单片集成锁相环1.docx

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单片集成锁相环1

单片集成鉴相器

鉴相器是锁相环路三个最基本的部件之一，用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时相位，产生一个相应于两信号相位差的误差电压输出，在锁相环路中它完成相位差——电压的变换作用。

在各种不同用途的锁相环路中，

对鉴相器提出了许多要求，其中主要的有，

（1）鉴相特性形状，

（2）鉴相特性斜率或鉴相器灵放度；

（3）最高工作频率；

（4）对输入信号的泄漏；

（5）鉴相器的门限；

（6）鉴频能力等等。

签相器的具体线路很多，按电路来区分，鉴相器主要有下面四类：

（1）分立元件鉴相器：

包括二极管鉴相器、三极管鉴相器和，取样保持鉴相器等。

（2）相乘型鉴相器：

包括双平衡差分模拟相乘器和电流比串（线性化）模扭相乘器等。

（3）门鉴相器：

包括或门、异或门、与非门、或非门和异或非门等。

（4）数字式鉴相器；包括触发器型鉴相器和电压型、电流型数字式签频鉴相器等。

由于上述

（2）一〔4）的鉴相器特别宜于集成化，在集成锁相环路中普遍采用。

模拟相乘器的工作原理

有许多技术可以完成相乘功能。

由于种种原因，一些电路不适宜在集成锁相环路中应用。

现代模拟单片集成锁相环路中的鉴相器等电路中多采用最便于集成的可变互导型双平衡模拟相乘器和线性化可变互导型双平衡模拟相乘器。

一、平衡模拟相乘器

二、双平衡模拟相乘器

三、改进的双平衡模拟相乘器

双平衡模拟相乘器，对输入信号的线性动态范围小，只行当ux（t）、uy（t）都是小信号时，输出信号才是两输入信号的线性乘积，但此时输出信号的大小又变得和温度有关。

为了扩大这种电路的线性动态范围，以便获得较完善的线性相乘功能，同时进一步克服温度对相乘器输出的影响。

一种改进电路如图所示。

在该电路中把单恒流源变成双恒流源，效在两恒流源之间接上一反馈电阻RY。

改进后的双平衡模拟相乘器，尽管扩大了对输入信号uy（t）的线性动态范围，但对输入信号ux（t）的线性动态范围仍然较小。

它不仅与双曲正切函数成比例，而且它还与温度T有关。

因此，还需要作进一步改进，

四、线性化双平衡模拟相乘器

五、集成了运算放大器的四象限模拟乘法器XR—2208／XR2208M

XR—2208／XR2208M的方框图与实际电路如图3—38（a）、（b）所示，它包括一个电流比率模拟相乘器，一个高频缓冲级放大器和一个运算放大器。

为了最大眼度地发挥电路的通用性，乘法器和运算放大器在内部不连接，而可以在外部用很少的元件连接起来。

⑤端为X通道输入端，⑥、⑦端接Rx;②端为Y通道输入端，⑧、⑨瑞接Ry;④端为公共端，一般作参考或地端；①、②端为相乘器差分输出;13、14端为运放输入瑞；11端为运放输出端；15端为高频缓冲放大器输出，经过此缓冲放大器可将小信号3dB带宽扩展到8MHz，互导带宽扩展至100MHz。

根据本电路的特定设计，负载电阻在电路中已做好。

所以①、②端差分输出电压可写成

式中电压的单位均为v，电阻的单位均为k。

XR—2208可在很宽的电压范围内工作，土4．5V一土16V，电流与电压值在内部可调，以便提供良好的电压源和温度稳定性。

xXR—2208可在0℃~十75℃温度范围内正常工作;xR—2208M，则

在温度范围—55℃~125℃内正常工作。

XR—2208／XR—2208M，可完成多种交直流应用。

图是XR2208／XR2208M用作鉴相器的电路

参考信号从⑤端输入，待鉴相的信号从③端输入，直流误差信号从①、②端差分输出。

当输入信号U2＞50mV（有效值）时，鉴相灵敏度kd=2V／rad。

接在①、②两端到地的电容Cl与相乘器内的负载电R1（R1＝9k）可构成环路滤波器。

①、②端的输出电压可用运算放大器进一步放大，以提高鉴相器的增益。

模拟相乘器的数学运算

数字式鉴频鉴相器

一、鉴频一鉴相器的功能

所谓鉴频一鉴相器，是按下述方式工作的：

当环路进行频率捕获时，它以鉴频器方式工作；当进入相位锁定区域后，就转为鉴相器方式工作。

这样，就扩展了环路的快捕带，缩短了频率牵引过程，使环路快速进入相位锁定区域，实现快捕锁定。

但是，这里用的鉴频方式不是普通的线性鉴频，而是一种饱和形式的非线性鉴频方式，即只要两个比相信号之间有频率差，无论频差大小，就输出有较大的直流误差成份去控制压控振荡器频率。

通常，鉴频一鉴相器由数字比相电路与电流或电压泵电路组成。

如图3—51所示。

由于数字比相器主要由各类触发电路组成，所以这种鉴相器是用两输入脉冲的上升边或下降边工作的，属于边沿触发型鉴相器。

泵电路实际是一个电压或电流开关，在数字比相器两路输出信号U1和D1控制下，其输出Xo可取+Um（+Im）、o和—Um（—Im）三种电平，故又称三态鉴频——鉴相器。

