【正文】 性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。當(dāng)VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。當(dāng)PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由此可見，從1腳輸出信號負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個輸入信號的情況了。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)，則1腳輸出高電平。在這兩種情況下，從1腳（相位輸出端，人鎖為高電平，失鎖為低電平）都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。對相位比較器Ⅱ而言，如果兩信號的頻率不同，當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時，相位比較器II的輸出端13為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時，在相位比較器Ⅱ的兩個輸人信號之間保持0176。圖36 比較器1的輸入輸出相位比較器Ⅱ是一個由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形（如圖36所示）可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90176。180176。比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸人端信號、的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號為高電平；反之，、電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），輸出為低電平。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。13腳相位比較器Ⅱ的輸出端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。16腳電源的負(fù)端和正端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。3腳比較信號輸入端。圖35是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各引腳功能如下： 1腳相位輸出端，環(huán)路入高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。7）輸出電壓經(jīng)過8253的另一個計數(shù)器，此計數(shù)器由單片機編寫的程序?qū)⑤敵鲭妷篘分頻并反饋至鑒相器和參考電壓進(jìn)行比較，循環(huán)此過程直到鎖相環(huán)入鎖。5）誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾除其中的高頻分量得到一個控制電壓。3）分頻后的合適鑒相器的脈沖作為參考頻率輸入鑒相器。整個頻率生成的過程為：1)單片機選用合適的晶振產(chǎn)生一個頻率較高的脈沖。頻率合成器的原理圖如下：圖（34）鎖相環(huán)頻率合成器原理其中的鎖相環(huán)部分采用集成鎖相環(huán)CD4046 外接環(huán)路濾波器。當(dāng)環(huán)路鎖定后鑒相器輸入的兩個信號的頻率相等，即，所以輸出信號的頻率為。本環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入的兩個信號的頻率相等，即所以輸出信號的頻率為，改變N的數(shù)值，就可以得到不同倍數(shù)的輸出頻率圖 32 鎖相倍頻電路（2）鎖相分頻器 在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入倍頻器，便可得到鎖相分頻電路，如圖（33)所示。（1）鎖相倍頻器 在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入分頻器，便可得到鎖相倍頻電路，如圖（32）所示。整個電路的設(shè)計思想如圖（28）所示圖31 信號發(fā)生器電路原理圖其中如何設(shè)計鎖相環(huán)頻率合成器是本次設(shè)計的關(guān)鍵，設(shè)計要求頻率是可變的，這就需要設(shè)計倍頻器或分頻器，通過單片機設(shè)計簡單的程序來實現(xiàn)。本文的重點是如何采用鎖相環(huán)產(chǎn)生頻率可調(diào)，相位穩(wěn)定的脈沖。