基于锁相技术的高精度频率源

基于锁相技术的高精度频率源

张宏1 堵会晓2

摘要：锁相环简称PLL，锁相环电路在现代通信电路中得到了广泛的应用，由它可以设计成高精度频率源。

关键词： 锁相环 组成原理 频率源

引言

频率源在电子技术中的地位十分重要，主要为测试电路时提供一个或多个测试信号，某些场合对电源频率要求高的，利用锁相环技术可以实现高精度频率源。 一、锁相环路的基本组成 、锁相环路的组成

锁相环简称PLL，是英语Phase Lock Loop的缩写。所谓锁相，就是实现相位同步的自动控制。完成两个信号相位同步自动控制的环路称为锁相环，锁相环路框图如图1所示。它由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，环路滤波器是低通滤波器。图中ui(t)是角频率为ωi的锁相环路输入电压，一般由石英晶体振荡电路产生，具有较高的频率稳定性。u0(t)是锁相环路（即压控振荡电路）的输出电压，角频率为ω0，uD(t)是鉴相器的输出电压，uC(t)是环路滤波器的输出电压。

u0(t) uC(t) ui(t) uD(t)

鉴相器 环路滤波器 压控振荡器 u0(t)

图1 锁相环路组成框图

锁相环路各单元部分的功能

1、鉴相器功能

鉴相器的两个输入信号ui(t)和u0(t)，初始相位为零时他们分别等于uitvisinit和

uotvosinot。鉴相器可由乘法器组成，这时鉴相器输出信号uD(t)正比于这两个输入

信号的乘积，即

uD(t)KdViV0SinitCos0t （1）

式中Kd是乘法器电路引入的比例系数。

鉴相器的基本功能是：其输出电压uC(t)正比于两个输入信号的相位差。对于乘法器组成的鉴相器，这一比例关系是近似的，而且已经考虑了低通滤波器的作用。对于理想的鉴相器，上述近似关系将成为精确的正比关系。

2、环路滤波器的作用

从前面的分析已经指出，环路滤波器是低通滤波器，它在锁相环路中的作用是滤除电压uD(t)中的高频成分，改善控制电压的频谱纯度，提高系统的稳定性。

3、压控振荡器功能

压控振荡器是输出信号频率受输入电压控制的振荡器，理想压控振荡器的输出频率与输入电压有线性关系

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0(t)rA0uC(t) (2)

可见输出相位受压控振荡器输入电压控制，且正比于控制电压的对时间的积分，。 锁相环路的工作原理

1、锁相环路的基本方程

综合上述单元电路功能的分析，可以用图2来表示锁相环路的相位传输关系。从相位传输的角度看，鉴相器是相位加减法，输入相位φi(t)和输出相位φ0(t)作用于鉴相器后输出相位差φe(t)= φi(t)－φ0(t)，并形成与相位差成正比的输出电压，经滤波器滤除高频成分后即为控制压控振荡器的电压uC(t)。控制电压uC(t)使压控振荡器的输出频率发生变化，决定输出相位φ0(t)，于是形成了闭环。

鉴相器 φ0(t) φi(t) + φe(t) uC(t) 环路滤波器 压控振荡器

－ φ0(t)

图2 锁相环的相位传输关系

图2所示的相位关系，可以用下面的方程式来表示：

te(t)i(t)0(t)i(t)A0uC()d0 （3）

两边对求导，可得

de(t)di(t)d0(t)di(t)A0uC(t)dtdtdtdt （4）

可以看出左边即为瞬时角频率差（简称瞬时频差），右边第一项为输入固有角频率差（简

称输入固有频差），右边第二项是控制角频率差（简称控制频差）。

一般情况下可将式（4）表示为

瞬时频差=输入固有频差－控制频差 （5） 这一方程是锁相环路的基本方程。 二 锁相环典型的应用

利用锁相环可以实现高精度的频率信号源，CD4046是一种低频低功耗的通用锁相环芯片，CD4046组成的频率合成器电路如图3所示。该频率合成器能输出频率100Hz～10kHz，步进间隔100Hz的高精度的频率信号。

1、电路元件参数选择

CD4046最高工作频率决定C1和R1，为保证获得的输出频率，取C1=50pF、R1=10kΩ，这时，电源电压取5V，压控振荡器最高工作频率，电源电压取10V时，最高工作频率可达，确定选用5V电源已符合要求。滤波电路参数R2=Ω、R3=Ω、C2=1μF。

2、工作原理

石英晶体振荡电路产生稳定的1000kHz振荡，经1/1000分频后形成100Hz的振荡。由于来自石英晶体产生的振荡，因此具有很高的稳定度。图3所示的频率合成器电路中，虚线框内的是1/N可编程计数器，N的数值由单片机控制。根据锁相环的基本性质一，锁定后，从可编程计数器输出进入鉴相器比较信号输入端（3脚）的频率等于f0/N，f0为锁相环输出信号频率。N从1～99之间变化时，输出频率从100Hz～10kHz之间变化，步进间距100Hz。于是就得到了高精度的稳定频率输出。

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+5V 16 1/1000计数器 fr 14 3 100kHz 晶体振荡器 8 5 CD4046 4 6 C1 7 13 R2 9 R3 C2 f0 高精度频率 信号输出 R1 f0 f0/N 11 1 3 15 9 7 13 5V 3 1 15 9 7 13 PE Q4 Q3 Q2 Q1 CF 12 6 “0” IC2 CC14526 CL 4 inh R A1 B1 C1 D1 10 5 11 14 2 PE Q4 Q3 Q2 Q1 CF 6 12 “0” IC1 CC14526 CL 4 inh R A1 B1 C1 D1 10 5 11 14 2 可编程1/N计数器 单片机AT89C2051 图3 步进间隔100Hz的高精度频率源

3、可编程计数器

可编程1/N计数器由单片机和两片可预置数十进制减法计数器CC14526组成，两片CC14526接成二级可预置分频器。来自锁相环输出端的f0从IC1的计数信号输入端CL输入进行减法计数。A1、A2、A3、A4为预置数输入端，图中将其接单片机的P1口，由单片机软件确定预置数值。CL端每输入一个脉冲，被预置的数值减1，当两个计数器芯片都减至0时，IC1的“0”端输出正脉冲，于是实现了1/N计数，而预置数值N由单片机给定，因而实现了可编程1/N计数。

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