cd4046簡介

　　cD4046是通用的CMOS鎖相環集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V－18V），輸入阻抗高（約100MΩ），動態功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。

　　CD4046鎖相的意義是相位同步的自動控制，功能是完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環，簡稱PLL。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。鎖相環主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）。低通濾波器三部分組成，如下所示。

　　cd4046引腳圖及功能

　　CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能：

　　1腳相位輸出端，環路入鎖時為高電平，環路失鎖時為低電平。

　　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，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。

　　6、7腳外接振蕩電容。

　　8、16腳電源的負端和正端。

　　9腳壓控振蕩器的控制端。

　　10腳解調輸出端，用于FM解調。

　　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腳內部獨立的齊納穩壓管負極。

　　CD4046內部電原理框圖

　　上圖是CD4046內部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構成。比較器Ⅰ采用異或門結構，當兩個輸入端信號Ui、Uo的電平狀態相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號UΨ為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態相同時（即兩個均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內變化時，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。

圖四

　　相位比較器Ⅱ是一個由信號的上升沿控制的數字存儲網絡。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，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。它提供數字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當達到鎖定時，在相位比較器Ⅱ的兩個輸人信號之間保持0°相移。

　　對相位比較器Ⅱ而言，當14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時，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，當輸入信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當相位超前時則輸出為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產生。從相位比較器Ⅱ輸出的正、負脈沖的寬度均等于兩個輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當兩個輸入脈沖的頻率和相位均相同時，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個輸入信號的情況了。

　　CD4046鎖相環采用的是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PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由于VCO是一個電壓控制振蕩器，對定時電容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VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低；當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，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電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規定CD4046的最高頻率為1.2MHz（VDD=15V），若VDD《15V，則fmax要降低一些。

　　CD4046工作原理

　　輸入信號Ui從14腳輸入后，經放大器A1進行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開關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的輸出又經除法器再進入相位比較器Ⅰ，繼續與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1，兩者的相位差為一定值，實現了相位鎖定。若開關K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同。




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　　cd4046電氣特性

　　直流電氣特性：

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　　交流電氣特性：

　　CD4046典型應用電路

　　應用電路一：

　　應用電路二：

　　應用電路三：

　　圖中用CD4046與BCD加法計數器CD4518構成的100倍頻電路。剛開機時，f2可能不等于f1，假定f2《f1，此時相位比較器Ⅱ輸UΨ為高電平，經濾波后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Ui滯后U0，則相位比較器Ⅱ輸出UΨ為低電平。UΨ經濾波后得到的Ud信號開始下降，這就迫使VCO對f2進行微調，最后達到f2/N=f1，并且f2與f1的相位差Δφ=0°。，進入鎖定狀態。如果此后f1又發生變化，鎖相環能再次捕獲f1，使f2與f1相位鎖定。

　　應用電路四：

　　頻率計用表針指示被測頻率的高低。R1由47k 固定電阻與51k 的電位器串聯而成， R4、R5和C4構成低通濾波器， R3與表頭M 串聯后作為源跟隨器的負載， R3還用于調節表的滿刻度電流。表頭上并有100LF 的大電容， 用于消除低頻時表針的抖動現象， 該頻率計的測量范圍是20Hz～ 1kHz。在用標準信號發生器和標準頻率計進行校準時， 需調整51k 電位器， 該頻率計具有良好的線性。

　　應用電路五：

　　只使用鎖相環中的壓控振蕩器就可構成電壓頻率轉換器。電路的特點是將12腳懸空，使R2趨向無窮大，則輸出的最小頻率為0Hz，取R1=100k，C1=100pF，VDD=10V時，輸出的最高頻率為20kHz。改變電位器RP1的位置，使VCO的控制電壓從0V連續升到VDD，從第4腳就可以得到0Hz～20kHz的輸出信號。VMOS管V20AT作功率輸出級，監聽揚聲器BL與RP2組成漏極負載，RP2兼作音量控制。將RP1的頻率刻度盤用標準頻率計校準后，即可作為音頻信號發生器使用。該電路如果去掉RP1，改用敏感元件和電壓比較電路構成輸入級，即為多用途越限報警器。

　　應用電路六：

　　VT與C1、C2、探頭L一起組成振蕩器，其頻率約為300kHz。探頭采用直徑為440毫米的線圈。當探頭接近埋在地下的金屬時，金屬物體相當于短路環，使L的電感量減小，振蕩頻率隨之升高，表針偏轉角度改變。表頭易采用零位指示器，零點位于刻度盤中央，此電路仍屬于頻率電壓轉換電路。

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