單片機控制的鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生25600~256000hz，步進(jìn)值為64hz的方波脈沖信號，EPROM存儲器中存放一張正弦波形幅值表，臺階數(shù)為640，脈沖信號通過計數(shù)器產(chǎn)生循環(huán)地址，依次將EPROM中的二進(jìn)制幅值碼取出進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)過低通濾波后輸出平滑連續(xù)的正弦波【5】本次電路設(shè)計分為兩大部分，首先是頻率合成部分。 本章小結(jié)本章詳細(xì)的介紹了設(shè)計所采用的PLL技術(shù)的原理，結(jié)構(gòu)，各部分的數(shù)學(xué)模型，同時介紹了DDS的原理。DDS工作時，頻率控制字(FCWFrequency Control Words)K在每一個時鐘周期內(nèi)與相位累加器累加一次，得到的相位值(0~27r)在每一個時鐘周期內(nèi)以二進(jìn)制碼的形式去尋址正弦查詢表ROM，將相位信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字化正弦幅度值，ROM輸出的數(shù)字化波形序列再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)量化數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)變，最后DAC輸出的階梯序列波通過低通濾波器(LPF)平滑后得到一個純凈的正弦信號【6】。27 正弦輸出的DDS原理框圖正弦輸出的DDS原理框圖如圖（27）所示。在DDS中，這個過程被顛倒過來了。與大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術(shù)一樣，它的理論基礎(chǔ)仍然是Shannon抽樣定理，Shannon抽樣定理是任何模擬信號數(shù)字化的基礎(chǔ)，它描述的是一個帶限的模擬信號經(jīng)抽樣變成離散值后，可不可以由這些離散值恢復(fù)原始模擬信號的問題。正弦輸出DDS是實際應(yīng)用最廣的一類。 DDS的基本原理DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。得到環(huán)路線性相位模型為：圖26 環(huán)路線性相位模型從圖(26)，若從b點斷開，可得環(huán)路開環(huán)后的開環(huán)傳遞函數(shù)：=/=/=/=/式中，K=KdK0閉環(huán)傳遞函數(shù)，即環(huán)路閉合后的/=/=/[+ ]=/[1+]=/[+]閉環(huán)后誤差傳遞函數(shù)，即環(huán)路閉合后的/=/=[]/=1=1/[1+]=/[+]以上三式是根據(jù)單位反饋的基本鎖相環(huán)導(dǎo)出的開環(huán)傳遞函數(shù)、閉環(huán)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)。線性化的環(huán)路方程為：+=顯然，這是一個線性微分方程。這樣做，實際上就是把鑒相器的正弦特性用一條通過穩(wěn)定平衡點的直線來代替，其直線的斜率與鑒相特性穩(wěn)定平衡點的斜率相同。當(dāng)||1弧度時，可以近似上認(rèn)為=，特別是當(dāng)||，上述近似式的誤差將不會超過5%。假定環(huán)路已經(jīng)鎖定在輸入信號頻率上，即=（壓控振蕩器的頻率鎖定在輸入信號頻率上）。實際上，直流放大器，壓控振蕩器等也可能有非線性，但只要是適當(dāng)設(shè)計和使用，可以忽略它們的非線性，而認(rèn)為惟獨鑒相器是環(huán)內(nèi)固有非線性部件。顯然，對這樣一個非線性微分方程求解是很困難的?？梢婃i定與跟蹤狀態(tài)的概念不同，前者是對頻率和相位固定的輸入信號而言，后者是對頻率和相位變化的輸入信號而言的。為了分析問題的方便，假定=為一常數(shù)，則=（）=又稱為固有頻差，則方程p+=p可轉(zhuǎn)化為：p+=此式左邊第一項是瞬時相差對時間的導(dǎo)數(shù)，代表閉環(huán)后瞬時頻率，第二項是閉環(huán)后壓控振蕩器受控制電壓作用而產(chǎn)生的頻率變化ωvωo，稱為控制頻差。方程的右側(cè)是環(huán)路的輸入函數(shù)的微分，若=（ωiωo）t +θi（t）則對相位微分后的第一項是輸入信號與壓控振蕩器中心頻率之差，它不隨時間變化，稱為起始頻差。上式也可寫作： +=顯然，它是非線性微分方程，其階數(shù)取決于環(huán)路濾波器的。