锁相环的基本原理和应用

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1、第5章锁相环的原理和应用8/26/20211123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。8/26/20212123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。8/26/202131231.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

2、线性压控振荡器（VCO）三部分组成。线性压控振荡器低通滤波器相位比较器fr反馈fo误差图18/26/202141232.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。8/26/20215123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。8/26/20216123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VC

3、O，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。8/26/20217123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。8/26/20218123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

4、的输出频率。8/26/202191233.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。8/26/202110123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。低通滤波器相位比较器frfo误差图2计数器10线性压控振荡器8/26/202111

5、123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。8/26/2021121233.2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。低通滤波器相位比较器frfo误差图3可编程计数器压控振荡器计数器1000振荡器1MHZ8/26/20

6、2113123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1000X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。8/26/2021141233.3CD4046及其应用4046PLL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

7、极管二个相位比较器4046PLL锁相环电路组成框图如下：8/26/202115123CD4046.pdf8/26/2021161233.3.1VCO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)8/26/202117123键控移频(FSK)8/26/2021181233.3.2调频信号(FM)的解调载频=10kHz调制信号=400Hz(音频)解调输出Pin108/26/202119123解调8/26/202120123频率

8、–电压转换(F–V)8/26/2021211234.PLL锁相环电路分析4.14046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