引言鎖相環(huán)路（PLL）是一種能跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它在無線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。最初，DeBellescize于1932年提出同步檢波理論，首次公開發(fā)表了對鎖相環(huán)路的描述，但并未引起普遍的重視。直至1947年，鎖相環(huán)路才第一次應(yīng)用于電視接收機(jī)水平和垂直掃描的同步。從此，鎖相環(huán)路開始得到了應(yīng)用。由于技術(shù)上的復(fù)雜性以及較高的成本，應(yīng)用鎖相環(huán)路的領(lǐng)域主要在航天方面，包括軌道衛(wèi)星的測速定軌和深空探測等。性能要求較高的精密測量儀器和通信設(shè)備有時(shí)也用到它。到70年代，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、通用單片集成鎖相環(huán)路以及多種專用集成鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路逐漸變成了一個(gè)成本低、使用簡便的多功能主件，這就為鎖相技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。至今，普遍應(yīng)用鎖相技術(shù)的主要有調(diào)制解調(diào)、頻率合成、電視機(jī)彩色副載波提取、FM立體聲解碼等等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)出現(xiàn)了各種數(shù)字鎖相環(huán)路，它們在數(shù)字信號傳輸?shù)妮d波同步、位同步、相位解調(diào)等方面發(fā)揮了重要的作用。鎖相環(huán)路所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，是由其獨(dú)特的優(yōu)良性能所決定的。它具有載波跟蹤特性，作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲之中的信號；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可作提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源；可進(jìn)行高精度的相位與頻率測量等等。它具有調(diào)制跟蹤特性，可制成高性能的調(diào)制器解調(diào)器。它具有低門限特性，可大大改善模擬信號和數(shù)字信號的解調(diào)質(zhì)量。1鎖相環(huán)的基本知識1.1鎖相環(huán)的原理鎖相環(huán)就是自動控制完成同步。能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電信號相位同步的自動控制系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)路，簡稱鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是一個(gè)系統(tǒng)跟蹤另一個(gè)系統(tǒng)的裝置，更精確的說，就是一個(gè)系統(tǒng)中由振蕩器產(chǎn)生的輸出信號在頻率和相位上與參考信號或輸入信號同步。當(dāng)輸入信號和環(huán)路的輸出信號存在相位差的時(shí)，在鎖相環(huán)控制機(jī)構(gòu)的控制下，VCO的輸出信號和PD的輸入信號的相差減至最小。因此，在這個(gè)控制系統(tǒng)中，輸出信號相位其實(shí)是鎖定到參考信號或輸入信號的相位上的。故此稱為鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是一個(gè)行為自動跟蹤系統(tǒng)因而當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，不存在輸入信號和輸出信號的頻率差，只存在如前所說的最小相位差。圖1所示為最基本的鎖相環(huán)(PLL)方框圖。PLL包括三個(gè)基本部件：鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF、壓控振蕩器VCO。圖1-1鑒相器是相對比較裝置，他將輸入信號u2(t)和參考信號u血)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個(gè)信號的相位差0°的誤差電壓ud⑴。環(huán)路濾波器的作用是濾除U(t)中的高頻成分和噪音，以保證環(huán)路的性能，增加環(huán)路的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓u⑴的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，也就e(t)是是差拍頻率越來越低，直到消除頻差而鎖定。不同類型的鎖相環(huán)，性能差異較大。大多數(shù)鎖相環(huán)系統(tǒng)使用VCO很相似。LF一般分為RC積分濾波器、RC比例積分濾波器和有源濾波器。LF類型不同，環(huán)路特性也有差異。1.1.1鑒相器PD有線性和數(shù)字兩種類型。線性為模擬比較型：數(shù)字型為邏輯電路，例如與異門鑒相器。PD是PLL中很關(guān)鍵的一個(gè)部件，主要指標(biāo)有：鑒相特性、鑒相增益Kd和工作頻率及輸出阻抗。模擬鑒相器：PD的鑒相器特有正弦型、三角形和鋸齒形等等多種。PD可以看做一個(gè)乘法器。假設(shè)鑒相器的輸入信號和輸出信號的順勢值是互為正交的正弦波信號，并且具有相同的頻率①1:u(t)=Usin(wt+0)u(t)=Ucos(wt+0)則PD輸出信號ud(t)為：u(t)=Ku(t)u(t)=KmUiU2KUU[sin(0—0)+sin(2wt+0+0)]d m1 2 2m12 1 2 1 1 2式中：U1、U2分別為u1(t)和u2(t)的幅度；01、02分別為u1(t)和u2(t)的初相位；Km為PD自身的增益系數(shù)。上式揭示了ud(t)是交流和直流成分的疊加。交流成分幾乎完全被LF濾掉，因此只考慮直流或者ud(t)的平均成分，上式變?yōu)椋簎(t)=Ksin(0—0)=Ksin0d d1 2de式中：Kd表示鑒相器的鑒相增益，單位為V/rad；0e=01—02表示兩個(gè)信號的相位差。對于在鑒相器中輸出信號漏入輸入信號的現(xiàn)象。泄露增加了LF的負(fù)擔(dān)，同時(shí)因?yàn)長F濾除能力的限制，使得VCO輸出信號變成了輸入的調(diào)制信號，降低了輸出信號的頻譜純度、增大了輸出信號的相位抖動。鑒相器的工作頻率決定了鎖相環(huán)能工作的最高輸入頻率。這種鑒相器可以在很低的頻率下工作，同時(shí)，不采用變壓器，輸出電壓較大，并且有良好的溫度特性，應(yīng)用十分廣泛。數(shù)字鑒相器：由數(shù)字電路組成的鑒相器叫數(shù)字鑒相器。主要由門電路和觸發(fā)器構(gòu)成。TTL、CMOS集成電路中的與門、與非門、或門、或非門、同或門、異或門、D觸發(fā)器以及RS觸發(fā)器等都可以直接用作數(shù)字鑒相器。單片PLL集成電路CD4046中有2個(gè)數(shù)字鑒相器；異或門鑒相器PD1和邊沿觸發(fā)型鑒相器PD2。PD1：異或門鑒相器。下圖是異或門鑒相器的鑒相特性：圖1-2由圖可見，異或門鑒相器具有三角形鑒相特性，其鑒相增益為Kd=土Vdm/兀圖1-3PD2:觸發(fā)式鑒相器。鑒相特性見下圖：nd（十）nd（十）豎頻區(qū)域 鑒相區(qū)域 簽頻區(qū)域圖1-3如圖所示，用兩個(gè)輸入脈沖信號去觸發(fā)一個(gè)觸發(fā)器，觸發(fā)器的輸出脈寬代表了兩個(gè)輸入脈沖相位差的信息。觸發(fā)器輸出脈沖濾波后呈直流，直流大小就代表了兩個(gè)脈沖的相位差。1.1.2環(huán)路濾波器LF的作用如前所述，常見的LF有三種，其徹底函數(shù)以及頻率特性如下:1、RC積分濾波器傳遞函數(shù)為：s二二^1V(S)R+1/SCSt+1式中：，=RC為濾波時(shí)間常數(shù)。將S=加代人上式得到頻率響應(yīng)為:^1^1(jw)=1(jw)+12、無源比例濾波器傳遞函數(shù)為：F(S)=V(S)=R2+1/SC= St2+12 —v'(S)—R+R+1/S^S(t+t)+1d 1 2 1 2式中：t1=R1Ct2=R2C頻率響應(yīng)為：海+1F2(jW)=jw(T+T)+11 2

