鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的自動(dòng)相位控制電路，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PLL。由于鎖相環(huán)具有鎖定后無(wú)頻差的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。

用鎖相環(huán)CD4046實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量----集成鎖相環(huán)CD4046

過(guò)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)，因?yàn)榧涉i相環(huán)性能優(yōu)良、價(jià)格便宜、使用方便，因而獲得廣泛的應(yīng)用。應(yīng)該指出，集成鎖相環(huán)往往不含環(huán)路濾波器，因此使用時(shí)必須外接不同的R、C元件，構(gòu)成環(huán)路濾波器，使鎖相環(huán)具有不同的性能，以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。集成鎖相環(huán)CD4046就是其中的一種。

CD4046的特點(diǎn)

鎖相環(huán)CD4046是一種通用的CMOS數(shù)字鎖相環(huán)［2，3］。最高工作頻率約1MHz。電源電壓范圍寬（為3~8V），輸入阻抗高（約100MΩ），動(dòng)態(tài)功耗極低，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。

CD4046的引腳功能

CD4046采用16腳雙列直插式，其引腳排列如圖下所示。

各引腳功能如下：

CD4046的引腳排列

1腳：相位輸出端，環(huán)路入鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。

2腳：鑒相器Ⅰ的輸出端。

3腳：比較信號(hào)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：鑒相器Ⅱ的輸出端。

14腳：信號(hào)輸入端。

15腳：內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。

CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

CD4046的內(nèi)部電原理框圖如圖3所示。主要由壓控振蕩器（VCO）、源跟隨器（A2）、穩(wěn)壓器、線性放大和整形電路（A1）以及兩個(gè)鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）組成。

鑒相器Ⅰ采用異或門(mén)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸入信Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出信號(hào)UΨ為高電平;反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0~80°之間變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度也將隨之改變，即占空比亦在變化。對(duì)于鑒相器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50%（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。

鑒相器Ⅱ是一個(gè)由信號(hào)的上升沿觸發(fā)的數(shù)字存儲(chǔ)鑒相器。它對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高，允許輸入非對(duì)稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定輸入信號(hào)的諧波。兩個(gè)鑒相器分別由2腳和13腳輸出，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。鑒相器Ⅱ還有另一個(gè)輸出端（1腳），輸出鎖定信號(hào)（相位脈沖），可用作鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)的指示。當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在鑒相器Ⅱ的兩個(gè)輸入信號(hào)之間保持0°相移。

由于輸入信號(hào)Ui（從14腳輸入）一般較小，不符合上面兩種數(shù)字鑒相器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，而且波形也不規(guī)則，因此輸入信號(hào)要先經(jīng)放大和整形電路A1，使其電平和波形均滿足鑒相器（Ⅰ、Ⅱ）的要求。

環(huán)路濾波器采用外接的阻容網(wǎng)絡(luò)（R3、R4、R2），其輸出的控制電壓接至壓控振蕩器（VCO）的輸入端（9腳）。

CD4046鎖相環(huán)采用的是交叉充放電型壓控振蕩器，因此在6、7腳之間外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低;當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz（VDD=15V），若VDD《15V，則fmax要降低一些。

當(dāng)CD4046用于調(diào)頻波的解調(diào)時(shí)，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓經(jīng)源跟隨器（A2）至10腳，得到FM的解調(diào)信號(hào)。注意，10腳與地之間必須接負(fù)載電阻R5。

CD4046還有一個(gè)由齊納二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓值Uz=5~8V）。當(dāng)CD4046與TTL電路匹配時(shí)，該穩(wěn)壓管可用作輔助電源。

綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號(hào)Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到鑒相器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，下圖開(kāi)關(guān)K撥至2腳，則鑒相器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從鑒相器Ⅰ輸出的誤差電壓UΨ則反映出二者的相位差大小;UΨ經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一個(gè)控制電壓Ud，加至VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近輸入信號(hào)頻率f1;VCO的輸出又經(jīng)分頻器再進(jìn)入鑒相器Ⅰ（根據(jù)需要決定分頻器的有無(wú)），繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2=f1，二者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開(kāi)關(guān)K撥至13腳，則鑒相器Ⅱ工作，過(guò)程與上述相同。

CD4046的內(nèi)部電原理圖