鎖相環(huán)的研究和頻率合成

鎖相環(huán)的研究和頻率合成
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1. 振蕩器(VCO)的V—f 特性的研究
2. 對稱波鎖相環(huán)基本特性的研究
3. 利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率合成
二、鎖相環(huán)原理：
鎖相環(huán)（Phase Lock Loop ）是一個(gè)自動(dòng)相位控制系統(tǒng)，框圖3-1 描述了一個(gè)基本鎖
相系統(tǒng)的主要組成部分，其中包括相位比較器（ Phase Detector）、電壓控制振蕩器（ Voltage
Controlled Osillator）、低通濾波器（Low Past Filter ）。
這個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（S）可以用下列方程描述：

100KHZ晶體

所以，框圖3-1 表示的系統(tǒng)是一個(gè)典型的全反饋系統(tǒng)，
G(S)為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，它由Ko、Kd、F(S)來確定。

本實(shí)驗(yàn)中用一片74LS221 雙單穩(wěn)態(tài)電路組成VCO 振蕩器，原理如圖3-2，改變A 點(diǎn)電
壓就能改變振蕩頻率，一般A 點(diǎn)電壓位1.1 伏以上就開始振蕩，輸出頻率還與R1、R2、R3
以及C1、C2 值有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)測出f—Vc 關(guān)系曲線如圖3-2 所示，并可看出Δf/ΔV 在不同
控制電平下，并不全部一樣，在低電平處Δf/ΔV 值比較大。而高電平處卻比較小，這就決
定了最佳控制點(diǎn)的選擇（線性部分）。
2、相位比較器（PD）
相位比較器又稱為相位檢波器，對于占空系數(shù)為50%的對稱方波可以用一個(gè)異或門來構(gòu)
成，如圖3-4 所示。

由異或門真值表可以看出，當(dāng)異或門的兩個(gè)輸入端A、B 上加入兩個(gè)占空比為50%的方
波時(shí)，三個(gè)輸入波之間的相位在0°—180°之間變化時(shí)輸出波形f 的占空比也隨著變化，
如果取出波形的平均值，其值也將隨著A、B 端輸入波形的相位而變化，如果用R,C 構(gòu)成低
通濾波器，則其傳遞函數(shù)為：

3、實(shí)驗(yàn)電路：以下為實(shí)驗(yàn)電路，供參考（圖3-5）。靜態(tài)工作點(diǎn)的A 點(diǎn)電壓約在4 伏左右。

4、 沿控制比較器
它是一種適合不對稱波形的相對檢波器，其結(jié)構(gòu)如圖3-6，它是由R-S 觸發(fā)器和控制門
構(gòu)成。工作原理可分三個(gè)方面來分析：首先(9)、(10)門不可能同時(shí)為“1”，因?yàn)?9)、(10)門
同時(shí)為1，必須(1)、(2)、(5)、(6)、(7)輸出為“0”，而要求(7)輸出為“0”，則(1)、(2)、(5)、
(6)中必須有一個(gè)或一個(gè)以上為“1”，顯然同前面提出要求(9)、(10)輸出“1”的條件矛盾，
所以(9)、(10)不可能同時(shí)為“1”。
第二為fco 和fin 兩者同時(shí)上跳和同時(shí)下跳時(shí)的狀態(tài)，假定(8)、(9)輸出為“0”。此時(shí)，
fin 和fco 同時(shí)上跳，則門(1)和門(6)輸出為“0”，所以由(2)、(3)以及(4)、(5)組成的二
只R-S 觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，亦即門(7)的輸出狀態(tài)也不變，所以(8)、(9)的輸出還是為“0”。
如果fin 和fco 同時(shí)下跳，則門(1)和門(6)的輸出為“1”，導(dǎo)致兩個(gè)R-S 觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，使門(2)
和(5)輸出為“0”，但這并不影響門(7)的輸出狀態(tài)，所以(8)、(9)的輸出還是為“0”。