3、有源濾波器傳遞函數(shù)為:V3、有源濾波器傳遞函數(shù)為:V(S)

yj^-A(St+1)

2

S[t+(1+A)t]+1式中：t1=RCt2=R2C頻率響應(yīng)為：-A(jwi+1)

□ 2jw[T+(1+A)T]+1相比而言，有源濾波器有突出的優(yōu)點(diǎn)：（1） 對直流輸入有A倍放大；（2） 當(dāng)A>>1時(shí)，有源比例濾波器為理想環(huán)路濾波器。1.1.3壓控振蕩器壓控制振蕩器（VCO），是輸出信號頻率隨輸入控制電壓變化的振蕩器。1、 VCO的技術(shù)要求（1） 中心頻率及頻率變化范圍（2） 頻率穩(wěn)定度（3） 相位噪聲（4） 壓控線性度（5） 壓控靈敏度控制壓控頻率的變化，通?？梢裕海?） 改變振蕩器的元件參數(shù)（2） 改變振蕩器的器件參數(shù)（3） 改變定時(shí)元件的參數(shù)2、 VCO的數(shù)學(xué)模型VCO是一個(gè)電壓一頻率變換裝置。在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓u（t）線性變化，其變換關(guān)系為：w（t）=w+Ku（t）式中：?r（t）是受控后的瞬時(shí)角頻率；K0為壓控靈敏度。下圖示出了VCO的控制特性曲線，實(shí)線為實(shí)際控制特性。可見，在以30為中心的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，兩者是吻合的。在分析環(huán)路時(shí)看作線性部件。在實(shí)用的壓控振蕩器的控制特性K0中，大部分K0為正值，但也有少數(shù)為負(fù)值，在使用

