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集成锁相环及其应用

2014-12-27 08:25| 编辑:电工学习网| 查看: 2001| 评论: 0

 电路功能是:实现相位锁定和相位控制—实现无频差的相位跟踪和频率跟踪。是一种消除频率误差的由相位反馈控制的闭环系统。
锁相环有模拟和数字锁相环,还有全数字锁相环,可以是硬件锁相环,也可以用软件实现。

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: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

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