把輸出相位與控制電壓之間的關(guān)系寫成算子形式，即=/ 鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型將鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器三個基本部件的模型按鎖相環(huán)組成連接起來，可得：圖25 鎖相環(huán)路線性模型由圖（2—5）【2】可得：=/=/=/令=dt，則)=/dt另外，式中實際上就是線性化鑒相器的增益，因此，上式又可寫成微分形式：/dt+=/dt該方程把輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從環(huán)路閉合的那一瞬間起隨時間變化的情況描述的很完整。在此線性范圍內(nèi)，特性曲線可用下列方程表示：=+其中，是特性曲線的斜率，它表示在單位控制電壓作用下壓控振蕩器頻率變化的大小。如圖(22)：圖24 瞬時頻率ωv與控制電壓Vc之間的關(guān)系曲線由圖可以看出，當(dāng)不加控制電壓（即=0），振蕩器振蕩在固有頻率上。壓控振蕩器是頻率受控制電壓控制的振蕩器，它是一種電壓—頻率變換器。由于環(huán)路濾波器是一個線性電路，所以可用傳遞函數(shù)或傳輸算子進(jìn)行分析。這樣，鎖相環(huán)才能工作在最佳狀態(tài)。另外，環(huán)路濾波器還能幫助防止噪聲電壓干擾環(huán)路的正常工作，這是由于存儲在環(huán)路濾波器上的電容能幫助很快重新捕獲因噪聲尖峰或其他瞬態(tài)效應(yīng)而丟失的信號。由于各種雜散干擾信號在環(huán)路中所影響的位置不同，因此所表現(xiàn)的噪聲特性也有所不同，這樣在設(shè)計環(huán)路濾波器時就需要具體分析干擾來源，合理選擇濾波器參數(shù)，以獲得最佳的濾波性能用環(huán)路濾波器濾除相位比較器輸出誤差電壓中的高頻成分，起濾波平滑作用，并保證環(huán)路穩(wěn)定，改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。因此必須根據(jù)指標(biāo)要求選擇高性能的頻率合成器芯片和低噪聲的以及設(shè)計濾波特性良好的環(huán)路濾波器。具有相乘特性的器件很多，這里只給出乘法器作為鑒相器的一個通用數(shù)學(xué)模型，供分析環(huán)路使用。可以看出，當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出電壓是一直流電壓，并比例于這兩個輸入信號的相位差。用相位比較器對兩個輸入信號（即和）的相位進(jìn)行比較。作用于壓控振蕩器的結(jié)果是把它的輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號頻率，當(dāng)二者相等時，環(huán)路被鎖定，稱為入鎖。鎖相環(huán)原理圖如下：圖23 鎖相環(huán)原理圖鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它是用來鑒別輸入信號與輸出信號之間的相位差，并輸出誤差電壓。這種情況稱之為鎖定反之,兩者角頻率不相等，相位差不恒定，比如說，則比旋轉(zhuǎn)得慢一些,瞬時相位差[]將隨時間增大,(實際上是一個低通濾波器）后，作為控制電壓調(diào)整VCO的振蕩角頻率，使其增大，因而瞬時相位差也將減小。設(shè)旋轉(zhuǎn)矢量和分別表示鑒相器的輸入?yún)⒖夹盘柡蛪嚎卣袷幤鬏敵鲂牛鼈兊乃矔r角速度和瞬時角位移分別為，和，.顯然只有當(dāng)兩個旋轉(zhuǎn)矢量以相同角速度()旋轉(zhuǎn)時,它們之間的相位差才能保持恒定值。這就是鎖相環(huán)的基本原理。在閉環(huán)的條件下，如果由于某種原因使VCO的角頻率發(fā)生變化，設(shè)變動量為，那么，由式(22)可知，這兩個信號之間的相位差不再是恒定值，鑒相器輸出的電壓也就跟著發(fā)生改變。根據(jù)上面概念可知，鎖相環(huán)路在鎖定后，兩個信號頻率相等，但二者之間存在著恒定的相位差（穩(wěn)態(tài)相位差）。從以上的簡單分析可以得到關(guān)于鎖相環(huán)的重要概念：當(dāng)兩個振蕩信號頻率相等時，則它們之間的相位差保持不變。由上面的討論已知，加到鑒相器的兩個振蕩信號的頻率差為：此時的順勢相位差為：可分成兩種情況來討論：1） 若，則，由式（2）得： （23）由此可知，當(dāng)兩個振蕩器頻率相等式，他們的順勢相位差是個常數(shù)。這樣，VCO的輸出頻率穩(wěn)定度即由參考晶體振蕩器決定，這時我們稱環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。當(dāng)壓控振的頻率由于某種原因而發(fā)生變化時，必然相應(yīng)的產(chǎn)生相位變化。對設(shè)計的整體概念做個闡述。本次設(shè)計采用DDS原理合成正弦波。時鐘頻率給定后，輸出信號的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。