鎖相環(huán)CD4046的原理詳細(xì)介紹及應(yīng)用電路

鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）。低通濾波器三部分組成，如圖1所示。 
             圖1
壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓UΨ正比于Ui和Uo兩個(gè)信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud。這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）稱作相位鎖定。 
                      圖2
當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率，并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于VCO輸出信號頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器，以滿足不同工作的需要。 過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V－18V），輸入阻抗高(約100MΩ)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。圖2是CD4046的引腳排列，采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如下：

1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳相位比較器Ⅰ的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。
           圖3
圖3是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出端信號UΨ為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50％（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。

                     圖4

相位比較器Ⅱ是一個(gè)由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器Ⅱ的兩個(gè)輸人信號之間保持0°相移。

對相位比較器Ⅱ而言，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。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器Ⅱ輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差。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)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見，從1腳輸出信號是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號的情況了。
                      圖5
CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1。2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，則fmax要降低一些。

CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。齊納二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。

綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號 Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號Uo與輸入信號Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器Ⅰ，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同，不再贅述。下面介紹CD4046典型應(yīng)用電路。
                        圖6
圖6是用CD4046的VCO組成的方波發(fā)生器，當(dāng)其9腳輸入端固定接電源時(shí)，電路即起基本方波振蕩器的作用。振蕩器的充、放電電容C1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻R1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號從4腳輸出。按圖示數(shù)值，振蕩頻率變化范圍在20Hz至2kHz。

圖7是CD4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號的解調(diào)電路。如果由載頻為10kHz組成的調(diào)頻信號，用400Hz音頻信號調(diào)制，假如調(diào)頻信號的總振幅小于400mV時(shí)，用CD4046時(shí)則應(yīng)經(jīng)放大器放大后用交流耦合到鎖相環(huán)的14腳輸入端環(huán)路的相位比較器采用比較器Ⅰ，因?yàn)樾枰i相環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率f0等于調(diào)頻信號的載頻，這樣會(huì)引起壓控振蕩器輸出與輸入信號輸入間產(chǎn)生不同的相位差，從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入信號頻率變化相應(yīng)的電壓變化，這個(gè)電壓變化經(jīng)源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端10腳輸出解調(diào)信號。當(dāng)VDD為10V，R1為10kΩ，C1為100pF時(shí)，鎖相環(huán)路的捕捉范圍為±0.4kHz。解調(diào)器輸出幅度取決于源跟隨器外接電阻R3值的大小。
                     圖8
圖8用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路。剛開機(jī)時(shí)，f2可能不等于f1，假定f2<f1，此時(shí)相位比較器Ⅱ輸U(kuò)Ψ為高電平，經(jīng)濾波后Ud逐漸升高使VCO輸出頻率f2迅速上升，f2增大值至 f2=f1，如果此時(shí) Ui滯后 U0，則相位比較器Ⅱ輸出UΨ為低電平。UΨ經(jīng)濾波后得到的Ud信號開始下降，這就迫使VCO對f2進(jìn)行微調(diào)，最后達(dá)到f2/N=f1，并且f2與f1的相位差Δφ=0°。，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果此后f1又發(fā)生變化，鎖相環(huán)能再次捕獲f1，使f2與f1相位鎖定。