一般的数字鉴相器多采用异或逻辑及其变形。

数字环路滤波器一般采用可变计数器。

NCO一般使用DDS来产生。

分频器则采用数字逻辑或计数器来完成。

3、锁相环的应用

3.1CD4046的应用

过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

图2是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各引脚功能如下：

1脚相位输出端，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Ⅰ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。

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、12脚外接振荡电阻。

13脚相位比较器Ⅱ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。

YABXC

   图3.3是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、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Ⅰ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UΨ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），UΨ输出为低电平。

当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。

从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图3.4所示）可知，其输出信号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Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。

图3.3CD4046原理图

   相位比较器Ⅱ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Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。

   对相位比较器Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ输出的正、负脉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Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出高电平。

上述波形如图3.5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。

图3.5

   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VDD<15V，则fmax要降低一些。

   CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的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，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

    综上所述，CD4046工作原理如下：

输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3.3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ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UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压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f1。

VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述。

   下面介绍CD4046典型应用电路。

   图3.6是用CD4046的VCO组成的方波发生器，当其9脚输入端固定接电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。

振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻R1阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从4脚输出。

按图示数值，振荡频率变化范围在20Hz至2kHz。

图3.6

   图3.7是CD4046锁相环用于调频信号的解调电路。

如果由载频为10kHz组成的调频信号，用400Hz音频信号调制，假如调频信号的总振幅小于400mV时，用CD4046时则应经放大器放大后用交流耦合到锁相环的14脚输入端环路的相位比较器采用比较器Ⅰ，因为需要锁相环系统中的中心频率f0等于调频信号的载频，这样会引起压控振荡器输出与输入信号输入间产生不同的相位差，从而在压控振荡器输入端产生与输入信号频率变化相应的电压变化，这个电压变化经源跟随器隔离后在压控振荡器的解调输出端10脚输出解调信号。

当VDD为10V，R1为10kΩ，C1为100pF时，锁相环路的捕捉范围为±0.4kHz。

解调器输出幅度取决于源跟随器外接电阻R3值的大小。

图7

图3.8用CD4046与BCD加法计数器CD4518构成的100倍频电路。

刚开机时，f2可能不等于f1，假定f2

UΨ经滤波后得到的Ud信号开始下降，这就迫使VCO对f2进行微调，最后达到f2/N=f1，并且f2与f1的相位差Δφ=0°。

，进入锁定状态。

如果此后f1又发生变化，锁相环能再次捕获f1，使f2与f1相位锁定。

图3.8

3.2NE567的应用

567为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。

用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。

用途：

主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。

特点：

用外接电阻20比1频率范围

逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力。

可调带宽从0%至14%

宽信号输出与噪声的高抑制

对假信号抗干扰

高稳定的中心频率

中心频率调节从0.01Hz到500kHz     

电源电压5V--15V，推荐使用8V。

应用举例：

（1）基本应用电路：

输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为1uF。

R1、C1决定振荡频率，一般C1为104电容，R1为10K--200K。

电源电压为8V。

（2）遥控电路：

可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。

这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。

单通道红外遥控发射电路如图1所示。

在发射电路中使用了一片高速CMOS型四重二输入“与非”门74HC00。

其中“与非”门3、4组成载波振荡器，振荡频率f0调在38kHz左右；“与非”门1、2组成低频振荡器，振荡频率f1不必精确调整。

f1对f0进行调制，所以从“与非”门4输出的波形是断续的载波，这也是经红外发光二极管传送的波形。

几个关键点的波形如图2所示，图中B′波形是A点不加调制波形而直接接高电平时B点输出的波形。

由图2可以看出，当A点波形为高电平时，红外发光二极管发射载波；当A点波形为低电平时，红外发光二极管不发射载波。

这一停一发的频率就是低频振荡器频率f1。

在红外发射电路中为什么不采用价格低廉的低速CMOS四重二输入“与非”门CD4011，而采用价格较高的74HC00呢？

主要是由于电源电压的限制。

红外发射器的外壳有多种多样，但电源一般都设计成3V，使用两节5号或7号电池作电源。

虽然CD4011的标称工作电压为3～18V，但却是对处理数字信号而言的。

因为这里CMOS“与非”门是用作振荡产生方波信号的，即模拟应用，所以它的工作电压至少要4.5V才行，否则不易起振，影响使用。

而74HC系列的CMOS数字集成电路最低工作电压为2V，所以使用3V电源便“得心应手”了。

74HC00的引脚功能如图3所示。

图4为红外接收解调控制电路。

图中，IC1是LM567。

LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。

其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。

其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。

②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：

电容值越大，环路带宽越窄。

①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。

③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。

⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。

LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。

LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：

当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。

在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。

弄清了LM567的基本工作原理和功能后，再来分析图4电路便非常简单了。

IC1是红外接收头，它接收发射器发出的红外信号，其中心频率与发射器载波频率f0相同，经IC1解调后，在输出端OUT输出频率为f1的方波信号，也就是与图1中A点波形相同的信号。

