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一种用锁相环MC14046构成的新型频率合成器 |
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| 一种用锁相环MC14046构成的新型频率合成器 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:57:01  |
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张 微，柳 梁
浙江省电力职工大学，浙江杭州 310015
锁相环是一种很有效的信号处理技术，它能严格跟踪相干信号频率。利用锁相环构成的频率合成器，它能用一个高稳定的频率基准信号（石英晶振），来产生一系列同样稳定的频率信号。这种技术主要用于通信电子学，如今也广泛应用于测量中。例如，具有N倍（32或64）分频器的频率合成器，可以精确地按时间分割一个重复波形，以适合于计算机进行编码，对于数字信号处理来说，这远比不成比例的采样要好得多。本文将介绍一种用锁相环构成的新型频率合成器，该频率合成器可获得50～400kHz频段内，间隔为4kHz的任何一种频率信号。
1 数字锁相环MC14046的结构与特点
1．1 MC14046的特点
MC14046是莫托洛拉公司生产的锁相环电路，它内部包含相位比较器、压控振荡器（VCO）及其它辅助电路，可用于频率合成器、鉴频器、FM或FSK调制与解调器等，是一种通用性较强的集成电路。电路的基本特性为：
（1）内含两个相位比较器，有三种输出形式。
（2）提供内部的压控振荡器，其振荡频率取决于输入电压VCOr和外接电阻R1、R2，外接电容Cr。
（3）最高振荡频率（VDD＝10V，R1＝5K，R2＝∞）为1．4MHz。
（4）VCO线性度为1％，温度稳定性为0．04％。
（5）电源（VDD）：3～18V。
（6）工艺：CMOS
1．2 MC14046引出端功能说明
MC14046的引脚图和功能框图如图1所示。
引出端功能说明：
VCOr—压控振荡器的输入信号。在锁相环电路中，通常VCOI来自相位差低通滤波输出，以平均电压控制VCO的振荡频率。其输出直接（或经分频）作为参考信号加到相位比较器。
VCOo—压控振荡器输出。
SFo—源极跟随器输出。
INH—控制信号输入，若INH＝L，允许VCO工作和源极跟随器输出。
若INH＝H，则相反，电路处于降功耗状态。
R1、R2—外接电阻至地，分别控制VCO的最高和最低振荡频率。CIA、CIB—外接电容端，接于6脚和7脚的电容，控制VCO的振荡频率。
PD11、PD12—两个相位比较器输入信号，通常PD12为来自VCO的参考信号；PD11输入允许将0．1V左右的小信号或方波经内部放大整形电路送至相位比较器。
PD01—相位比较器1输出的相位差信号，它采用异或门结构，鉴相特性为PD01=PD11⊕PD12.
PD02—相位比较器2输出的三态相位差信号，它采用PD11、PD12上升沿为有效控制逻辑信号。
PD03——相位比较器2输出的相位差信号，也采用上升沿为有效控制逻辑信号。
Vz——内部独立的齐纳稳压二极管负极，其稳压值Vz≈5～18V，若与TTL电路匹配时，可作为辅助电源。
VDD——正电源，通常接＋5V、＋10V或＋15V。
GND——地。
2 新型频率合成器的工作原理
采用锁相环组成频率合成器是锁相环的一个重要应用。频率合成器是利用一个高稳定晶体振荡器产生一系列频率的信号。它们与石英晶体振荡有相同的频率稳定度。图2所示为采用锁相环路构成的频率合成器原理方框图。石英晶体振荡器用来产生一标准的基准信号源。设其频率为fR，经固定分频器M进行M分频后，得参考频率fi。显然
它被送到锁相环的相位比较器的一输入端上，而锁相环中压控振荡器VCO输出信号频率为fo，经可预置分频器N分频后也加到相位比较器的另一输入端。上述两信号经相位比较器比较后，输出一个误差电压Ve（t），此电压的大小取决于两个输入信号的频率误差。若f1＝fo／N，误差电压Ve（t）＝0；（f1－fo／N）大，输出误差电压Ve（t）就高；（f1－fo／N）小，输出误差电压Ve（t）就低。因此通过相位比较电路来检测两个输入信号相位（即频率）的误差，误差信号Ve（t）通过低通滤波器送入压控振荡器VCO。它的作用使fo／N的信号朝着趋近f1方向改变其频率，不断地减少误差信号Ve（t）。
当环路锁定时，有：
由于输出信号频率为锁相环输入信号频率的N倍，故环路实际上完成了锁相倍频的功能，改变N就可以得到不同频率的信号输出。
由RC组成的低通滤波器的作用是：
（1）增加输出频率信号fo抗干扰能力；因为fo＝Nf1，保证在锁定频率范围不因干扰而造成失锁。
（2）增加频率响应时间，但若要保证捕捉频率迅速，延时不能太大，这样时间常数τ＝RC不能太大；若要抗干扰性能好，工作稳定，τ不能太小。因此选择合适的R、C是非常重要的，否则会导致工作不能稳定。
3 新型频率合成器应用概况
图3为这种采用锁相环MC14046构成频率合成器的电路图。
晶体振荡产生一高频（4096KHz），MC14060为12位二进制串行计数器／分频器，内部带有振荡，用作固定分频器M，取M＝212＝4096，所以f1＝4096／212＝1kHz，1kHz输入信号加到MC14046锁相环中的相位比较器2的一个输入端（14脚）。CD4522为可预置十进制同步1／N减计数器，三片CD4522构成可预置分频器，输出信号fo（MC14046的4脚输出）经可预置分频器分频后加到MC14046中相位比较器2的另一个输入端（3脚），与fi进行相位比较，产生反映两个信号相位差的误差信号Ve（t），经低通滤波器（由R18、C9构成），送回到MC14046中的压控振荡器（9脚），压控振荡器的作用使可预置分频器送来的信号fo／（50＋4n）kHz，朝着1kHz方向改变其频率。锁定后压控振荡器输出频率（即频率合成器输出频率）：
输出信号频率由开关DS3、DS2、DS1以百、十、个位BCD码加权方法预置实现。如“1”表示开关闭合，“0”表示开关断开。
开关开闭方法见下表：
改变可预置分频器的开关状态，就可获得50～400kHz频段内，间隔为4kHz的任何一种频率信号。该频率合成器的主要技术指标如下：
（1）输出方波
输出频率fo＝（50＋4n）kHz，n＝0，1，2，……87共88种。
幅值15V±0．5V／高阻。
（2）频率稳定度：0～45℃内，Δf≤30Hz。
（3）频率准确度：Δf≤±5Hz。
（4）电源：＋15V。
该电路用于电力系统线路微机保护集成电路收发信机中、它具有调试方便，性能稳定等多种优点，实际应用效果非常好。
参考文献：
［1］杨为理．现代通讯集成电路应用技术手册［Z］．北京：电子工业出版社，1995．
［2］宋春荣．通用集成电路速查手册［Z］．济南：山东科学技术出版社，1995．
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