集成锁相环及其应用

一、锁相环的电路结构和工作原理

锁相环电路框图如图所示：

它的主要思路是如何利用相位误差实现无频差的频率跟踪。其原理用下图的旋转矢量加以说明。

旋转矢量和分别是鉴相器的两个输入信号、。它们的瞬时角速度和瞬时角位移为：，和，只有当两个旋转矢量以相同的角速度旋转时(即)，两者之间的相位差才能保持某定值。该定值相位经鉴相器后变换成对应的直流电压，去控制VCO的振荡角频率，使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率上。这种情况称之为相位锁定。反之，两者角频率不等，相位差不恒定，称为失锁。如，则比旋转 得慢些，瞬时相位差将随时间增大，此时鉴相器产生的误差电压也相应变化。该误差电压经环路滤波器，去控制压控振荡器的频率，使其增大，因而瞬时相位差也将减小。经过不断地循环，矢量的旋转角速度逐渐加快，直到与旋转角速度相同，这时环路再次锁定，瞬时相位差为恒值。

1. 鉴相器分析

令鉴相器的两个输入电压为单一的正弦，且频率不等。则两个信号与压控振荡器未加控制电压时的相位差为：

，

则：

如用模拟乘法器组成乘积型鉴相器时，其鉴相器的输出误差电压为：

，其中是鉴相器增益，为常数。

2. 环路滤波器

它是一个低通滤波器，滤除干扰和其它频率分量，提高信噪比。

设环路滤波器的传递函数为：

s用微分因子代入后：，

3. 压控振荡器

在一定的控制电压下，VCO的振荡角频率与其控制电压有线性关系：

所以压控振荡器的输出信号相位：

并得：

可见：VCO的振荡角频率与控制电压成线性关系，其瞬时相位变化与却是积分关系。

因此，对锁相环讲，VCO被看成一个积分器。当积分算子表示后，式子有：，由上面所确定的各部分模型，可得锁相环路的相位模型和统一方程：，该式两边微分得：，该式称为基本环路方程。

二、单片集成锁相环简介

CMOS CD4046是最常见的集成锁相环。还有74HC4046是高速集成锁相环，也是CMOS电路。

1. CD4046的管脚说明

2. 基本原理：输入从14脚进入，经A放大并整形，作为相位比较器输入，而且和引脚3的输入进行相位比较。由引脚步2输出误差相位(以电压形式)。又经低通滤波器滤除高频之后，获得VCO控制电压。

实现频率调整的目的，该频率很快逼近输入参考频率。

三、单片集成锁相环应用举例

1. 锁相环用于频率合成

，

2. 锁相环用于调制和解调