下面以电路在参考信号R与反馈信号v出现上升边时（视电路构成也可取下降边）所发生的输出状态的改变为例来分析电路的工作状况。

设R出现上升边用R↑表示，V出现上升边用V↑表示，分析表明，泵电路输出Xo电平的改变，如图3。

52状态转移图所示。

图中每一个实圈表示一个状态，图中符号Um、Im表示该状态时鉴频——鉴相器的输出电压或电流值。

由图观之，当出现R↑时，假定初始状态处于“1”态，就转移到“2”态；若初始为“2”态，就转移到“3”态；若初始就是“3”态，则状态不变。

类似地，当出现v↑时，指使电路状态向左转移，以“l”为不变状态。

据此状态转移模型，不难说明电路的鉴频——鉴相原理。

二、鉴相原理

图3—53（a）、（b）分别表示了在同频情况下R超前V和R落后于V的输出波形。

当R与V同处于低电平时，Xo等于0，输出处于“2”态；当R超前V时[图3—53（a）]、R↑先于V↑出现，所以输出由“2”态转移到“3”态，X。

由低电平跳到高电乎，而在V↑来到时，输出又由“3”态跳回“2”态，X。

又跳回到低电平，

所以X。

是一宽度等于两信号上升边时延差△t的正脉冲序列。

反之，当R落后V时[图3—53（b）]，将得到一宽度等于上升边时延差△t的负脉冲序列。

时延差△t与相位差θ。

有如下关系

A（3—87）

式中T为输入脉冲信号的周期。

因为x0为脉冲波，它的直流分量反映了鉴相器输出的误差控制分量与相位差θe的关系，即鉴相特性。

若泵电路为电压泵，则输出脉冲电压序列，此电路为电压型鉴频——鉴相器。

如图3—51所示输出的“3”态和“1”态电压值分别为+Um和—Um，则输出的直流电压分量为

为电压型鉴额——鉴相器鉴相特性斜率。

可见鉴相特性在

区域内成线性关系，具有锯齿形鉴相特性。

若泵电路为电流泵，则输出为脉冲电流序列，此电路称为电流型鉴频——鉴相器。

如图3—51所示输出的“3”态与“1”态、电流值分别为+Im和—Im。

其余同电压泵电路。

要指出的是：

电流型鉴频——鉴相器输出的是电流脉冲序列要想得到直流误差控制电压，必须经过一个电流／电压的积分转换电路，才能用它去控制压控振荡器的频率，否则要使用流挖振荡器才行。

三、鉴频原理

在R与V不同频情况下，电路应当起鉴频作用。

设R的重复频率fR大于v的重复频率fv，则在状态转移图上表示为输出x。

将在“2”态与“3”态之间来回移动，形成一个占空比＞1/2的正脉冲序列，如图3—55所示。

随着频差Af＝fR—fv的加大，X0占空比也随之加大。

脉冲宽度逐步加宽，标志着x0中直流分量的增大，所以在有频差情况下，电路将输出一个接近于高电平的直流误差控制成分。

在电压鉴频——鉴相器中，输出为接近+Um的直流误差电压。

在电流型鉴频——鉴相器中，则输出为接近Im的直流误差电流。

在fR＜fv情况下，输出则为接近于—Um或—Im的直流误差控制成分，故可以预料其鉴频特性为一种饱和形式的非线性曲线。

门鉴相器

压控振荡器

在锁相环中，压控振荡器的作用是完成电压与频率的变换即它的输出瞬时频率

为输入控制电压Uc（t），的线性函数。

根据用途的不同，对压控振荡器的下列性能指标应提出适当的要求：

压控振荡器的下列性能指标

1．控制灵敏度。

指单位控制电压所引起的频率变化量。

2．线性度。

指输入控制电压与输出振荡频率的控制特性偏离直

线的程度。

3．线性范围。

指电压——频串控制保持线性的控制电压范围o

4．最大领偏。

即最大控制电压作用下的最大颊偏量。

常用与中

心频率的相对值表示。

5．最高工作频率。

6．频率稳定度。

指振荡领率随各种因素（如环境温度、

压等）变化的情况，包含短期与长期稳定度。

。

7．频谱纯度。

包括相位噪声与各种杂散。

8．调制带灾。

指控制电压频率的上限。

此外还有对电源电压的要求、功耗、振荡波形与失真、易于调节中心频率、易于控制等等。

一般压控振荡器电路都不难集成，目前已有大量集成压控振荡器的产品，

主要分类有：

1．晶体压控振荡器（VCX0）

2．LC压控振荡器（LCVC0）

3．压控多谐振荡器（VCM）

一般说来，晶体压控振荡器的频率稳定度最高，但控制频率最小，控制灵敏度最低、线性度也最差。

压控多谐振荡器尽管频率稳定度最差且只能产生方波，但它有可控范围最大、线性度最好且控制灵敏度也最高。

LC压控振荡器的性能则介于两者之间，能产生正弦波。

射极耦合多谐振荡型压控振荡器

一、基本原理

积分一施密特触发器型电路的工作频率通常低于1MHz，为得到更高的工作频率，可采用射极锅合多谐振荡器型的压控振荡器。

其中Q1、Q2通过交叉耦合分别组成正反馈级，且射极分别接有受电压Uc控制的桓流源I01和I02（通常选择I01=I02＝1）。

若起始Q1导通，Q2截止，由I2对外接定时电容CT充电。

充电电流使CT上的电压上升。

由于Ql导通，其射极电位将保持不变，CT上电压上升的结果是Q2的射极电位下降。

当Q2射极电位下降到Q2导通，Q2集电极电位急速下降，促使Ql截止，则改由I1对CT反向充电，

就这样，I1、T2不断地对CT交替充电，Q2、Q2的状态不断翻转，在

Q1和Q2的集电极得到对称的方波输出。

二极管Dl、D2与电阻R并

联作为Q1和Q2的负载，可以提高翻转速度。

射极耦合多谐振荡型压控振器的原理图

这样，VCO的振荡频率为

，若恒流源电流I＝gmV。

式中gm为恒流源控制电导，V。

为控制电压，得

K0为VCO的控制灵敏度。