時(shí)一定要主要和PD的特性合理匹配，否則無法構(gòu)成相位負(fù)反饋系統(tǒng)。對VCO,有：de(de(t)

dt=Ku(t)e（t）=jtKu（td=Ku（t）/P2 0 0c 0c轉(zhuǎn)化成S域則有：e⑴=K^S!2S環(huán)路輸出的相位實(shí)際上是輸入控制電壓對時(shí)間的積分，所以VCO是個(gè)理想的積分環(huán)節(jié)。其控制電壓一輸出頻率（uc-?。）特性曲線如下：圖1-4圖1-41.2CD4046的工作原理過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V-18V）,輸入阻抗高（約100MQ），動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600UW，屬微功耗器件。下圖是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各引腳功能如下：CD4046圖1-51腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)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(shí)禁止，低電平時(shí)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(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。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(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。圖1-6是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較1、11、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。訝一齊納和壓管圖1-6比較器I是一個(gè)或門，產(chǎn)生相位差信號（相位比較器1輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持90°相移不變。只要輸入信號和比較信號（占空比都為50%）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率，這也是鎖相環(huán)鎖相的本質(zhì)。輸入和輸出信號的波形如圖1-7所示。A1輸入比較I ―LJ—L比段器工輸出「IFlFlHVC口輸入圖1-7相位比較器II是邊緣觸發(fā)的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生相位差信號（相位比較器2輸出）和鎖定信號（相位脈沖輸出），并在壓控振蕩器的輸出信號中心頻率處保持0°相移不變。只要輸入信號和比較信號（與占空比無關(guān)）的相位差保持恒定，壓控振蕩器輸出信號的中心頻率就跟蹤輸入信號的頻率。波形如圖1-8所示。A1輸-1IJ__TOC\o"1-5"\h\z比簸器工輸入I I ' i皿U U比苗新工 □ n技腳輸出—1 u—帖口輸入—, 、—圖1-8壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生的信號從VCOOUT輸出，振蕩頻率由壓控振蕩器輸入信號（VCOIN）和6、7管腳間的電容和11、12管腳上接的電阻共同確定，當(dāng)外圍參數(shù)確定后，振蕩頻率的大小與壓控振蕩器輸入信號成線性關(guān)系。源極跟隨器通過外接10kQ以上的電阻接地。當(dāng)INHIBIT輸入端信號為高電平時(shí)，就會屏蔽壓控振蕩器和源極跟隨器來減小功耗。齊納二極管主要起穩(wěn)壓作用。4046有以下主要特點(diǎn)：（1） 較寬的電源電壓范圍（3.0?18V）；（2） 低功耗（70四A）；（3） 振蕩頻率高且穩(wěn)定（1.3MHz）；（4） 頻率溫度漂移??；（5） VCO輸出線性好（＜1%）。2鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)2.1時(shí)鐘提取鎖相環(huán)由鎖相環(huán)原理及CD4046芯片工作原理，采用CD4046和74LS04共同組成。其中74LS04功能是為提高4046的負(fù)載能力。由實(shí)驗(yàn)電路圖確定參數(shù)。