我们将LM567的中心频率调到与发射器中“与非”门1、2振荡频率相同，即使f2=f1。

则当发射器发射信号时，LM567便开始工作，⑧脚由高电平变为低电平，利用这个变化的电平便可去控制各种对象。

利用图4的电路，我们可以做成遥控开关，遥控家里的各种家用电器。

　　实际上，利用图1和图4所示的电路，我们也可以较容易地将其改造成多路遥控电路。

方法是：

在发射器（图1）中将电阻R＊变成若干挡不同的数值，由此形成若干种频率不同的调制信号；在接收电路中，设置若干只LM567，其输入均来自红外接收头，各个LM567的振荡频率不同但与发射端一一对应。

这样当发射器按压不同的按钮，接入不同的调制信号时，在接收端对应的LM567的⑧脚的电平就会发生变化，由此形成多路控制。

严格说来，这属于一种频分多路，与数字编译码多路控制相比，缺点是调试比较复杂。

但在有些场合，如在多路报警中，也有其一席之地。

因在报警应用场合中，需要解决两路以上同时报警的问题时，用时分多路存在复杂的同步问题，在频宽允许的情况下用频分多路则很容易解决。

（3）频率译码电路：

早期的指令或话音编解码电路里是靠分立元件来完成的，频率编解码电路、脉冲编解码包括脉冲宽度编解码电路一般被认为是它的典型表现形式，熟悉和掌握这几种基本电路的原理和工作方式有助于我们在以后接触到较高级的电路形式时的理解。

   除分立元件构成的频率编解码电路，近些年时基集成电路555、COMS锁相环CD4046及LM567也被大量所采用。

下图为LM567及外围电路构成的频率译码电路

（4）红外线自动控制电路

 红外线自动控制电路，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强，可在强光下工作，广泛应用于家庭，医院，车站，餐馆等。

电路的工作原理是：

将LM567第5脚上幅值约为4V的标准矩形波，通过R1引至三极管VT1的基极，使接在VT1发射极的红外线发射管导通并向周围空间发出调制红外光。

当有物体接近时，接近的手或盛器就将红外光反射回一部分，被红外接收管接收并转换为相应的交变电压信号，经C1耦合至运放放大后在经C2输入到LM567的第3脚，经识别译码后，使第8脚输出低电平，又经反向后，驱动VT2导通使继电器吸合，使外驱动用电器工作，当物体离开后电路又恢复等待状态。

（5）超声波测距系统的电路设计

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。

IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。

调节R8在发射的载频上，则LM567

输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机进行处理。

5.3NE564的应用

　　单片集成锁相环NE564是工作频率可到50MHz的超高频通用集成锁相环路。

除了锁相环路的基本部件鉴相器、压控振荡器、放大器和低通滤波器之外，电路中还有一个输入信号限幅器、一个直流恢复器和一个施密特触发器。

它只需外界环路滤波器及定时电容等少数元器件即可构成一个效果很好的限幅鉴频器。

NE564的内部组成框图

如上图示：

LIMITER为限幅器，可抑制FM调频信号的寄生调幅；

PHASECOMPARATOR为相位比较器（鉴相器），内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；

4、5脚一般外接电容组成低通滤波器，用来滤掉比较器输出的直流误差电压中的纹波；

2脚用来外接输入电流源，通过改变输入电流可改变环路增益；

VCO为压控振荡器，内部已经接有固定电阻（R=100欧），只要在外面12，13脚直间外接定时电容即可产生振荡。

DCRETRIEVER为增益跨导放大器，SCHMITTTRIGGER为施密特触发器，它们二者构成了后置鉴相器，其中放大器提供解调FSK信号时的补偿直流电平或者用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器；施密特触发器的回差电压可通过脚15外接直流电压进行调整，以消除输出信号的相位抖动。

NE564的主要应用电路设计如下:

（1）参考测试电路：

（2）FM解调：

（3）FSK信号解调

NE564适用于高速FSK移频键控信号的调制与解调，波特率可达到1Mb/s。

NE564组成的解调电路如下：

图FSK解调电路（中心频率为10.8MHz）

读者可以试着分析该电路的原理，解调后的方波从16脚输出，1.2K的上拉电阻有利于改善输出波形。

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