第三為fin 和fco 相位不同。假定fin 和fco 相位提前，此時(shí)門(6)的輸出為“1”，所以
(4)、(5)觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，使門(5)輸出為“0”，所以此時(shí)門(1)、(3)、(7)均為“0”，使門(8)輸出
為“1”。經(jīng)過一段時(shí)間后，fco 亦上跳，使門(6)輸出由“1”變?yōu)椤?”，門(7)的全部輸入為
“0”，所以輸出為“1”，這就使二只R-S 觸發(fā)器復(fù)位，并將門(8)的輸出從“1”反轉(zhuǎn)為“0”。
同樣可以分析當(dāng)fin 相位滯后于fco 時(shí)，將在fco 上跳時(shí)使(9)為“1”直到fin 上跳到
來時(shí)才使(9)為“1”。
總之，當(dāng)fin 超前fco 時(shí)，(8)出現(xiàn)一串脈沖，(9)為“0”，當(dāng)fin 滯后于fco 時(shí)，(9)出
現(xiàn)一串脈沖，(8)為“0”。
圖3-7 為一比例加法器，它是利用運(yùn)算放大器構(gòu)成，其輸入端分別接到(8)、(9)，在輸
出端即可合成一條比較理想的鑒相曲線。
5、尋找同步范圍
鎖相環(huán)的工作范圍可用捕捉帶和保持帶來表示。捕捉帶和保持帶的示意圖如圖3-8 所
示。
通常保持帶寬會(huì)大于捕捉帶寬，用雙蹤示波器觀察輸入、輸出是否同步。按圖3-8 分別
記錄鎖相環(huán)的捕捉帶和保持帶。
三、鎖相環(huán)的典型應(yīng)用——頻率合成
CC4046 的引腳圖如圖3-9 所示。

鎖相環(huán)的重要用途之一就是用作頻率合成。所謂頻率合成是指將任一給定的頻率f0（通
常是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的高穩(wěn)定度的頻率）變換成一系列新的頻率f 01、f 02 ．．．f 0n。
這些新的頻率的穩(wěn)定度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)。例如，f 0 的穩(wěn)定度為10－６（即百萬分之一），則
一系列新頻率的穩(wěn)定度也達(dá)到10－６。本實(shí)驗(yàn)利用CC4046 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)1KHZ—999KHZ 頻率
合成。
鎖相環(huán)用于頻率合成的原理方框圖如圖3-10 所示。我們已經(jīng)知道，把分頻器（÷N）
插在鎖相環(huán)壓控振蕩器vco 的輸出端與相位比較器的輸入端之間，鎖相環(huán)即可對輸入頻率進(jìn)
行準(zhǔn)確的N 倍頻。圖3-10 中，設(shè)晶體振蕩器頻率為f0，經(jīng)過固定式分頻電路（÷M）得到
基準(zhǔn)頻率f1，再送至鎖相環(huán)CC4046 的相位比較器Ⅱ的信號輸入端。若由壓控振蕩器vco 產(chǎn)
生的頻率信號為f2，經(jīng)過一個(gè)可預(yù)置數(shù)的分頻器，可得到f 2′=f 2/N（N 為預(yù)先設(shè)定的分頻
系數(shù)），然后再送到相位比較器Ⅱ的比較信號輸入端。當(dāng)CC4046 相位鎖定時(shí)，有關(guān)系式f 2
′=f 1，即f 2/N= f 1，則f 2=N f 1。此時(shí)，鎖相環(huán)輸出信號的頻率是輸入信號頻率f 1的N 倍。