——inputC>C1L-kt>1>C210k?12DpF.■■R1■ Wv???43Gk-?.J]UE'”2——inputC>C1L-kt>1>C210k?12DpF.■■R1■ Wv???43Gk-?.J]UE'”2工R5 I—■ ■仍業(yè)■ ■I ——__I--20k --】TE.：：m??——COMPINVCOINPPFC1QUTSI&INPC20UTCX1VCDQU1INHR1DEMODR2ZENER￡mas..-HLONDU￡C V￡C圖2—1實(shí)驗(yàn)原理圖2.2仿真設(shè)計(jì)在ISIS7Professional軟件上輸入如圖2—2.1的原理圖，仿真看其波形，:V'皿:V'皿G，■UKSC.圖2—2.1仿真原理圖圖2—2.2波形仿真圖3電路板的測試3.1芯片功能測試首先接好線路，將示波器接到實(shí)驗(yàn)板上，接入5V電壓，示波器1通道接輸出（移相出），2通道用探針測量CD4046的4腳（VCO出）、9腳（VCO入）、LF出。測出數(shù)據(jù)有VCO出為方波，波形如實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙，Vpp=4.9V；移相出和VCO出同步，頻率稍小，為4.8V；LF出為2.10V，波形在高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)雜音;VCO入也為2.10V，高低電平轉(zhuǎn)折無明顯雜音。測量數(shù)據(jù)如附上的實(shí)驗(yàn)紙。由芯片理論上說補(bǔ)償電壓為1.65到2.2V。VCO入為2.1V，符合芯片理論，所以VCO工作在正常狀態(tài)下。3.2捕獲范圍和同步范圍測試測量數(shù)據(jù)表：（輸入匕,_尸2同步范圍測試（由鎖住到失鎖）次數(shù)同步范圍上限（kHz）同步范圍下限（kHz）同步值（kHz）同步平均值（kHz）1378.84237.10141.74141.772378.88237.09141.793378.86237.09141.77由表有同步帶有：Aoh,=|x141.77=70.89kHz

捕獲范圍測試（由失鎖到鎖?。┐螖?shù)捕獲范圍上限（kHz）捕獲范圍下限（kHz）捕獲值（kHz）捕獲平均值（kHz）1378.01237.09140.92140.912378.00237.09140.913377.98237.09140.89同理捕獲帶為： Aop'=2x140.99=70.50kHz3.3誤差分析所以有:U7)所以有:U7)p3NOUTPUT圖3-1C1=（R3+R4）C2T2=R4C22f=1迫C兀T1由于R4為可調(diào)電阻，設(shè)R4很小，所以有：2fc=74.06kHz由CD4046理論值VCO輸出頻率計(jì)算公式有:fmm=R2（C：32pF）fmax= +f.R1（C1+32pF） minAf=fmax-fmin=2f=2兀頌=16x104Hz/V0VDD-2而對鑒相器2有： kd=VDD/4兀=5V/4兀=0.40K=k0kd=6.4x104Hz所以，同步帶為： Aoh=K=KK=6.4x104Hz=64kHz

同步范圍應(yīng)為:2同步范圍應(yīng)為:2xAoh=128kHz同理，捕獲帶為： A①=2底E=055kHz捕獲范圍為： 2xA①=2M/2]=1.1kHz以上計(jì)算均在環(huán)路濾波器可調(diào)電阻R4=0的情況下得出。同步帶的誤差為：AEh=[(Ao,—Ao,)|/Ao,x100%=11%捕獲帶的誤差由于在測量中，芯片還沒到理論的捕獲帶就已經(jīng)被芯片所捕獲，所以造成了實(shí)際值于理論值相差巨大的現(xiàn)象。4小結(jié)此次設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和自己定的指標(biāo)可求出此設(shè)計(jì)為二階高通濾波器，以及確定濾波器的Q、R、C的數(shù)值，計(jì)算好了Q、R、C的值后，在EWB軟件進(jìn)行仿真可得出要求的波特圖與波形圖。然后才開始做PCB圖。PCB的制作中注意部分是原理圖的封裝與PCB的布線。在本課程設(shè)計(jì)的濾波器的設(shè)計(jì)過程中，需要注意的是電阻的標(biāo)稱值盡量接近設(shè)計(jì)值；在測試過程中，若板子沒出波形，應(yīng)該先找下是電路的問題還是板子制作上的問題，或者是原件的問題，不用盲目的從做。還有要是改參數(shù)的時(shí)候應(yīng)該要注意原來計(jì)算的數(shù)值也會隨著改變。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，通過查閱多種資料，也對除高通外的低通、帶通、帶阻等最基本的RC有源濾波器有了更進(jìn)一步的了解，對濾波器的設(shè)計(jì)方法與性能參數(shù)的測試有所了解、掌握。謝辭大學(xué)期間的第二次課設(shè)，所做的東西是以前通信原理實(shí)驗(yàn)所做過的模塊，參數(shù)電路圖都有，原以為會很輕松，但事實(shí)上卻不是這樣的感謝學(xué)院給我們提供這樣的實(shí)踐動手機(jī)會。還要感謝我們學(xué)院科協(xié)和應(yīng)科科協(xié)在我們做板打孔腐蝕中所給我們的支持。由于是第一次做課設(shè)，許多細(xì)節(jié)上的都沒注意好。在此，特別要感謝老師給予的耐心指導(dǎo)，也感謝課程設(shè)計(jì)的過程