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基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計

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作者: 時間:2007-11-29 來源: 收藏

  隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的源已經(jīng)成為通信、雷達(dá)、儀器儀表、高速計算機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)的主要組成部分。高性能的源可通過合成技術(shù)獲得。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,鎖相式頻率合成技術(shù)占有越來越重要的地位。由一個或幾個高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度的參考頻率源通過數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)可獲得高品質(zhì)的離散頻率源。

  1 頻率的原理

  1.1 原理

  (PLL)是構(gòu)成頻率的核心部件。主要由相位比較器(PD)、壓控振蕩器(VCO)、環(huán)路濾波器(LP)和參考頻率源組成。

  是一種利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號反饋控制電路。他的被控制量是相位,被控對象是壓控振蕩器。如圖1所示,如果路中壓控振蕩器的輸出信號頻率發(fā)生變化,則輸入到相位比較器的信號相位θv(t)和θR(t)必然會不同,使相位比較器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓Vd(t),經(jīng)環(huán)路濾波器輸出一個緩慢變化的直流電壓Vc(t),來控制壓控振蕩器輸出信號的相位,使輸入和輸出相位差減小,直到兩信號之間的相位差等于常數(shù)。此時,壓控振蕩器的輸出信號頻率和輸入信號頻率相等,且環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。

  1.2 鎖相環(huán)頻率原理

  如圖2所示,鎖相環(huán)頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對參考頻率源進(jìn)行分頻,輸出信號作為相位比較器參考信號。

  

  

  可變分頻器對壓控振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻,分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時有f1=f2,因為f1=fr/M,f2=fo/N,所以有fo=Nfr/M。只要改變可變分頻器的分頻系數(shù)N,就可以輸出不同頻率的信號。

  2 基于CD4046的鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計

  2.1 集成鎖相環(huán)CD4046介紹

  單片集成鎖相環(huán)CD4046采用CMOS電路工藝,特點是電源電壓范圍寬(3~18 V),輸入阻抗高(約100 MΩ),動態(tài)功耗小。在電源電壓VDD=15 V時最高頻率可達(dá)1.2 MHz,常用在中、低頻段。CD4046內(nèi)部集成了相位比較器Ⅰ、相位比較器Ⅱ、壓控振蕩器以及線性放大器、源跟隨器、整形電路等。

  相位比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu),使用時要求輸入信號占空比為50%。當(dāng)兩路輸入信號的高低電平相異時,輸出信號為高電平,反之,輸出信號為低電平。相位比較器Ⅰ的捕捉能力和濾波器有關(guān),選擇合適的濾波器可以得到較寬的捕捉范圍。

  相位比較器Ⅱ由一個信號的上升沿控制,他對輸入信號的占空比要求不高,允許輸入非對稱波形,具有很寬的捕捉范圍。相位比較器Ⅱ的輸出和兩路輸入信號的頻率高低有關(guān),當(dāng)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(dāng)輸人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(dāng)相位超前時則輸出為負(fù)脈沖。而當(dāng)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(tài)。

  壓控振蕩器需要外接電阻R1,R2和電容C1。R1,C1是充放電元件,電阻R2起到頻率補(bǔ)償作用。VCO的振蕩頻率不僅和R1,R2以及C1的取值有關(guān),還和電源電壓有關(guān),電源電壓越高振蕩頻率越高。

  CD4046引腳和外圍電路圖如圖3所示。

  

  2.2 設(shè)計實例

  本設(shè)計中參考頻率源選用COMS石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生2 MHz的矩形脈沖信號,電路如圖4所示。

  

  可變分頻器由集成四位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器74LS161來完成。這里采用4片74LS161通過預(yù)置數(shù)的方法來實現(xiàn)可變分頻。為提高工作速度可采用圖5所示接法。利用同步方案最高可實現(xiàn)65 536分頻。預(yù)制值=65 536-N。經(jīng)過可變分頻后獲得的信號是窄脈沖信號,在輸出端可利用74LS74對該信號進(jìn)行二分頻,以便獲得方波信號,從而滿足相位比較器I的占空比的要求。此時實際分頻系數(shù)變?yōu)?N。

  參考分頻器與可變分頻器采用同樣的電路,目的在于通過設(shè)置不同的分頻系數(shù)M,以實現(xiàn)不同的頻率間隔的需求。

  本設(shè)計選取無源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器,其時間常數(shù)r=(R3+R4)C2。電路如圖6所示。

  

  

  2.3 電路的調(diào)試

  在調(diào)試的過程中需注意R1,R2,C1的選取,選取不同的R1,R2,C1并合理設(shè)置可變分頻系數(shù)N,就可獲得不同頻率范圍的輸出信號,同時根據(jù)所需情況注意選取合適的濾波器,設(shè)置不同的前置分頻系數(shù)即可改變頻率間隔。

  3 結(jié) 語

  該電路由于頻率范圍和頻率間隔可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)節(jié),且輸出信號頻率具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,可廣泛作為離散信號源來使用,也可用于集成。此外,如用對分頻器的置數(shù)端進(jìn)行控制,可更加方便地實現(xiàn)頻率的調(diào)整。

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