圖3-10

如果分頻系數(shù)N 是可變的，N=N1、N2? ?Nn，例如能從1 連續(xù)變化到999，這時(shí)即
可得到999 個(gè)不同的f 2 輸出，從而實(shí)現(xiàn)了頻率合成。
頻率合成的一種實(shí)用電路如圖3-11 所示。本電路可輸出1KHZ—999KHZ 范圍內(nèi)，間隔
為1KHZ 的999 種標(biāo)準(zhǔn)頻率。圖3-11 電路看起來比較復(fù)雜，但與圖3-10 對照來看，就可明
顯的看出它由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生，鎖相環(huán)及分頻器÷N 三部分組成。
基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生部分采用JA9 型100KHZ 金屬殼石英諧振器與六反相器CC4049（只用了
其中三個(gè)反相器）組成晶振和放大整形電路，得到100KHZ 的矩形脈沖。再經(jīng)過雙二——
十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器CC4518 完成100 分頻，以獲得１KHZ 的基準(zhǔn)頻率f 1。f 1 經(jīng)CC4046 的
第14 腳送至相位比較器Ⅱ。然后從vco 輸出信號f 2。
我們已經(jīng)知道，在vco 的輸出端4 與相位比較器的輸入端3 之間插入一個(gè)分頻器(÷N)，
就能起到倍頻作用，使vco 的輸出信號頻率f 2=N f 1。若設(shè)N=175，則f 2=175×1KHZ＝
175KHZ。
圖中用三塊CC14522 可編程1/N 計(jì)數(shù)器和三只8，4，2，1 編碼的撥盤開關(guān)組成。有
關(guān)撥盤開關(guān)的原理，可參看無線電1986 年第8—9 期的有關(guān)文章。
如果分頻系數(shù)N 是個(gè)三位數(shù)，則可表示成N=100N3+10N2+N1，這里的N1、N2、N3
分別代表個(gè)位、十位、百位上的數(shù)字，也就是撥盤開關(guān)KA1、KA2、KA3 上分別設(shè)定的數(shù)
值。因此使用三只撥盤開關(guān)，即可組成001 到999 范圍內(nèi)的任何數(shù)。例如，按圖2 所示，將
KA3 撥至數(shù)字1，數(shù)字1 對應(yīng)的BCD 碼位0001，所以前三個(gè)開關(guān)斷開，最后一個(gè)開關(guān)閉合。
同理，將KA2 撥至7(0111)，KA１撥至5(0101)，各開關(guān)即如圖3-11 所示狀態(tài)，就可得到分
頻系數(shù)N＝100×1＋10×7＋1×5＝175。當(dāng)然N 也可以設(shè)定001—999 中的其他值。由于每
設(shè)定一次，就相當(dāng)于給１/N 計(jì)數(shù)器編一次運(yùn)算程序，因此稱它為可編程１/N 計(jì)數(shù)器。