按環(huán)路組成部件分:（1）模擬鎖相環(huán)路 環(huán)路部件全部采用模擬電路；（2）取樣鎖相環(huán)路 采用取樣保持鑒相器的鎖相環(huán)路；（3）數(shù)字鎖相環(huán)路 環(huán)路部件部分或全部采用數(shù)字電路；（4）集成鎖相環(huán)路 全部環(huán)路部件全部做在一片單塊集成電路中。目前鎖相技術(shù)已經(jīng)形成一門比較系統(tǒng)的理論科學(xué)，它的應(yīng)用遍及整個無線電領(lǐng)域，總結(jié)起來，最主要的應(yīng)用范圍概括起來有以下十大方面:（1）頻率合成與頻率變換；（2）自動頻率調(diào)諧跟蹤；（3）模擬和數(shù)字信號相干解調(diào)；（4）AM波的同步檢波；（5）數(shù)字通信中的位同步提取；（6）鎖相穩(wěn)頻、信頻和分頻；（7）鎖相測速與測距；（8）鎖相FM（PM）調(diào)制與解調(diào)；（9）微波鎖相頻率源；（10）微波鎖相功率放大。這樣，將環(huán)路設(shè)計成窄帶，就可把淹沒在噪聲中的微弱信號提取出來，而環(huán)路用于解調(diào)、調(diào)頻、調(diào)相信號，可取得門限擴展的效果，用于解調(diào)移相鍵（PSK)與移頻鍵控（FSK)等數(shù)字調(diào)制信號，可使誤碼率降低。（3）低門限特性 鎖相環(huán)不像一般的非線性器件那樣，門限取決于輸入信噪比，而是由環(huán)路信噪比決定。（2）調(diào)制跟蹤特性 所謂調(diào)制跟蹤特性，即讓環(huán)路有適當(dāng)寬度的低頻通帶，使壓控振蕩器輸出信號的頻率或相位跟蹤輸入調(diào)頻或調(diào)相信號的頻率與相位變化。由于環(huán)路輸出的是壓控振蕩器的信號，它是弱載波成分的頻率與相位的真實復(fù)制品，其強度比輸入載波成分要大得多。普通的帶通濾波器無法跟蹤，因此它的通頻帶寬度必須計及頻率漂移范圍。在高載頻上，用鎖相環(huán)路可將通帶做到1Hz或幾Hz那樣窄，這是普通濾波器難以實現(xiàn)的。（1）載波跟蹤特性 無論輸入鎖相環(huán)路的信號是己調(diào)制或未調(diào)制的，只要信號包含著載波頻率成分，就可將鎖相環(huán)路設(shè)計成一個窄帶跟蹤濾波器，跟蹤輸入信號載波成分的頻率與相位變化，環(huán)路輸出信號就是需要提取(或復(fù)制)的載波信號，這種特性稱為環(huán)路的載波跟蹤特性。鎖相集成電路由于性能優(yōu)良，價格便宜，使用方便，正在為許多電子設(shè)備所應(yīng)用。目前，除某些特殊用途的鎖相環(huán)路外，幾乎全部集成化了，并產(chǎn)生出數(shù)百個品種。為了便于調(diào)整，降低成本和提高可靠性，在各種電子設(shè)備中發(fā)揮更好的作用，迫切要求能集成化、數(shù)字化、小型化和通用化。目前，鎖相技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)幾乎遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域，從空間探測，衛(wèi)星與導(dǎo)彈的跟蹤測距、雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、計算機、激光到電訊儀表，以及近年來一些工業(yè)生產(chǎn)部門，冶金、水文地質(zhì)、電力、機械加工、生產(chǎn)自動化和家用電器等方面都廣泛的使用鎖相技術(shù)，完成諸如頻率合成、窄帶濾波、相干解調(diào)、自動頻率控制、位同步、自動調(diào)諧、作微波固態(tài)頻率源與功率放大器，標(biāo)準(zhǔn)頻率源，測距與測速等多種功能。鎖相環(huán)路在頻率合成里的應(yīng)用，僅僅是它在電子技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的一個方面。因而，當(dāng)前鎖相環(huán)的設(shè)計關(guān)鍵集中在高速、低電壓、低噪聲方面。鎖相環(huán)的研究一直是學(xué)術(shù)界的一個研究重點，由于條件所限，國內(nèi)對于鎖相環(huán)的研究主要停留在理論方面，高性能鎖相環(huán)的產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。如今，PLL主要應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、彩色電視機色幅載波提取、雷達(dá)、FM立體聲解碼等各個領(lǐng)域。由于技術(shù)上的復(fù)雜性和較高的生產(chǎn)成本，早期PLL的應(yīng)用領(lǐng)域主要是在航天、精密測量儀