該計(jì)數(shù)器的個(gè)位、十位、百位分別是CC14522Ⅰ、CC14522Ⅱ、CC14522Ⅲ。電路采用
正邏輯，即“1”為高電平(VDD)，“0”為低電平(VSS)。在介紹其工作過程之前，先對各端
子做一些簡單的說明。
CC14522 型計(jì)數(shù)器的CP 端和EN 端均為輸入脈沖端。電路規(guī)定：當(dāng)EN 端接“0”電平
時(shí)，輸入脈沖應(yīng)加至CP 端，且用脈沖的上升沿觸發(fā)；當(dāng)CP 接“1”電平時(shí)，輸入脈沖應(yīng)加
至EN 端，此時(shí)用脈沖的下降沿觸發(fā)。在圖3-11 中，選定從CP 端輸入脈沖，所以EN 端固
定接地為“0”電平，從vco 輸出的信號作為輸入脈沖加到CC14522Ⅰ的CP 端。
每塊14522 的D1—D4 端是預(yù)置數(shù)輸入端，PE 是預(yù)置允許端。以個(gè)位14522Ⅰ為例，當(dāng)
PE＝１時(shí)，不管原來的計(jì)數(shù)狀態(tài)如何，可立刻將撥盤開關(guān)KA1 設(shè)定的5(0101)從D1—D4 端置
入計(jì)數(shù)器。
CC14522 的Cr 端是復(fù)零端。當(dāng)Cr＝1 時(shí)，能強(qiáng)迫計(jì)數(shù)器復(fù)零，計(jì)數(shù)電路停止工作。圖
3-11 中的Cr 端固定接“0”電平，可使電路循環(huán)工作下去。
計(jì)數(shù)器的Oc 端是全“0”信號輸出端，僅當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為“0000”，且CF 為“1”時(shí)，
Oc 才輸出“1”。CF 是級連反饋端，它們分別與前一級的Oc 端相連。這樣當(dāng)前級計(jì)數(shù)器為
“0000”狀態(tài)時(shí)，其Oc＝“1”的信號就反饋到下一級的CF 端，使CF 為高電平。
三級計(jì)數(shù)器的PE 端與個(gè)位計(jì)數(shù)器的Oc 端相連。這樣，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)器狀態(tài)從5 一直減
到0(相當(dāng)于完成一次÷5 運(yùn)算)時(shí)，CC14522Ⅰ為“0000”狀態(tài)。由于個(gè)位計(jì)數(shù)器的級連反饋
端CF 與十位計(jì)數(shù)器的Oc 端接通，若假定十位計(jì)數(shù)器也是“0000”狀態(tài)Oc＝1，此信號就送
到各位計(jì)數(shù)器的CF 端，使之也為高電平。對個(gè)位計(jì)數(shù)器而言，由于CF＝1，并且計(jì)到“0000”
狀態(tài)，因此從Oc 端輸出高電平信號，這個(gè)高電平信號，一方面作為第二次置數(shù)信號(PE＝1)，
另一方面作為f2′的輸出端。
應(yīng)當(dāng)說明，上面講的除法運(yùn)算，實(shí)際上是通過連續(xù)做減法來實(shí)現(xiàn)的。例如，假定N＝175，
即N1＝5，N2＝7，N3＝1。分頻器的工作過程是：首先是把D1—D4 端的預(yù)置數(shù)175 分別置入
個(gè)位、十位和百位計(jì)數(shù)器。由圖3-11 可見，三個(gè)撥盤開關(guān)的A1、A2、A3 是接VDD 的，個(gè)位
開關(guān)KA1 中4 刀和1 刀接通，且接至CC14522Ⅰ的D3、D1 端，因而D3、D1 端為高電平“1”。
而D2、D4 端未接通VDD，故為低電平“0”。這樣8421 碼的0101(數(shù)字5)就送入了D1—D4 端。
同理，8421 碼0111(數(shù)字7)送入CC14522Ⅱ的D3、D2、D1 端。8421 碼的0001(數(shù)字1)送入
CC14522Ⅲ的D1 端。
計(jì)數(shù)器完成預(yù)置后，從個(gè)位計(jì)數(shù)器開始做減法運(yùn)算。VCO 的輸出信號是一串脈沖，CP
端每輸入一個(gè)脈沖，CC14522Ⅰ就自動(dòng)(這是由集成電路內(nèi)部控制的)減1，這時(shí)預(yù)置數(shù)5 減1
變?yōu)?。輸入5 個(gè)脈沖(減5 次)后，即為0000。
當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)脈沖到來時(shí)，CC14522Ⅰ從Q4 端向十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC14522Ⅱ的CP 端借1，這個(gè)
1 對于個(gè)位來說相當(dāng)于10，這時(shí)CC14522Ⅰ可從0000 直接變成1001(數(shù)字9)。而CC14522
Ⅱ因送出一個(gè)高電平借位信號，而從預(yù)置數(shù)7 中減去1 變成6。這樣繼續(xù)下去，連續(xù)減75
次以后，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器也變成了0000。當(dāng)?shù)?6 個(gè)脈沖來到時(shí)，百位計(jì)數(shù)器減1 變成0，它
的Oc 端變成高電平，與它相連的CF 端也變成高電平。直至十進(jìn)制計(jì)數(shù)器也減成0 時(shí)，CC14522
Ⅱ的Oc 端和CC14522Ⅰ的CF 端也均為高電平。再等個(gè)位計(jì)數(shù)器也減為0(這時(shí)共減了175
次)時(shí)，個(gè)位計(jì)數(shù)器的Oc 端才變成高電平，輸出一個(gè)脈沖。由于每輸入175 個(gè)脈沖，個(gè)位計(jì)
數(shù)器的Oc 端才輸出一個(gè)脈沖(即前面所說的f2′信號)，Oc 端就是分頻器的輸出端，故也就
完成了175 分頻。因此，f2′＝f2/175。f2′接至CC4046 的第3 腳，相位比較器Ⅱ經(jīng)過對f1
和f2′進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差電壓UX，濾波后得到控制電壓Ud，去控制VCO 的輸出頻率。
當(dāng)相位鎖定時(shí)，對于上面的例子，VCO 輸出的是高穩(wěn)定度的175KHZ 的基準(zhǔn)頻率。
為便于讀者閱讀，圖3-11 中標(biāo)明了鎖相環(huán)中各信號的去向。電路中撥盤開關(guān)選用ＫＡ
型按鍵式開關(guān)，利用按鍵代替手撥轉(zhuǎn)輪，操作非常方便。

除此以外，鎖相環(huán)還可用作電壓——頻率(V/f)轉(zhuǎn)換器（單獨(dú)使用鎖相環(huán)中的壓控振蕩
器，即可構(gòu)成V/f 轉(zhuǎn)換器）。利用鎖相環(huán)還可以對調(diào)頻信號進(jìn)行解調(diào)，從中取出音頻信號。
目前，國外已把鎖相技術(shù)應(yīng)用到彩色電視機(jī)的電路中，例如，法國湯姆遜TFE5114DK 型20
英寸彩電。